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Energierückgewinnung Energie aus LKW-Abwärme

| Redakteur: Beate Christmann

Das EU-geförderte Projekt Integral erforscht die Rückgewinnung von Energie aus Abwärme unter Verwendung von thermoelektrischem Material. Das Teilprojekt „Materialherstellung und Prozessentwicklung“ sucht dabei nach Wegen, Halb-Heusler-Materialien in großen Mengen herzustellen. Zudem entwickelt es einen Generator, der an LKW-Abgasanlagen gekoppelt werden soll.

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Schmelzblock, Wafer und Halbleiter: Diese Bauelemente aus Halb-Heusler-Material sollen bald in Großmengen produziert werden können.
Schmelzblock, Wafer und Halbleiter: Diese Bauelemente aus Halb-Heusler-Material sollen bald in Großmengen produziert werden können.
(Bild: Isabellenhütte Heusler)

Überall entsteht Abwärme, entweicht und geht damit verloren – sei es bei Fahrzeugen, Kraftwerken oder Wärmesystemen. Diese Abwärme rückzugewinnen und unter Verwendung von thermoelektrischem Material in Energie umzuwandeln, ist das Ziel des EU-geförderten Projekts Integral (Initiative to bring 2nd generation of thermo-electric generators into industrial reality). Das Unternehmen Isabellenhütte Heusler führt dabei das Teilprojekt „Materialherstellung und Prozessentwicklung“ an und ist verantwortlich für den Aufbau und die Entwicklung einer von drei Pilotproduktionen, welche thermoelektrische Halb-Heusler-Materialien in großen Mengen herstellen sollen. Projektübergreifendes Ziel ist es, bis 2019 den Technologiereifegrad dieser Form der Energierückgewinnung von 4 (Versuchsaufbau im Labor) auf 7 (Prototyp im Einsatz) zu erhöhen.

Entwicklung eines thermoelektrischen Generators

Das Team mit dem schwedischen Hersteller von Kühlsystemen für Lastkraftwagen (Lkw) Titan-X, dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS sowie dem britischen Engineeringdienstleister Ricardo arbeitet an der Entwicklung eines thermoelektrischen Generators (TEG), der an Lkw-Abgasanlagen angekoppelt werden soll.

Der TEG besteht aus zwei Wärmetauschern und dem aktiven thermoelektrischen Halb-Heusler-Material, das zwischen diesen beiden Wärmetauschern angeordnet ist. Ein Wärmetauscher sammelt die Wärme aus den Abgasen ein. Die Wärme wird von diesem Heißseitenwärmetauscher zum aktiven thermoelektrischen Material geführt. Die Wärme strömt durch das thermoelektrische Material und wird vom zweiten Wärmetauscher aufgenommen und abgeführt. Durch den thermoelektrischen Effekt wird ein Teil des Wärmestroms durch das thermoelektrische Material in elektrische Energie umgewandelt.

Bis heute keine serienreife Technologie zur Rückgewinnung der Abwärme

Nach Ansicht der Forscher könnten insbesondere die Automobilindustrie, Kraftwerke oder Hersteller von Heizungsanlagen und auch der Endverbraucher von dieser Form der Energierückgewinnung profitieren. Denn: Etwa 50 % der weltweit erzeugten Energie geht als Abwärme verloren und entweicht ungenutzt. Bei Fahrzeugen sind es 70 %. Bis heute gibt es keine serienreife Technologie, diese Energie wieder nutzbar zu machen.

Das dabei eingesetzte Halb-Heusler-Material zeichnet sich durch eine moderate Effizienz aus. Es soll in der Lage sein, 5 % bis 7 % des hindurchgeleiteten Wärmestroms in elektrische Energie umzuwandeln. Im Vergleich zu alternativen Werkstoffen wie Siliziden oder Skutteroditen ist Halb-Heusler deutlich stabiler. Es vereint eine hohe mechanische Festigkeit mit hoher thermischer und chemischer Widerstandsfähigkeit.

Erste Pilotproduktion bereits in diesem Jahr

Isabellenhütte beabsichtigt in 2017 eine Pilotproduktion am Unternehmensstandort in Dillenburg aufzubauen. Diese soll in der Lage sein, große Mengen Halb-Heusler-Material in industrienahem Umfeld herzustellen. Anschließend soll das Material in dem mit Titan-X und Ricardo gemeinsam entwickelten Generator verbaut und einem Praxistest unterzogen werden. Dazu wird der Generator auf einem Heißgasprüfstand, der die Abgasanlage eines LKW simuliert, untersucht.

Ziel der Produktionsanlage ist es, 20 kg an konstant qualitativ hochwertigem Halb-Heusler-Material zu erschmelzen. Die erschmolzenen Blöcke werden in Scheiben, sogenannte Wafer, und schließlich zu kleinen, wenige Millimeter starken Bauelementen, gesägt. Qualitätsziel ist eine Ausbringungsquote von mindestens 95 %. Die hergestellten Halb-Heusler-Bauelemente werden von Titan-X im beschriebenen Generator verbaut.

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