Auf der Suche nach Spritspar-Ideen durchforsten Entwickler jede Nische. BMW nutzt Raumfahrttechnik, um thermoelektrische Generatoren ins Auto zu bringen – und erprobt neue Solarzellen.
Von Sebastian Viehmann
1972 brach Pioneer 10 auf eine schier endlose Mission in die Weiten der Galaxis auf. Die NASA-Sonde entfernte sich irgendwann so weit von der Sonne, dass ihr mit normalen Solarkollektoren der Saft ausgegangen wäre. Deshalb haben NASA-Sonden schon seit vier Jahrzehnten thermoelektrische Generatoren (TEG) an Bord. Die nutzen den so genannten «Seebeck-Effekt» aus: In thermoelektrischen Halbleiterelementen entsteht bei einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung. Die dafür nötige Wärmequelle in dem Ziegelstein-großen Block aus Halbleiter-Elementen ist ein radioaktives Zerfallselement - quasi ein radioaktiver Müsliriegel, mit dem die Sonde extrem lange ihren Energiebedarf decken kann.
Wärme aus dem Abgas
Von einer solchen Energiequelle kann der Verbrennungsmotor nur träumen. Wenn man drei Liter tankt, sind zwei davon eigentlich für die Katz: Zwei Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, werden als ungenutzte Wärmeenergie über den Abgasstrom und das Kühlsystem in die Umgebung geblasen. Diese Abwärme versuchen sich verschiedene Systeme zunutze zu machen. Ein Turbosteamer etwa nutzt die Abwärme, um Motorleistung und Drehmoment zu erhöhen. Die Wärme lässt sich aber auch direkt in elektrischen Strom umwandeln. Hier kommt die NASA ins Spiel, deren Know-how sich BMW ins Boot geholt hat.
Fünf Prozent Verbrauchssenkung
Durch Fortschritte in der Material- und Werkstoffforschung hat sich die Leistungsfähigkeit der TEG so erhöht, dass sie für den Automobilbau interessant werden. Eine Sitzheizung zum Beispiel nutzt im Prinzip die Umkehrung des Seeberg-Effekts (Peltier-Effekt), indem Strom durch einen Halbleiter geschickt und damit Wärme erzeugt wird. Doch die Stromerzeugung durch Wärme ist das eigentliche Plus, weil sie Spritersparnis verspricht. Die Rolle des Energiespenders übernimmt freilich kein radioaktiver Müsli-Riegel, sondern die Verlustwärme des Abgases. Damit die Abgaswerte nicht beeinflusst werden, sitzt der TEG hinter dem Katalysator. Die aktuelle Leistung des Systems beträgt laut BMW 200 Watt, die Ingenieure wollen sie auf 1000 Watt steigern. Das würde einen Verbrauchsvorteil von bis zu Prozent bedeuten.
Gute Ergänzungsstrategie
Der TEG wäre auch eine passende Ergänzung zur Bremsenergierückgewinnung, die Teil des EfficientDynamics-Paketes von BMW ist: Im Schubbetrieb und beim Bremsen wird Energie zurückgewonnen, der TEG ist beim Gasgeben gefordert. Er könnte, so die Entwickler, etwa ab 130 Km/h den Strombedarf eines 5er BMW decken. Der TEG könnte nicht nur die Batterie aufladen, sondern auch Getriebe oder Heizung mit zusätzlicher Wärme versorgen. Weil er leicht ist, aber relativ viel Bauraum braucht, eignet sich der TEG vor allem für große Fahrzeuge. Wie aus Unternehmenskreisen zu erfahren ist, könnte das System in etwa fünf Jahren serienreif sein und möglicherweise zuerst in einem Rolls Royce zum Einsatz kommen.
Solarzellen aufs Dach
Mit EfficientDynamics, das bei Vierzylinder-Modellen serienmäßig an Bord ist, hat BMW eine dicht vernetzte Fahrzeuginfrastruktur entwickelt, die auf Sparsamkeit getrimmt ist und sich an vielen Punkten erweitern lässt - sogar durch Solarzellen auf dem Dach. Die gab es bei BMW schon als Nachrüstlösung für den 3er. Die Münchner haben einen Quadratmeter Sonnenkollektor-Fläche in den X5 ActiveHybrid-Prototypen eingebaut. Beim Mini mit seinem flachen Dach könnte die Fläche fast doppelt so groß sein. Transparente Photovoltaik-Solarzellen lassen sich diskret in Schiebe- oder Glasdächer integrieren. Die Solaranlage wandelt Sonnenenergie in elektrische Energie um. Der Strom wird ins Bordnetz eingespeist und heizt das Motoröl auf. Er kann auch die Batterie aufladen (spart Generatorleistung), die Standlüftung versorgen (spart Klimatisierungsaufwand) oder den Antriebsstrang vorheizen (reduziert Reibung) - das Ergebnis ist immer ein geringerer Spritverbrauch.
1000 Watt pro Quadratmeter
Die tatsächliche Einsparung hängt unter anderem vom Wirkungsgrad der Solarzellen ab, der bei modernen Silizium-Zellen bis zu 20 Prozent beträgt. Es kann also ein Fünftel der eingebrachten Energie in Strom umgewandelt werden. Bei einer Strahlungsenergie von 1000 Watt pro Quadratmeter - der Optimalwert für mitteleuropäische Verhältnisse - ist eine elektrische Leistung von bis zu 200 Watt drin. BMW legt bei einem Rechenexempel eine Einstrahlung von 500 Watt pro Quadratmeter, einen Wirkungsgrad von 15 Prozent und eine Solarfläche von einem Quadratmeter zugrunde. Je nachdem, zu welcher Tageszeit der Motor gestartet wird, sei eine Kraftstoffersparnis von bis zu Prozent möglich.
Weniger tanken
«Wir gehen von einem attraktiven Grenzpotenzial von 0,1 bis 0,3 Liter Kraftstoffersparnis pro Tag, also 40 bis 100 Liter jährlich, aus. Im Klartext heißt das: Ein bis zweimal weniger tanken pro Jahr», erklärt Franz Storkenmaier aus der Entwicklungsabteilung Wärmemanagement. Ob das Solar-System in Serie geht und was es kosten würde, ist noch nicht bekannt.