Thermoelektrischer Generator (TEG) zur Energie-Rückgewinnung aus Dieselmotor-Abgas

Projektbeschreibung

Die Frage, wie sich Wärmedifferenzen mit hohem Wirkungsgrad in Strom verwandeln lassen, beschäftigt die Forschung und verschiedene Zweige der Industrie seit langem. Dazu zählt auch die Schienenfahrzeugindustrie. So trat der Weltmarktführer Bombardier Transportation mit der Idee der thermoelektrischen Energierückgewinnung und der Anfrage für eine rechnerische Machbarkeitsanalyse an Helbling heran. Daraus ergab sich der Auftrag, verschiedene grundlegende Systemkonzepte zu entwickeln sowie einen Labor-Demonstrator eines TEG für eine dieselelektrische Lokomotive von der ersten Produktidee bis zum Demonstrator im 1:1 Lok-Massstab auszuarbeiten und in Betrieb zu nehmen. Die Stärke von Helbling in diesem anspruchsvollen Projekt liegt in ihrem Kompetenznetzwerk, das es erlaubt, Mitarbeitende verschiedenster Disziplinen in das Projekt-Team zu integrieren, je nach Bedarf auch sehr kurzfristig. Ausserdem ist Helbling als externer Dienstleister nicht in das Alltagsgeschäft, d.h. in die Abwicklung von Produktionsaufträgen eingebunden und kann sich deshalb ganz auf das Entwicklungsprojekt konzentrieren. Ausschlaggebend waren aber auch die umfangreichen Kompetenzen und die langjährige Erfahrung, die Helbling in der Entwicklung von Komponenten für Schienenfahrzeuge aufweist.

Eckdaten / Technische Details

  • Der TEG nutzt Dünnfilm-Halbleiter-Technik, um aus Temperatur-
    differenzen elektrische Spannung zu erzeugen
    (Umkehrung des Peltier-Elementes bzw. Seebeck-Effekt)
  • Die Halbleiter-Module des TEG werden von O-Flexx Technologies GmbH entwickelt, dem Partner-Unternehmen von Bombardier Transportation. Die darin angewandte Technik erlaubt wesentlich höhere Leistungsdichten als bisherige thermoelektrische Module bei tieferen Material- und Herstellkosten
  • Der TEG kann voraussichtlich helfen, 3-5 % Diesel einsparen helfen
  • Der TEG wird anstelle des Schalldämpfers in den Abgasstrom eingebaut. Dessen Bauraum ist vorgegeben
  • Die Lokomotive darf durch das TEG-System nicht wesentlich schwerer werden
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Leistungen

  • Vorstudie und Machbarkeitsanalyse zur Bewertung verschiedener Systemideen
  • Fragestellungen, ob der Wärmetauscher direkt eingebaut werden kann, oder ob es noch Zwischenkreisläufe über einen externen Wärmetauscher braucht
  • Erstellung, Auswertung und Bestimmung von Varianten
  • Konzepte für die Funktionsmuster und detaillierte rechnerische Bewertung verschiedener grundlegender Systemansätze
  • Konkretisierung der Lösung in einem iterativen Prozess
  • Entwicklung, Bau und Inbetriebnahme eines Labor-Demonstrators
  • Entwickelung eines TEG-Demonstrator im 1:1 Lok-Massstab
  • Paralleler Entwurf für den Einsatz auf der dieselelektrischen Lokomotive

Ergebnis / Erfolg

Das TEG-System war Thema zweier Tagungsbeiträge:

A. Heghmanns, K. Geradts, G. Barthelmes, M. Beitelschmidt: Ein thermoelektrisches Generatorsystem zur Abwärmenutzung in dieselelektrischen Fahrzeugen; 3. IAV-Tagung Thermoelektrik, Berlin, 21.-23.11.2012

G. Barthelmes, K. Geradts: Konzipierung eines Miniatur-Prototypen für einen Thermoelektrischen Generator; NAFEMS-Seminar „Unterstützung der Konzeptfindung durch Simulationsmethoden“, Wiesbaden, 21.3.2013

Die Patentanmeldung der TEG-Integration im Abgaswärmetauscher ist in Vorbereitung.

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