Thermoelektrische Generatoren (TEG) könnten einen großen Beitrag zur umweltschonenden Mobilität leisten. Damit ließen sich nämlich drei bis fünf Prozent des weltweiten jährlichen Treibstoffverbrauchs im Verkehrssektor einsparen – das entspricht mindestens 13 Millionen Tanklastern pro Jahr. Dieses Potenzial zu verwirklichen, ist der Antrieb von Martin Kober. Beim DLR, wo rund 8.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wegweisende Forschung für Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit betreiben, entwickelt der 34-Jährige innovative Fahrzeugkonzepte für das Auto von morgen. Sein Ausgangspunkt: Verbrennungsmotoren setzen nur etwa ein Drittel der Energie in mechanischen Antrieb um. Die übrigen zwei Drittel entweichen als Abwärme. "Mein Ziel ist, diese Wärmeenergie mit dem thermoelektrischen Generator nutzbar zu machen", erklärt Martin Kober. Das Bauteil wandelt Abwärme in elektrische Energie um. Der gewonnene Strom wird ins Bordnetz eingespeist und entlastet den elektrischen Generator.

Vom Karosseriebau zum Automobil von morgen

An seine handwerkliche Lehre im Karosseriemodellbau hat Martin Kober ein Studium der Fahrzeugtechnik an der Hochschule Esslingen angeschlossen. Im Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart leitet er das fünfköpfige Team Sekundärenergieerzeugung. Neben der wertschätzenden Arbeitsatmosphäre und der hervorragenden technischen Infrastruktur schätzt er die guten Entwicklungschancen im DLR. Es gibt ein breites Angebot für die persönliche und fachliche Weiterentwicklung; Promovierende können sich zudem mit dem DLR_Graduate_Program gezielt qualifizieren. Martin Kober hat sich innerhalb weniger Jahre zum Experten auf verschiedenen Gebieten entwickelt, denn beim DLR wird weniger arbeitsteilig geforscht als etwa in der Industrie. Der Ingenieur begleitet jedes Projekt von der ersten Idee über die Konzeptfindung bis zum Prüfstand. Dabei ist er unter anderem für Konzeptionierung, Strömungssimulation, Konstruktion und Aufbau von Funktionsmustern zuständig. Als Teamleiter übernimmt er auch die enge Abstimmung zwischen Komponenten- und Systementwicklung, die für aussagekräftige Ergebnisse nötig ist. Die thermoelektrischen Module für den Generator bezieht er von kooperierenden Industriepartnern oder vom DLR-Institut für Werkstoffforschung in Köln.

Foto: J. Eberl

Kostengünstige Bauweise als Voraussetzung

Die Funktionsweise des TEG ist schnell beschrieben: Martin Kober nutzt Abwärme, um eine Temperaturdifferenz an den Halbleitermodulen zu erzeugen. Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz, aus der wiederum Strom gewonnen wird. Im Prinzip funktioniert der Generator ähnlich wie eine 12-Volt-Kühlbox, die beim Picknick nicht fehlen darf. Zwei Kühlelemente erzeugen darin eine Temperaturdifferenz, die für erfrischende Getränke sorgt. Tatsächlich ist diese Technologie bereits sehr gut erforscht – bis zu einer Temperatur von 250 Grad Celsius. Die Abwärme im Auto hat aber rund 700 Grad. Martin Kober und seine Arbeitsgruppe entwickeln Komponenten, die in diesem Temperaturbereich ihre maximale Wirkung entfalten. Damit betreten sie Neuland. Sie wollen zudem die Energieausbeute maximieren und gleichzeitig die späteren Produktionskosten minimieren. "Ich möchte mit meiner holistischen – ganzheitlichen – Auslegungsmethode nachweisen, dass ein attraktives Kosten-Nutzen-Verhältnis möglich ist", sagt der Ingenieur. "Nur dann ist eine serienmäßige Umsetzung im PKW denkbar." Die innovative Technologie könnte langfristig auch in anderen Einsatzfeldern wie zum Beispiel Blockheizkraftwerken genutzt werden.

Fortschritt auf dem Prüfstand

Mit Simulationsmodellen für TEG-Gesamtsysteme berechnet Martin Kober die einzelnen Komponenten und die gesamtsystemischen Einflüsse auf das Fahrzeug. Für umfassende Experimente verfügt das Institut über drei Prüfstände: Mit dem propangasbetriebenen Heißgaserzeuger können die Wissenschaftler den Abgasmassenstrom und das Abgasverhalten nachbilden. Die anderen Versuchsanlagen bilden das Fahrzeug-Kühlsystem und das elektronische Bordnetz nach. Der TEG, der etwa so groß wie ein Katalysator und rund sieben Kilogramm schwer ist, wird in die Versuchsanlage eingebaut und getestet. Die Ergebnisse nutzt das Team, um die Simulation zu validieren und darauf aufbauend die Auslegung weiter zu verbessern. Nach fünf Jahren intensiver Forschung und Entwicklung sind die Erfolge beeindruckend: Bei der Auslegung eines TEG für ein Hybridfahrzeug lag die gravimetrische Leistungsdichte in der Spitze bei 120 W/kg (Watt pro Kilogramm). Das ist der weltweit höchste Wert für fahrzeuggerechte thermoelektrische Generatoren. Für Martin Kober zählt aber noch etwas anderes: Er konnte durch diese Studie seine Vorgehensweise bestätigen und das Potenzial der Technologie aufzeigen. Es könnte der Beginn einer neuen Zeitrechnung in der Entwicklung von Abwärmenutzungssystemen sein.

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