Abgaswärme-Rückgewinnung, Schema, Rankine-System Zoom

Profiwissen Energieeffizienz: Mit Abgaswärme-Rückgewinnung Diesel sparen

Rund 30 Prozent der im Diesel enthaltenen Energie gibt der Lkw-Motor ungenutzt über das Abgas an die Umgebung ab. Mit einem Rückgewinnungssystem lässt sich ein Teil davon in Antriebskraft umwandeln.

Die Möglichkeiten beim Dieselmotor weiter Kraftstoff einzusparen, sind längst noch nicht ausgeschöpft. Vom Verbessern, Weiterentwickeln und Optimieren klassischer Antriebe erwartet die Nutzfahrzeugindustrie ein Kraftstoff- Sparpotenzial von bis zu 25 Prozent noch in diesem Jahrzehnt. Neben der Elektrifizierung und dem bedarfsgerechten Einsatz von Nebenaggregaten, aerodynamischen Maßnahmen und neuen Werkstoffen könnte dabei auch das Umwandeln der im Abgas enthaltenen Restenergie eine aussichtsreiche Rolle spielen.

Zur Zeit verpufft noch ein erklecklicher Teil der im Diesel enthaltenen Energie ungenutzt in die Umgebung. Aktuelle Verbrennungsaggregate nutzen nur rund 40 Prozent der Energie im Kraftstoff und wandeln sie in mechanische Energie um. Gleichzeitig verputzt der Dieselmotor etwa 30 Prozent in Form von Wärme über das Abgas.

Laut dem Stuttgarter Kühlspezialisten Behr gehen davon rund 18 Prozent direkt über das Abgas und rund 12 Prozent indirekt über die gekühlte Abgasrückführung in die Binsen. Den verbleibenden Rest strahlen größtenteils die Kühlkomponenten als Wärme ab. Soll der Verbrauch von Nutzfahrzeugen reduziert werden, liegt also die Idee nahe, den Abgasstrom als Energiequelle anzuzapfen.

Clausius-Rankine-Kreisprozess wiederentdeckt

Um die im Abgas enthaltene Wärme in mechanische Arbeit, sprich Vortrieb, umzumünzen, haben die Motorenentwickler den sogenannten Clausius-Rankine-Kreisprozess wiederentdeckt. Bei dem Verfahren handelt es sich um einen im vorletzten Jahrhundert entdeckten thermodynamischen Dampfkraftprozess, benannt nach dem deutschen Physiker Rudolf Julius Emanuel Clausius und dem schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine. Der Prozess basiert auf einem Medium in flüssigem Zustand, das erst komprimiert und unter Nutzung einer Wärmequelle erwärmt wird. Anschließend verdampft das Medium, überhitzt und entspannt sich dann in einer Expansionsmaschine. Dabei lässt sich mechanische Arbeit abgreifen.

Das von der Kraftwerktechnik bekannte Verfahren bietet sich insbesondere dann an, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu Energiereserven Abgaswärme-Rückgewinnung: Rund 30 Prozent der im Diesel enthaltenen Energie gibt der Lkw-Motor ungenutzt über das Abgas an die Umgebung ab. Mit einem Rückgewinnungssystem lässt sich ein Teil davon in Antriebskraft umwandeln. Grafiken: Behr niedrig für eine von Wasserdampf angetriebene Turbine ist. Das ist auch bei der Wärmenutzung im Abgas der Fall. Bei einem gängigen Lkw-Diesel mit Abgasrückführung betragen die Abgastemperaturen etwa 600 Grad Celsius vor dem Turbolader. Danach sind es rund 450 Grad. Dieses Energie- Potenzial nutzt der Rankine-Prozess.

Mehr Wärme bedeutet mehr Leistung

Soll aus dem Abgas eine zusätzliche Leistung in vernünftigem Umfang gewonnen werden, gilt es, eine größtmögliche Wärmemenge zu übertragen. Aufgabe der Motorenentwickler ist es daher, das System derart in den Verbrennungsmotor zu integrieren, dass der Dampfprozess mit dem Motor-Kühlkreislauf zu kühlen ist. Beim Übertragen der maximalen Wärmemenge steht das Rankine-System allerdings im Wettbewerb zu Motor-, AGR- und Ladeluftkühlung. Das wirkt sich wiederum über die Saugrohrtemperatur auf die Verbrennung des Motors und die nötige Lüfterleistung aus. Aber auch der erforderliche Bauraum und das Gewicht des Systems begrenzen seinen Einsatz.

Eine wichtige Rolle für die Leistung eines Rankine-Systems spielen die Temperatur der Wärmequelle, die Wärmesenke sowie das Druckverhältnis am Expander. Motorentwickler und Zulieferer experimentieren dabei mit unterschiedlichen Auslegungen des Rankine-Systems. Als Wärmequelle bieten sich das Hauptabgas nach Turbolader und Nachbehandlung mit Temperaturen zwischen 250 und 380 Grad an, also der volle Abgasstrom einerseits und andererseits das rückgeführte Abgas mit höheren Temperaturen zwischen 350 und 600 Grad Celsius.

Kühlkreislauf als Wärmesenke

Als Wärmesenke kommen der Haupt-Kühlkreislauf oder ein Niedertemperaturkreislauf in Frage. Die größte Verbrauchsreduzierung erwartet Behr derzeit von einer Konfiguration, die beide Abgasströme nutzt, also einer Kombination aus Haupt- und rückgeführtem Abgas in Zusammenspiel mit dem Haupt-Kühlkreislauf. Ein mit Rankine-System ausgerüstetes Nutzfahrzeug soll dann bis zu fünf Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen.

Die Integration eines solchen Systems zur Nutzung der Abgaswärme in Nutzfahrzeugen erfordert dennoch jede Menge Entwicklungsarbeit. Laut Behr geht es nicht ohne völlig neue Komponenten wie veränderte Wärmeübertrager, Abgasverdampfer und dem notwendigen Kondensator.Hinzu kommt ein neuer AGR-Verdampfer, der den AGRKühler ersetzt. Dabei müssen die neuen Verdampfer allerdings auch in serienmäßige Abgasschalldämpfer passen – und das bei deutlich höheren Temperatur- und Druckverhältnissen. Standfestigkeit, Dauerhaltbarkeit und Standardisierung sind ebenso noch zu klären.

Noch unbeantwortet ist aber vor allem die Frage des effektivsten Arbeitsmediums. Neben Wasser stehen verschiedene Alkohole wie Ethanol, Ammoniak oder andere organische Flüssigkeiten zur Debatte. Im kommenden Jahr soll es erste Demonstrationsfahrzeuge mit Abgaswärme-Rückgewinnung geben. Bis zur Serienreife werden aber sicher noch vier bis fünf Jahre vergehen.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Behr

Datum

9. Mai 2011
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