Thermoelektrische Generatoren

Durch den Einsatz von Vorwärmanlagen in Dieselloks läuft der Dieselmotor nicht mehr, wie bisher, während der gesamten Standzeit der Lokomotive im Leerlauf (Bild 1). So  werden pro Lokomotive und Jahr, je nach Größe und Betriebsart der Lokomotive, in etwa 20.000 bis 80.000 Liter Diesel eingespart. Die Vorwärmanlage selbst bezieht die notwendige elektrische Hilfsenergie für den Brenner, die Pumpen und die Steuerung aus der Batterie, die entweder über den vorhandenen Bordlader, oder durch das gelegentliche automatische Anlassen des Motors, nachgeladen werden muss. Doch genau dieses Nachladen führt, bei zunehmender Flexibilisierung der Einsätze, zur Suche nach einer ortsfesten Steckdose für den Bordlader, oder eben zum Einbau einer automatischen Start-Stop-Einrichtung für das ladebedingte Hochfahren der großen Antriebsmaschine. Dies hat all die damit verbundenen negativen Eigenschaften, insbesondere auch den Verbrauch und Lärm. Eine Alternative ist der Einbau eines zusätzlichen kleinen Notstromaggregates. Diese Aggregate haben aber nicht die notwendige Langlebigkeit, sind nicht wartungsfrei und erzeugen ebenfalls entsprechenden Betriebslärm und anderes mehr.

Zukunftsalternative Diesel-Brennstoffzelle und Alternative

Die Entwickler der A.S.T. beschäftigen sich schon seit mehr als 25 Jahren mit der Vorwärmung von Großdieselmotoren. Der immer größer werdende Anteil an Elektronik und Sensorik, die auch im Stand betrieben werden muss, führt mehr und mehr dazu, dass Diesellokomotiven, wenn sie länger abgestellt sind, über den Bordlader angeschlossen werden müssen, oder ständig ein- und ausschalten. Eine Zukunftsalternative wäre hier eine Diesel-Brennstoffzelle.

Matthias Boeck, Geschäftsführer der A.S.T. hat durch die bei der A.S.T.-Tochter EBZ in Dresden laufende Systementwicklung der SOFC-Brennstoffzelle jedoch ausreichend Erfahrung um zu wissen, dass es weltweit noch einige Jahre dauern wird, bis die Brennstoffzelle derartigen Anforderungen, als leise und zuverlässige Stromversorgungseinheit, standhalten wird. Bei der Suche nach verfügbaren alternativen Technologien hat er deshalb in der A.S.T.-Gruppe den Einsatz von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) für derartige Zwecke nahezu bis zur Serienreife weiterentwickelt.

Thermoelektrischen Generatoren sind die aktuelle Lösung

Bei TEGs handelt es sich um hintereinandergeschaltete Festkörpermodule, die ohne bewegliche Teile den Wärmefluss beziehungsweise damit auch die Abwärme in elektrische  Energie umsetzen können (Bild 2). Damit kann auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Brennraum und dem Wasserkessel einer Vorwärmanlage direkt mit hohem Wirkungsgrad in elektrischen Strom umgesetzt werden. Die Verlustwärme aus der mit etwa 2 bis 3 % erfolgenden Umsetzung ist nicht verloren, weil das System ja sowieso nur dazu da ist, das Wasser zu erwärmen.

Hochleistungs-TEGs sind bisher überwiegend in der Raumfahrt und im militärischen Bereich eingesetzt worden. Mit Verbesserung der thermoelektrischen Materialien, hin zu größeren Einsatztemperaturen und höherem Wirkungsgrad, wurden in den letzten Jahren auch diverse Versuche zur direkten Abwärmenutzung von Abgasen und so weiter und der Einsatz für andere mögliche Anwendungen angestoßen. Anders als bei der Nutzung der TEG-Technologie in Kraftfahrzeugen, wo die Auspuffabwärme des Verbrennungsmotors genutzt wird und damit Temperaturunterschiede von etwa 100 bis 300 Grad realisierbar sind, entstehen beim Einsatz in einem Heizkessel Temperaturunterschiede von mehreren 100 Grad, welche aber insbesondere auf die Zyklusfestigkeit und die Lebensdauer eingehen (Bild 3).

TEG im System integriert

Der Aufbau einer entsprechenden Systemtechnik (Bild 4) im Hause A.S.T., welche auch vom Freistaat Bayern mit gefördert wurde, hat sich jedoch gelohnt. Bereits heute kann die  A.S.T. Heizkesselsysteme aufbauen, die eine elektrische Leistungen bis 2 kW liefern können und damit weit mehr Energie erzeugen, als für den Eigenbetrieb einer entsprechenden Heizung notwendig ist.

Integriert in einen Versuchskessel von etwa 50 kW liefern die TEG-Module bei der A.S.T. derzeit bei einer Spannung von etwa 80 bis 140 VDC rund 2 bis 3 %  der eingesetzten Primärenergie als elektrischen Strom (Bild 5). Der dabei erzeugte Gleichstrom wird in einem nachgeschalteten und ladekennliniengeführten DC/DC- Wandler zur Batterieladung umgesetzt und kann bei Bedarf auch in eine entsprechende Wechselspannung umgerichtet werden.

Weitere Systeme mit höherem Wirkungsgrad und entsprechend kleinerer Bauform sind in der Entwicklung. Matthias Boeck glaubt, dass er an die 20 % Wirkungsgradhürde im Alltagsbetrieb noch lange nicht heran kommen wird. Auch die derzeit in den verschiedenen Laboren weltweit laufenden Versuche bestätigen dies. Eine Ausbeute von bis zu 6 % der Primärenergie, also etwa bis 3 kW elektrische Leistung bei einer 50 kW Anlage sind jedoch schon bald möglich. Mit der entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik sind heute bereits mehrere tausend Zyklen und ein uneingeschränkter mehrjähriger Betrieb möglich, ohne dass sich die Systemparameter wesentlich ändern.

Feldtests bestätigen Einsatzreife

Die A.S.T. wird deshalb bereits in den nächsten Monaten die ersten Feldtestsysteme einbauen und zusammen mit ihren weltweiten Kunden testen. Alle diese Anlagen sind dabei heute mit entsprechenden eigenen GPRS-Datenerfassungssystemen ausgerüstet und senden während des Betriebes automatisch eine Vielzahl von Datenpaketen aus ihren weltweiten Einsatzorten. Diese werden über das GSM-Netz und das Internet zu den dafür aufgebauten Servern bei A.S.T. geleitet. Von dort aus werden die Betriebsdaten dann zusammengefasst, ausgewertet und für alle Benutzer dargestellt. Werden dabei vorgegebene Grenzwerte überschritten, können die Meldungen auch aktiv, beispielsweise per SMS an die Benutzer gesendet werden. So wird quasi ein bidirektionaler Onlinezugriff realisiert, mit dem die Testdaten und das Betriebsverhalten bewertet werden können.

(sb)