Abwärmenutzung reif für die Serienentwicklung

ORC ist die Lösung für eine effiziente und ökonomische Wärmeenergierückgewinnung

Ein großer Teil der Energie im Kraftstoff geht immer noch ungenutzt über das Abgas durch den Auspuff verloren. Die Abwärmerekuperation ist darum eine Kerntechnologie, um den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs von Pkw, Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen zu steigern. IAV untersucht intensiv den Organic Rankine Cycle (ORC), der das beste Verhältnis aus Kosten, Gewicht und Nutzen bietet. Prototypen haben auf dem Prüfstand bewiesen, dass die Technik robust ist und die Erwartungen erfüllt.

Es sind unterschiedliche Treiber, die die Abwärmerekuperation für Pkw bzw. Nutzfahrzeuge interessant machen: Bei den Pkw verlangt der Gesetzgeber von den OEMs immer geringere CO2-Flottengrenzwerte, im Nutzfahrzeugbereich steht hingegen die Einsparung der Kraftstoffkosten im Mittelpunkt. „Hier rechnet sich die Wärmeenergierückgewinnung auch am schnellsten“, so Oliver Dingel, Seniorfachreferent für Energiemanagement bei IAV. „Die Markteinführung solcher Systeme im Nfz ist eher vom Dieselpreis als von zukünftigen gesetzlichen Grenzwerten abhängig. Beim Pkw, der nur etwa auf ein Zehntel der Laufleistung eines Nutzfahrzeugs kommt und ein Fünftel des Kraftstoffs verbraucht, kann Abwärmerekuperation aber einen wesentlichen Beitrag leisten, um den CO2-Ausstoß auf unter 95 g/km zu senken.“

Verbrauchspotenziale sind abhängig von Fahrzeug und Einsatzfall

Beim Pkw lassen sich dadurch je nach Zyklus bis zu 8 Prozent Kraftstoff einsparen – weniger im NEFZ, mehr in den für die Zukunft relevanten WLTC- und RDE-Zyklen. Bei Nutzfahrzeugen liegt das Sparpotenzial im Bereich von 3 bis 5 Prozent, wegen der höheren Absolutverbräuche und Laufleistungen wird die Amortisation der Zusatzinvestitionen viel schneller erreicht.“ „Hierzu haben wir zusammen mit den Kollegen von Consulting4Drive unterschiedliche Szenarien in verschiedenen Märkten bewertet“, so Dingel.

IAV setzt für die Rückgewinnung der Energie aus den Abgasen auf den ORC. Dieser Dampfprozess ermöglicht es, die gewonnene Energie entweder in mechanische Arbeit zu verwandeln und direkt in den Antriebsstrang zu koppeln oder über einen Generator elektrische Energie zu erzeugen. „Die elektrische Rückkopplung macht vor allem dann Sinn, wenn es einen hohen Leistungsbedarf von elektrifizierten Nebentrieben gibt“, sagt Dingel. „Schon im WLTC kann ORC vier bis fünf Kilowatt Leistung liefern, die auch zum Laden einer Traktionsbatterie während der Fahrt genutzt werden kann.“ Er ist damit auch eine perfekte Ergänzung zu einem Hybridantrieb im Pkw: Während dieser vor allem bei der Fahrt in Städten Wirkung zeigt, läuft der ORC bei langen Überlandfahrten zur Höchstform auf. Im Nfz kann die Elektrifizierung von Nebenaggregaten durch die Einführung des 48-Volt-Bordnetzes der ORCTechnolgie zusätzliche Perspektiven öffnen.

Auf dem Prüfstand bewährt

Als Energiewandler für den ORC hat IAV eine Curtis-Turbine und einen Einzylinder-Hubkolben- Expander untersucht. Beide existieren als Prototypen und haben sich bereits bei umfangreichen Testläufen auf dem Prüfstand bewährt. Der Hubkolben-Expander kam in Kombination mit einem Nutzfahrzeugmotor auf zwölf Kilowatt mechanische Leistung und einen Wirkungsgrad von 13,5 Prozent. Sein besonderer Vorteil für eine mechanische Kopplung an den Verbrennungsmotor: Der Wirkungsgrad bleibt auch bei sich verändernden Drehzahlen und Mediendrücken auf einem hohen Niveau. Die Curtis-Turbine war an einen Generator gekoppelt und erreichte eine elektrische Maximalleistung von zehn Kilowatt und einen Wirkungsgrad von bis zu 11,5 Prozent. Aufgrund der hohen Drehzahlen von bis zu 70.000 Umdrehungen pro Minute fällt die Turbinen-Generator- Einheit sehr kompakt aus und eignet sich daher ideal für die elektrische Einspeisung der rückgewonnenen Abgasenergie.

Der Dampf für die beiden Expander wurde bei allen Untersuchungen in den Wärmeübertrager- Prototypen von IAV erzeugt. Deren Grundprinzip erlaubt eine flexible Anpassung an unterschiedliche Einbauverhältnisse und verbindet bei geringem Gewicht niedrige Druckverluste mit gleichzeitig hohen Wirkungsgraden. Inzwischen ist die Technik aller Komponenten so ausgereift, dass sie bei IAV die Vorentwicklung verlassen und ihren Platz im Fachbereich Nutzfahrzeuge gefunden hat.

Bereit für die Serienentwicklung

IAV könnte sofort mit einer Entwicklung für OEMs oder Lieferanten beginnen. „Wir haben bereits mehrere Generationen von ORC-Prototypen gebaut“, so Dingel. „Dadurch verfügen wir über viel kundenunabhängiges Wissen und Know-how.“ Nach zahlreichen Untersuchungen und Eigenentwicklungen ist zudem die Tool- und Versuchskette geschlossen: IAV kann Wärmetauscher und Expander auslegen und als Prototypen bauen, verfügt über einen Prüfstand für Versuche mit Ethanol und simuliert die Fahrzeugintegration von ORC-Systemen.

Von der Simulation über Konstruktion und Prototypen, Betriebs- und Regelstrategie bis hin zu Versuch und Test auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug: Alle Voraussetzungen für die ORC-Systemintegration sind bei IAV vorhanden. Hier spielt auch die übergreifende Zusammenarbeit der unterschiedlichsten IAV-Fachbereiche eine Schlüsselrolle – denn die Integration eines ORC-Systems in den Antriebsstrang betrifft unter anderem das Bordnetz, das Kühlsystem, die Abgasnachbehandlung und die Motorsteuerung. „Wir haben Expertise für alle Schnittstellen zwischen den Subsystemen“, erklärt Dingel. „Dadurch können wir das ORC-System so geschickt ins Fahrzeug integrieren, dass es sich nahtlos einfügt und die optimale Performance über alle Betriebsbereiche liefern kann.“