Rekuperation Der Abgas-Strom

Zwei Drittel der Energie aus dem Kraftstoff verpuffen nutzlos. BMW sieht es als Chance und will aus dem Abgas mehr abschöpfen, als nur den Turbolader anzutreiben. Guter Rat kommt von der NASA.

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Eigentlich ist der Verbrennungsmotor eine verschwenderische Maschine. Nur etwa ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie wird in Fortbewegung umgesetzt. Der große Rest geht als Abwärme verloren. Diese Art der Verschwendung hat sich BMW jetzt vorgeknöpft. Die Münchner sehen zwei Möglichkeiten, die Abwärme nutzbar zu machen. Zum einen gibt es das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: Über einen Wärmetauscher wird aus der Abwärme im Kühlmittel und Abgas Dampf erzeugt. Dieser treibt wiederum eine Expansionsmaschine an, die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist.

Unter Laborbedingungen konnten die Ingenieure den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent senken. Bis zur Serienreife dürften allerdings noch sieben bis acht Jahre vergehen. Zum anderen gibt es die Umwandlung der chemischen (Kraftstoff) in elektrische (Spannung) Energie. Sie verspricht ohne den mechanischen Zwischenschritt in Form des Generators einen besseren Wirkungsgrad – und schnellere Realisierungschancen.

BMW greift hier auf eine Technik zurück, die in der Raumfahrt seit Jahrzehnten üblich ist: Die NASA gewinnt Strom für ihre Raumsonden mit thermoelektrischen Halbleiterelementen, die aus einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung erzeugen. Bisher war diese Technik für die Automobilindustrie uninteressant, weil die thermoelektrischen Generatoren (TEG) bei extrem hohen Preisen nur mäßigen Wirkungsgrad aufwiesen. Große Fortschritte in der Material- und Werkstoffforschung haben die Leistungsfähigkeit der Halbleiterelemente aber enorm verbessert. Eine im Jahr 2000 neu entwickelte Nanotechnik hat den Wirkungsgrad von acht Prozent um über die Hälfte erhöht.

BMW hat den TEG in den Abgasstrang eines Versuchsträgers auf Basis des 5er integriert, wo er die Verlustwärme des Motors in elektrische Energie umwandeln.

Serieneinsatz in 5 bis 7 Jahren

Die thermoelektrischen Elemente sind in einem Bypass parallel zum Abgasstrang geschaltet. Dazu ist ein Bauraum von etwa 30 Zentimetern Länge sowie je 10 Zentimetern Breite und Höhe erforderlich. Somit wird der TEG wohl nur im Zuge eines Modellwechsels integrierbar sein, wenn die Bodengruppe grundlegend neu gestaltet wird. Einen Serieneinsatz prognostizieren die Entwickler in München in etwa fünf bis sieben Jahren.

Worin liegt der Charme des thermoelektrischen Generators? Zwischen dem heißen Abgas und einer Kühlwasserschicht sind Elektroden aus dem Werkstoff Bismuttellurid angebracht. Werden sie einem Temperaturunterschied unterworfen, kann zwischen ihren Plus- und Minuspolen eine Spannung abgegriffen werden. Die thermische wird also direkt in elektrische Energie umgewandelt. Das Verhalten der Bismuttellurid-Elektroden ist abhängig von der anstehenden Temperaturdifferenz, sprich der Abgastemperatur.

Auf diese Weise umgeht BMW die verlustbehaftete dreifache Umwandlung von chemischer in thermische, mechanische und anschließend elektrische Energie. Um eine Kilowattstunde elektrischer Energie mit einem herkömmlichen Generator zu erzeugen, muss der Verbrennungsmotor etwa zwei Kilowattstunden mechanische Energie liefern. Bei einem Wirkungsgrad des Ottomotors von einem Drittel sind also sechs Kilowattstunden chemischer Energie aus dem Kraftstoff erforderlich.

Bei der thermischen Rekuperation prognostizieren Forscher in etwa einem Jahrzehnt bereits Wirkungsgrade von knapp 20 Prozent. Das wäre in etwa vergleichbar mit einem bisherigen Generator.

In Ländern mit Tempolimit legal kaum zu realisieren

Da die Effizienz der Energieumwandlung im TEG von der Abgastemperatur abhängig ist, spielen die Motordrehzahl und das Fahrverhalten eine wichtige Rolle. So richtig in Schwung kommen die Halbleiterelemente ab 60 bis 70 km/h. Bei Tempo 125 soll der TEG in Zukunft etwa 600 Watt Leistung liefern. Das wäre in etwa der durchschnittliche elektrische Bedarf eines 5er BMW mit Ottomotor. Bei noch höheren Geschwindigkeiten rechnen die Forscher in einigen Jahren auch mit bis zu 1 000 Watt verwertbarer Leistung.

In der Praxis dürfte dieser Wert allerdings nicht erzielbar sein: In der Stadt reicht die Fahrgeschwindigkeit für ausreichend heißes Abgas nicht aus. Die Start-Stopp-Systeme schränken das Wärmeangebot zusätzlich ein. Unter Last und bei längeren Fahrten steht zwar genug heißes Abgas zur Verfügung. In diesen Phasen kann der TEG theoretisch sogar die gesamte Stromversorgung übernehmen, der konventionelle Generator bliebe abgeschaltet. Doch in Ländern mit Tempolimit – weltweit die meisten, und sogar in Deutschland wieder ein Thema – dürften schon Werte jenseits der 600 Watt legal kaum zu realisieren sein. Da ist es nur ein schwacher Trost, dass sich mit TEG laut BMW das eine oder andere Kilogramm Masse beim Generator (ganz verzichten auf ihn kann man nicht) oder Batterie einsparen lässt. Damit würden die etwa zehn Kilogramm Masse vermutlich bei weitem nicht kompensiert, die BMW für die ersten serienreifen TEG anstrebt.

Dass BMW dennoch bereit ist, ein System mit diesem Gewichts-, Bauraum- und Kostenmalus an Bord zu nehmen, zeigt zweierlei. Erstens: Der TEG hat unzweifelhaft Einsparpotenziale beim Kraftstoffverbrauch. Zweitens: Die deutschen Premiumanbieter müssen nach jedem Strohhalm greifen, um den für sie harschen CO2-Vorgaben Gramm für Gramm näher zu kommen. Auch wenn die Kosten pro eingespartem Gramm CO2 in eine grenzwertige Region vorstoßen.

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