Ein Großteil der Energie verlässt Autos ungenutzt als Abwärme über den Auspuff – mithilfe thermoelektrischer Module könnte ein Teil davon zurückgewonnen werden. Die Automobilindustrie arbeitet aktiv an der neuen Technologie.

Thermoelektrik – kalter Kaffee? Im Gegenteil! Der Begriff fasst alle Erscheinungen in elektrisch leitenden Stoffen zusammen, bei denen elektrische Spannungen bzw. Ströme und Temperaturdifferenzen bzw. Wärmeströme in Wechselwirkung stehen. Aber was haben diese fast 200 Jahre alten Prinzipien heute zu bieten? Systeme, die diese Effekte nutzen, können Wärme in elektrische Energie umwandeln – also elektrischen Strom erzeugen – und Wärme mit elektrischer Energie transportieren – also kühlen oder heizen. So ermöglichen sie die effektive Nutzung von Wärmequellen aller Art, zum Beispiel der Abwärme aus Kraftstoffenergie.

Die beiden bekanntesten Effekte sind:

• Die 1821 vom deutschen Physiker Thomas J. Seebeck entdeckte elektrische Wirkung von thermischen Gradienten: „Temperaturdifferenz führt zu elektrischer Spannung.“
• Die 1834 vom französischen Physiker Jean Peltier entdeckte Wärmewirkung von elektrischem Strom: Elektrischer Strom führt zu Temperaturdifferenz.“

Beide Effekte treten stets zusammen auf, können aber sehr präzise einzeln genutzt werden. Je nachdem, wie die Thermoelektrika beaufschlagt werden (mit einer Temperaturdifferenz oder einer elektrischen Spannung), wird das entsprechende Pendant geliefert: elektrische Energie oder Wärme bzw. Kälte.

Materialforschung eröffnet neue Perspektiven

Auch wenn beide Effekte lange bekannt sind und schon praktische Anwendung finden – einem breiten industriellen Einsatz stand über Jahrzehnte der bescheidene Wirkungsgrad thermoelektrischer Systeme im Weg. Seit Ende des letzten Jahrhunderts kommt jedoch Bewegung in die Thermoelektrik, ausgelöst durch Anstrengungen in der Materialforschung. Vor dem Hintergrund neuer Rahmenbedingungen für Mobilität und Verkehr ist diese Technologie für die Automobilindustrie interessant geworden.

Die Thermoelektrik kann helfen, Mobilität zu sichern. Thermoelektrische Generatoren (TEG), die den Seebeck-Effekt nutzen, wandeln Wärme direkt in elektrische Energie. Da sie Verlustwärme statt mechanischer Energie nutzen, erzeugen sie quasi kostenlos Strom und reduzieren Kraftstoffverbrauch, CO₂-Ausstoß und Schadstoffemissionen. Sie verbessern damit signifikant Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit kommender Automobilgenerationen. Da sie schon bei kleinen Temperaturdifferenzen arbeiten, flexibel an Einsatzbedingungen und -temperaturen angepasst werden können, robust, wartungsfrei und skalierbar sind, können sie vielfältig eingesetzt werden, zum Beispiel zur Bordnetzversorgung.

Benötigt werden thermoelektrische Module, die den Anfor derungen der Automobiltechnik entsprechen. Im Vordergrund stehen Kosten und Effizienz der Bauteile – aber auch Materialpreis, -verfügbarkeit und -toxizität, Modulherstell- und -recycelbarkeit sind wichtige Themen. Zudem sind auf die geplante Verwendung hin optimierte Spezifikationen und Designs Grundvoraussetzungen für ihre Einführung.

Vor allem der Einsatz in Abgasanlagen, über die circa die Hälfte der verlorenen Wärmeenergie ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird und deren Nutzung wegen des hohen Temperaturniveaus die höchsten Erträge verspricht, stellt wegen des dynamischen Motor betriebs höchste Ansprüche an die Systeme. Was die Technologie im Verkehr leisten könnte und unter welchen Voraussetzungen sie für den Fahrzeugeinsatz geeignet ist, wird aktuell im Umfeld der Automobil industrie untersucht und erprobt.

Die Forschung geht weiter

Seit 2006 ist die IAV dabei. Zunächst um die Technologie und den Markt kennenzulernen sowie um das für die Entwicklung und Integration derartiger Systeme notwendige Know-how zu erwerben. Um die Bedeutung der Thermoelektrik für die Automobil industrie einschätzen zu können, werden auf der Basis geeigneter Wärmequellen im Fahrzeug Einsatz möglich keiten identifiziert. Alle denkbaren Anwendun gen stehen im Fokus: von der Bordnetzversorgung bis zur Versorgung autarker Systeme, zum Beispiel Sensoren oder Kontrolleinrichtungen für Antriebs- und Fahrzeugkomponenten.

Aktuelle Schwerpunktthemen sind die geometrische, mechanische und thermische Fahrzeugintegration der TEG. Eine der größten Herausforderungen ist die Einbindung in den Wärmestrom – sie hat entscheidenden Einfluss auf die Effektivität des Gesamt systems. Prototypen und deren Erprobung im Labor (auf Prüfständen und im Fahrzeug) stellen sicher, dass alle Anforderungen, etwa bezüglich der Rückwirkung auf Verbrennungskraftmaschine und Abgasnachbehandlung sowie hinsichtlich Effizienz und Betriebs -sicherheit, erfüllt werden. In Kürze wird mit dem Aufgaben komplex elektrische und funktionale Integration ins Fahrzeug begonnen.

Zurück zum Kaffee: Wie man verhindern kann, dass er nur lauwarm und abgestanden in der Tasse landet, zeigt die IAV mit einer von der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe entwickelten Thermoskanne. Ein TEG verwendet einen sehr kleinen Teil der Wärmeenergie des Inhalts, um dessen Temperatur und Menge (Füllstand) zu messen. Die Messwerte werden auf einem Display an der Kanne angezeigt und drahtlos an einen Empfänger übertragen, zum Beispiel an einen PC in der Teeküche. Dort kann man dann auch ablesen, wie alt der Kaffee ist. Was will man mehr?

Die Thermoskanne ist ein Beispiel für die Möglichkeiten der autarken Energieversorgung aus Umwelt- und Verlustenergie. Dieses Projekt markiert den Anfang der Zusammenarbeit zwischen der IAV und der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe auf dem Gebiet der autarken und kabellos vernetzten Systeme. Welche Rolle sie im Fahrzeug spielen können, soll künftig im Rahmen von gemeinsamen Projekten dargestellt werden.