26.08.2013

EcoTEG

Marlis Morschel ist Diplom-Ingenieurin der Energie- und Verfahrenstechnik und promoviert im Rahmen des Forschungsprojekts EcoTEG an der Hochschule Rhein-Waal auf dem Gebiet der Thermoelektrik. Im Oktober stellt sie ihre neusten Erkenntnisse auf der Konferenz „Materials Science and Technology“ in Montréal, Kanada vor. Die Reise zur Konferenz wird vom Deutsch Akademischen Austauschdienst (DAAD) gefördert.

Kleve/Kamp-Lintfort, 22. August 2013: Bereits seit Anfang 2011 bearbeitet die Fakultät Technologie und Bionik der Hochschule Rhein-Waal unter der Leitung von Prof. Dr. Georg Bastian das Forschungs- und Entwicklungsprojekt EcoTEG. Der Name steht für ein Industrialisierungskonzept für hochtemperaturtaugliche thermoelektrische Generatoren (TEG) zur Abgaswärmenutzung in Automobilen auf Basis neuartiger Materialien. Ziel ist es, die ungenutzte Abwärme, die bei dem Antrieb von Verbrennungsmotoren entsteht, mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln.

In Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen untersucht Frau Morschel nun im Rahmen ihrer Promotion an der Hochschule Rhein-Waal die auftretenden Verformungen des thermoelektrischen Generators.

Zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels eines thermoelektrischen Generators wird eine Wärmequelle (in diesem Fall das Abgas eines PKWs) und eine Wärmesenke (der Kühlkreislauf des Fahrzeugs) benötigt. Diese beiden Komponenten liefern die erforderliche Temperaturdifferenz für den Betrieb des thermoelektrischen Generators. Dieser wird durch einen Wärmetauscher sowohl mit der Wärmequelle, als auch mit der Senke verbunden. Wie bei einem Sandwich wird der thermoelektrische Generator zwischen Quelle und Senke gepresst. Auf diese Weise strömt die heiße und kalte Luft an ihm vorbei. Hierbei ist eine gute thermische Ankopplung an die Ströme sehr wichtig, um die Energie aus dem Abgas in den thermoelektrischen Generator zu leiten.

 

Verspannungen und Verformungen von Oberflächen

Eine Folge dieser Anbindung ist jedoch, dass die heiße Seite des thermoelektrischen Generators versucht sich auszudehnen und die kalte Seite sich zusammen ziehen möchte. Diese entgegengesetzten Prozesse führen zu Verspannungen und Verformungen, die bis zum Materialversagen des Moduls führen können. Um das zu verhindern, werden an der Hochschule Rhein-Waal Untersuchungen mit einem optischen Messsystem und einer Wärmebildkamera durchgeführt. Das optische Messsystem nutzt einen Laserstrahl, um selbst kleinste Verformungen der Oberfläche zu erkennen. Mit der Wärmebildkamera kann man die Temperatur von Oberflächen messen, was für die Untersuchung eine wichtige Analysemethode darstellt. Auf diese Weise wird sichtbar, wie erfolgreich und wie gleichmäßig die Wärme aus dem Abgas in den thermoelektrischen Generator geleitet wird.

 

Simulation von realen Belastungen

Zudem wird der thermoelektrische Generator mit realistischen Temperaturdifferenzen belastet. Hierzu nutzt die Doktorandin einen Prüfstand, der die Temperaturen im Abgasstrang eines Fahrzeugs nachbildet. Als Grundlage dient der neue europäische Fahrzyklus (NEFZ), der von Automobilherstellern genutzt wird, um eine standardisierte Fahrt mit einem PKW durch die Stadt, über Landstraßen und die Autobahn wiederzugeben. Parallel wird eine Simulation, basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit den gleichen Temperaturdaten gespeist. Unter dieser Computersimulation ist eine Abbildung der Realität in einem Modell zu verstehen. Bei sehr komplexen Sachverhalten, teuren Versuchen oder noch nicht existenten Prototypen sind Simulationen sehr hilfreich. Diese Simulation einer langfristigen, realen Belastung des thermoelektrischen Generators soll eine Aussage darüber ermöglichen, wie vielversprechend der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren in Fahrzeugen ist. Wenn dieser den realen Belastungen (Temperaturdifferenzen von etwa 350°C) standhält, ist über die zusätzliche Einspeisung von elektrischer Energie in das Bordnetz des Fahrzeugs eine Kraftstoffeinsparung möglich.

 

Konferenz „Materials Science and Technology“

Unter dem Titel „Analysis of Thermal and Mechanical Stress in a Thermoelectric Generator under Realistic Load“ präsentiert Frau Morschel im Oktober die Ergebnisse der durchgeführten FEM-Simulation auf der renommierten Konferenz „Materials Science and Technology“ in Montréal, Kanada. Die Konferenz befasst sich mit verschiedenen Materialien und deren Eigenschaften sowie Anwendungen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf Biomaterialien, Keramiken, Nanomaterialien und einem nachhaltigen Einsatz dieser. Der DAAD unterstützt die aktive Teilnahme von deutschen Wissenschaftlern an internationalen Veranstaltungen.

Partner des Forschungs- und Entwicklungsprojekts EcoTEG sind die Daimler AG, die Robert Bosch GmbH, die J. Eberspächer GmbH  & Co. KG und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR). Gefördert wird das Projekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).