Thermoelektrische Generatoren (TEG) mit herausragender Leistungsdichte zur effizienten Nutzung von Sekundärenergie

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1 Folie 1 Thermoelektrische Generatoren (TEG) mit herausragender Leistungsdichte zur effizienten Nutzung von Sekundärenergie 6. ATZ-Fachtagung Werkstofftechnik im Automobilbau M. Kober L. Heber K. Oetringer H. Friedrich Institut für Fahrzeugkonzepte Stuttgart,

2 Folie 2 Gliederung Motivation Abwärmenutzung Thermoelektrische Materialien und deren Wirkungsgrade Methodisches Vorgehen zur Steigerung der Leistungsdichte Messergebnisse am Funktionsmuster Simulationsvalidierung

3 Folie 3 Motivation Abwärmenutzung Energieflüsse Verbrennungsmotor 1) Treffinger P., Häfele Ch., Weiler T. DLR e.v. Stuttgart; Eder A., Richter R., Mazar B. BMW Group München: Energierückgewinnung durch Wandlung von Abwärme in Nutzenergie VDI Tagung Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden

4 Folie 4 TEG Entwicklung am DLR

5 Folie 5 Grundlagen Thermoelektrik Abgas heiß Thermodiffusion von Elektronen bzw. Löchern zur kalten Seite Elektr. Potential proportional zu ΔT: U S = T S Seebeck-Koeffizient - n p kalt Kühlmittel Dimensionslose Gütezahl ZT: 2 S σ σ Elektrische Leitfähigkeit ZT = T Κ Thermische Leitfähigkeit κ T Temperatur Wirkungsgrad TE: η = P Q el in = T h T T h k ZT Tk ZT T h

6 Folie 6 Welche Wirkungsgrade sind mit der Technologie Thermoelektrik erreichbar???

7 Folie 7 Abgas Wirkungsgrade der Thermoelektrik Vergleich zwischen Bismuttellurid (Niedertemperatur) und Skutterudit (Hochtemperatur) Im Labormaßstab verfügbare Materialien mit ZT max ~ 1 55% 1.1 heiß - n p kalt Kühlmittel U = S T 50% 1.0 Efficiency η [%] 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% η_carnot η_ex Bi2Te3 η_overall Bi2Te3 η_ex CoSb3 η_overall CoSb3 ZT Bi2Te3 ZT CoSb Figure of Merit ZT ZZTT = SS2 σσ κκ TT ηη max = ηη Carnot ηη ex ηη Carnot = TT h TT c TT h 10% 5% 0% Hot Side Temperature T_h [ C] ηη ex = 1 + ZZTT mm ZZTT mm + TT c /TT h

8 Folie 8 Abgas Wirkungsgrade der Thermoelektrik 55% Bismuttellurid mit ZT max ~ 1 exergetischer Wirkungsgrad ηη ex ~ 17% Gesamtwirkungsgrad ηη max ~ 6% (Niedertemperatur) 1.1 heiß - n p kalt Kühlmittel U = S T 50% 1.0 Efficiency η [%] 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% η_carnot η_ex Bi2Te3 η_max Bi2Te3 η_ex CoSb3 η_max CoSb3 ZT Bi2Te3 ZT CoSb Figure of Merit ZT ZZTT = SS2 σσ κκ TT ηη max = ηη Carnot ηη ex ηη Carnot = TT h TT c TT h 10% 5% 0% Hot Side Temperature T_h [ C] ηη ex = 1 + ZZTT mm ZZTT mm + TT c /TT h Cold Side Temperature T_c = 100 C

9 Folie 9 Abgas Wirkungsgrade der Thermoelektrik 55% Skutterudit mit ZT max ~ 1 exergetischer Wirkungsgrad ηη ex ~ 20% Gesamtwirkungsgrad ηη max ~ 11% (Hochtemperatur) 1.1 heiß - n p kalt Kühlmittel U = S T Efficiency η [%] 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Hot Side Temperature T_h [ C] η_carnot η_ex Bi2Te3 η_max Bi2Te3 η_ex CoSb3 η_max CoSb3 ZT Bi2Te3 ZT CoSb3 Hochtemp. ~11% Niedertemp. ~ 6% Figure of Merit ZT ηη ex = ZZTT = SS2 σσ κκ TT ηη max = ηη Carnot ηη ex ηη Carnot = TT h TT c TT h 1 + ZZTT mm ZZTT mm + TT c /TT h Cold Side Temperature T_c = 100 C

10 Folie 10 WLTP Prüfzyklus Opel Ampera 1.4 l Rex (63 kw) 900 4,00E ,50E-02 Temperatur [ C] ,00E-02 2,50E-02 2,00E-02 1,50E-02 1,00E-02 Massenstrom [kg/s] 100 5,00E T_HG [ C] Zeit [s] m_p HG [kg/s] 1) Oetringer, Kerstin und Kober, Martin (2014) Hat der TEG noch eine Berechtigung in einer Zeit der Elektromobilität? VDI-Fachkonferenz Thermische Rekuperation in Fahrzeugen, 31. März April 2014, Nürtingen, Deutschland.. 0,00E+00

11 Folie 11 TEG-Design-Point Niederlastiger Design-Point zur TEG-Auslegung Energiemenge [kj] Verwertbare Energiemenge im WLTP Design-Point 17g/s 582 C EE = mm uu cc pp (TT uu TT cc ) Temperaturauslegungspunkt emperaturausegungspunkt [ C] [ C] Massenstromauslegungspunkt [g/s]

12 Folie 12 Vorgehensweise zur Steigerung der Leistungsdichte Ziel 1: Leistungssteigerung + Kostensenkung Vorgehensweise: Neuartige thermodynamische Auslegungsmethode Holistische Auslegungsmethode für TEG Ziel 2: Gewichts-/Volumenreduktion + Kostensenkung Vorgehensweise: Konstruktive Entwicklung und thermomechanische Auslegung Hochintegrierte Bauweise

13 Folie 13 Wie kann eine holistische Auslegung durchgeführt werden???

14 Folie 14 Wechselwirkungen mit dem Fahrzeuggesamtsystem Elektr. Leistungseinspeisung P in Verkürzung der Kaltstartphase Kühllast P co Abgasgegendruck Kühlung des Abgases P pr Roll- und Beschleunigungswiderstand Pro

15 Folie 15 Holistische Auslegungsmethode für TEG TEG-Auslegung unter Berücksichtigung aller relevanten Einflüsse auf das Fahrzeug Nutzung von CFD-Simulation (3D) in Kombination mit einer Simulation der Fahrzeuggesamtsystem- Wechselwirkungen (1D) Mehrzieloptimierung adressiert die Zielgrößenkonflikte u.a. aus Leistung im Zyklus, Spitzenleistung und Kosten

16 Folie 16 Wie kann das TEG-Gewicht deutlich reduziert werden???

17 Folie 17 Vorgehensweise TEG-Entwicklung allgemein VDI Richtlinie 2221 Aufgabe Arbeitsergebnisse Phasen Iteratives Vor- oder Rückspringen zu einem oder mehreren Arbeitsschritten Klären und präzisieren der Aufgabenstellung Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen Gliedern in realisierbare Module Gestalten der maßgebenden Module Gestalten des gesamten Produkts Ausarbeiten der Ausführungsund Nutzungsangaben Prinzipielle Lösungen Modulare Strukturen Vorentwürfe Anforderungsliste Funktionsstrukturen Gesamtentwurf Produktdokumentation Erfüllen und Anpassen der Anforderungen Phase I K Phase II Phase III Phase IV Weitere Realisierung

18 Folie 18 Beispiel: Prinzipielle Lösungen sub-functions sub-solutions feed/dissipate exhaust heat transfer conduct heat distribute heat smoothly A4 Stapelbauweise dissipate electric energy conduct heat feed/dissipate coolant provide force distribute contact pressure smoothly B1 Hexagonale Bauweise A2 E1 A4 B1 A3 A1 D1 C1 B2 1) Kober, M. ; Häfele, C. ; Friedrich, H. E. (2012) Methodical Concept Development of Automotive Thermoelectric Generators (TEG). 3. International Conference 'Thermoelecrics goes Automotive', 2012, Berlin, Deutschland.

19 Folie 19 Vorgehensweise: Hochintegration der TEG-Bauweise (VDI Richtlinie 2221 Modulare Strukturen) Aufgabe Arbeitsergebnisse Phasen Iteratives Vor- oder Rückspringen zu einem oder mehreren Arbeitsschritten Klären und präzisieren der Aufgabenstellung Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen Gliedern in realisierbare Module Gestalten der maßgebenden Module Gestalten des gesamten Produkts Ausarbeiten der Ausführungsund Nutzungsangaben Prinzipielle Lösungen Modulare Strukturen Vorentwürfe Anforderungsliste Funktionsstrukturen Gesamtentwurf Produktdokumentation Erfüllen und Anpassen der Anforderungen Phase I K Phase II Phase III Phase IV Weitere Realisierung

20 Folie 20 Funktionsstrukturen und Modulare Strukturen Hochintegration von TEG-Gehäuse, Kühlmittelführung und Elektronik Erweitert zu: 1) Kober, M. ; Häfele, C. ; Friedrich, H. E. (2012) Methodical Concept Development of Automotive Thermoelectric Generators (TEG). 3. International Conference 'Thermoelecrics goes Automotive', 2012, Berlin, Deutschland.

21 Folie 21 Vorentwurf der Modularen Struktur als Kreuzstromwärmeübertrager Heißgaswärmeübertrager Kühlwasserwärmeübertrager Längliche Thermoelektrische Module

22 Folie 22 Vorentwurf der Modularen Struktur als Kreuzstromwärmeübertrager Heißgaswärmeübertrager Kühlwasserwärmeübertrager Längliche Thermoelektrische Module Heißgas

23 Folie 23 Vorentwurf der Modularen Struktur als Kreuzstromwärmeübertrager Heißgaswärmeübertrager Kühlwasserwärmeübertrager Längliche Thermoelektrische Module Heißgas Kühlwasser

24 Folie 24 Gesamtentwurf Hochintegrierter TEG als Kreuzstromwärmeübertrager TEG-Gehäuse Schutz vor äußeren Einflüssen Schutzatmosphäre (Schutzgas/Vakuum)

25 Folie 25 Gesamtentwurf Hochintegrierter TEG als Kreuzstromwärmeübertrager TEG-Gehäuse Schutz vor äußeren Einflüssen Schutzatmosphäre (Schutzgas/Vakuum) Elektronik Funktionsintegrierte Kühlung der Elektronik Elektrische Wandlung innerhalb der Schutzatmosphäre Elektrische Durchführung auf höherem Spannungsniveau Kühlmittelführung Funktionsintegriert mit dem TEG-Gehäuse Hochintegrierter Kreuzstromwärmeübertrager

26 Folie 26 Gesamtentwurf Hochintegrierter TEG als Kreuzstromwärmeübertrager Kühlmittelführung Funktionsintegrierte Kühlmittelumlenkung Kühlwasserwärmeübertrager: 2 x parallel und 2 in Reihe Kühlmittelführungen als Kunststoff-Spritzgussbauteil Geringes Gewicht Geringe Kosten

27 Folie 27 Kenngrößen aus der Simulation der hochintegrierten Bauweise TEG Gewicht < 8 kg (ohne Bypass) Volumen < 3 dm³ (ohne Bypass und Diffusoren) El. Spitzenleistung > 400 W El. Leistung im Design-Point (Niederlast) > 160 W Leistungsdichte TEG: Gravimetrische Leistungsdichte > 50 W/kg Volumetrische Leistungsdichte > 130 W/dm³ TEG-Optimierung auf den niederlastigen Design-Point und nicht auf Spitzenleistung. Bei reiner Maximierung der Spitzenleistung könnten noch bessere Leistungsdichten erreicht werden.

28 Folie 28 Messergebnisse Simulationsvalidierung Zielwert: < 8kg inkl. Elektronik (nicht im Projekt umgesetzt) exkl. Bypass exkl. Messtechnik Funktionsmuster: Messtechnik: Elektronik (Annahme): 8,3 kg - 2,1 kg + <1,5 kg erreichtes Gewicht <7,7 kg

29 Folie 29 Messergebnisse Simulationsvalidierung - Design-Point Schnittebene in TEG-Längsrichtung Z X Y Design-Point: Messwerte zeigen eine noch bessere Vergleichmäßigung in Längsrichtung Anpassung der Simulation für zukünftige Projekte Vergleich der Messung und CFD-Simulation der Heißseite (Th) und Kaltseite (Tc) am Messpunkt 1 - Design-Point

30 Folie 30 Messergebnisse Simulationsvalidierung - Max-Point Schnittebene in TEG-Längsrichtung Z X Y Max-Point: Messwerte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Simulation Vergleich der Messung und CFD-Simulation der Heißseite (Th) und Kaltseite (Tc) am Messpunkt 9 - Max-Point

31 Folie 31 Zusammenfassung Vorgehen zur Steigerung der Leistungsdichte Vorstellung einer neuen holistischen Auslegungsmethode Vorstellung einer hochintegrierten TEG-Bauweise Vergleich von Messund Simulations- Ergebnissen

32 Folie 32 Projekt RExTEG Danksagung Diese Arbeit wurde finanziert vom Ministerium für Finanzen und Wirtschaft in Baden-Württemberg mit Mitteln der Baden-Württemberg Stiftung. Institut für Fahrzeugkonzepte Pfaffenwaldring Stuttgart Dipl.-Ing.(FH) Martin Kober Tel.: