Thermomechanic analysis of thermoelectric generators under realistic loads in vehicles

Thermoelektrische Generatoren (TEG) überführen das thermische Potential einer Temperaturdifferenz in elektrische Energie. Ursprünglich wurden sie nur in der Raumfahrttechnik zur Stromversorgung von Raumsonden und als Thermoelemente zur Temperaturmessung eingesetzt. Mit Voranschreiten der Materialentwicklung wurden sie auch für den Alltag interessant. Prozesse, die Abwärme erzeugen oder auch kleinste Temperaturdifferenzen zwischen einem Körper und der Umgebung können von TEG genutzt werden, um elektrische Energie bereit zu stellen. Die beim Betrieb eines Kfz anfallende Abgaswärme bietet ebenfalls Potential für den Einsatz eines thermoelektrischen Generators. Besonders die künftige Entwicklung der Kraftstoffpreise und die gesetzlichen Vorgaben zur CO2-Reduktion stellen eine Motivation dar, die Bestrebungen einer TEG-Integration in den Abgasstrang eines Kfz voranzutreiben. Vor diesem Hintergrund wird die Effizienz einer thermoelektrischen Wandlung bei der Belastung mit Temperaturen eines realen Fahrzyklus untersucht. Die Abgasund Kühlkreislauftemperaturen werden von einer numerischen Simulation bereitgestellt und dienen als Eingangsgrößen eines Messgeräts. Mit Hilfe der verwendeten Messtechnik können die generierte thermoelektrische Leistung und der Wirkungsgrad der Wandlung analysiert werden. Weiterhin wird die thermomechanische Belastung während eines Fahrzyklus untersucht. Die Belastung eines TEG mit sehr unterschiedlichen, stark variierenden Temperaturen über die Lebensdauer eines Kfz stellt besondere Herausforderungen an den Generator. Die Ergebnisse zeigen, dass die TEG die bereitgestellte thermische Energie erfolgreich in elektrische Energie umwandeln. Dennoch müssen bei einer Systemintegration weitere Aspekte, wie Zusatzgewicht, Kosten und auch die thermomechanische Belastung, berücksichtigt werden. Es wird ersichtlich, dass die Belastungen und besonders die häufigen Lastwechsel bereits nach kurzer Zeit zum Versagen der TEG führen. Aus diesem Grund ist eine Integration der aktuell verfügbaren Module in den Abgasstrang eines Kfz nicht zielführend. Materialentwicklungen und Geometrieanpassungen können jedoch zukünftig dazu führen, dass diese Anwendung denkbar wird