The-R-Components - Thermische Rekuperation in Fahrzeugen; Untersuchung von Arbeitsmedien und deren Einfluss auf die Komponentenauslegung

Die Rekuperation von Verlustenergien durch adäquate Zusatzmaßnahmen stellt ein hohes Verbrauchseinsparpotenzial dar. Für die thermische Rekuperation der Abwärmeverluste des Motors haben sich jedoch noch keine Konzepte im Fahrzeugbereich etabliert, obwohl diese Verlustquelle rein energetisch mit über 60 % das größte Potenzial in sich birgt. Bei der thermischen Rekuperation wird Wärme in chemische, elektrische sowie mechanische Energie gewandelt oder auch zum Antreiben einer Kältemaschine genutzt. Beispiele für PKW-taugliche Konzepte im experimentellen Status wurden bereits auf einschlägigen Tagungen veröffentlicht. Für LKW gibt es zur Zeit keine veröffentlichten Daten über ähnliche Systeme. Im LKW sind jedoch prinzipiell ähnliche Wirkungsgradverbesserungen zu erwarten. Zwar wird der Dieselmotor näher am Bestpunkt im Kennfeld betrieben und es nimmt dadurch die Abgasenthalpie relativ zur Motorleistung ab, jedoch bieten AGR und Ladeluftkühlung zusätzliche interessante Energiequellen für die thermische Rekuperation und Wandlung in mechanische Arbeit. Eine besondere Einschränkung stellt insbesondere beim LKW aber auch beim PKW die Abgabe der Wärme an die Umgebung dar. Jede Energie, die vom Abgas oder anderen Quellen in einen Kreislauf aufgenommen wird, muss schließlich wieder auf möglichst niedrigem Niveau an die Umgebung abgegeben werden. Insgesamt gibt es für die Verwendung eines Dampfkreisprozesses in Fahrzeugen viele restriktive Randbedingungen die durch die Aufzählung der nachfolgenden Bewertungskriterien gut dargestellt werden können. Es sind dies: thermischer Wirkungsgrad, Druckniveau/Druckverhältnis, Teillastverhalten, Einbindung der Energie (Antrieb – Verstromung), Schmierung des Expanders, thermische Stabilität des Arbeitsmediums, Gefrierpunkt, Umweltverträglichkeit, Materialverträglichkeit, Komplexität, Bauraum, Gewicht, u.a. Im Projekt sollen daher zuerst zwei Fahrzeuge (PKW, deutscher OEM) und (LKW, MAN) bezüglich der zur Verfügung stehenden Abwärmen bzw. Abgasenthalpien für die wichtigsten Betriebsfälle untersucht werden. Auf Basis dieser Daten sollen nochmals alle Möglichkeiten der Umwandlung in mechanische Energie über Kreisprozesse (Joule, Stirling, Rankine) miteinander verglichen werden. Zur Zeit gilt der Dampfkreisprozess mit Wasser oder ORC-Medien als der mit den besten Erfolgsaussichten. Daher geht das Projekt von der weiteren Untersuchung der wichtigsten Komponenten eines Dampfkreisprozesses aus. Dazu zählen das Arbeitsmedium, der Verdampfer und der Expander. Diese können nur in einer interdisziplinären Zusammenarbeit von Fachleuten bezüglich der oben angeführten Kriterien bewertet werden. Es sind dies neben den einschlägigen Mitarbeitern aus den beiden OEMs, die TU Graz (Thermodynamik Wasserdampf; Kreisprozess und Komponenten), die TU Delft (Thermodynamik ORC-Medien; Kreisprozess, Komponenten, Stoffwerte, Simulationsprogramme für ORC-Medien), die Fa. FVT (Konstruktion; Expander) und die Fa. Proionic (Bewertung ionische Flüssigkeiten). Abschließend wird die Bewertung auch für den gesamten Kreisprozess durchgeführt und in einem Bericht dargestellt.