BMW will Verbrauch durch bessere Wärmenutzung reduzieren

Selbst ein sehr effizient arbeitender Verbrennungsmotor kann nur rund ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in mechanische Arbeit zur Fortbewegung umsetzen. Rund 60 Prozent der generierten Energie gehen allerdings je zur Hälfte als Abwärme im Abgas und im Kühlwasser verloren. Diese Abwärme mit einem intelligent zu nutzen, darin sieht BMW einen wichtigen Schritt die Zukunft. Das Unternehmen arbeitet an mehreren Projekten, die unterschiedliche Ansatzpunkte verfolgen, um die Abwärme zu nutzen. Dazu gehören beispielsweise Turbosteamer, thermoelektrischer Generatoren, die Motorkapselung oder auch ein Abgaswärmetauscher zur Ölheizung.

Die Projekte „Turbosteamer“ und „Thermoelektrischer Generator“ (TEG) verfolgen dabei, auf unterschiedlichem Weg und mit unterschiedlichem Zeithorizont, den Ansatz, aus der Abwärme elektrischen Strom zu gewinnen und so eine weitere Verbesserung des Antriebswirkungsgrades zu erreichen. Wenn die an Bord eines Fahrzeugs benötigte elektrische Energie nicht über den Generator erzeugt werden muss, sondern direkt aus der Abwärme gewonnen werden kann, bietet dies erhebliches Spritsparpotenzial.

In dem Projekt „Turbosteamer“ arbeiten die Spezialisten der BMW Group Forschung und Technik an einem Abwärmenutzungssystem, das auf dem Prinzip eines Dampfprozesses basiert. Der Ansatz, aus Verlustwärme Energie zurückzugewinnen, wurde im großen Maßstab bereits mit Erfolg in Kraftwerken umgesetzt: Moderne Gas- und Dampfkraftwerke kombinieren die Prinzipien einer Gasturbine sowie eines Dampfkreislaufs und erreichen mit dieser Kombination deutlich höhere Wirkungsgrade. Der Gasturbinenprozess als erste Energiewandlungsstufe dient dabei als Wärmequelle für den nachgeschalteten Dampfprozess, der als zweite Stufe fungiert. Mit dem Turbosteamer wird dieses Prinzip der zweistufigen Energiewandlung von der Stationäranwendung auf den automobilen Einsatz übertragen.

Bereits vor einigen Jahren konnte BMW eine Zusatzleitung von 15 Prozent bei damals aktuellen Vierzylinder-Benzinmotoren nachweisen. Heute konzentriert sich die Entwicklung auf die Verkleinerung der Komponenten und eine Vereinfachung des Systems, um zur Serienreife zu gelangen. Die auf dem Prüfstand entwickelten Systemkomponenten sind bereits heute geometrisch ins Fahrzeug integrierbar.

Auch das Projekt Thermoelektrischer Generator hat schon mehrere Entwicklungsstufen hinter sich, die den Weg zur Serieneinführung ebnen. Zunächst unterschieden sich die beiden bereits vorentwickelten Systeme im Einbauort – Abgasanlage bzw. Abgasrückführung. Die neueste Entwicklungsstufe für den Einbau in die Abgasanlage erreicht einen nächsten Sprung im Wirkungsgrad durch weitere Verbesserungen, vor allem hinsichtlich Gewicht und Bauraum.

Der thermoelektrische Generator wandelt Wärme direkt in elektrischen Strom um. Dabei orientieren sich die BMW-Ingenieure an einer Technologie, die von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA schon seit etwa vier Jahrzehnten zur Stromerzeugung in Raumsonden genutzt wird. Die thermoelektrische Stromgewinnung nutzt den Effekt, dass in thermoelektrischen Halbleiterelementen bei einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung entsteht. Im ersten System, das 2008 der Öffentlichkeit gezeigt wurde, war die mit dem System erzeugbare elektrische Leistung mit maximal 200 Watt noch gering. Die Materialforschung und die Weiterentwicklung hinsichtlich des Gewichts und der Optimierung des Einbaus führen aber zu rasanten Fortschritten, so ist die neueste Generation TEG in der Abgasanlage mittlerweile nachgewiesen in der Lage 600 Watt zu erzeugen und das ursprünglich hoch gesteckte Ziel, bis zu 1000 Watt zu erzeugen, rückt in greifbare Nähe. Der aktuelle Prototyp – ein BMW X6 – entstand im Rahmen eines vom amerikanischen Department of Energy geförderten Entwicklungsprojekts.