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Thermoelektrische Abwärmenutzung am Flugtriebwerk

Im 2017 abgeschlossenen TERA-Projekt wurde untersucht, welches Kraftstoffeinsparpotenzial die Umwandlung von Triebwerksabwärme in elektrische Energie bietet. Zu diesem Zweck wurden thermoelektrische Generatoren (TEG) betrachtet, die – ohne bewegliche Teile oder Arbeitsfluide zu benötigen – über Temperaturdifferenzen Wärme in elektrischen Strom umwandeln. Die Entlastung der mechanischen Generatoren kann somit das Triebwerk effizienter machen und dem steigenden Elektrizitätsbedarf im Flugzeug entgegenkommen. Da die Umwandlung von Abwärme ein nachgeschalteter Prozess ist, lässt er sich prinzipiell auf alle Wärmekraftmaschinen, wie Flugantriebssysteme es sind, anwenden.

Für eine Auswertung wurde im Projekt ein Referenzflugzeug definiert und der Einfluss auf den Missionskraftstoffbedarf ermittelt. Am konkret betrachteten Einsatzort an der Düse wurde zwar ein positives, aber relativ geringes Potenzial im Bereich von 1 ‰ ermittelt (typische TEG-Leistung <<10 kW, siehe Abbildung rechts oben). Die zur Verfügung stehenden Flächen, das Zusatzgewicht und die lokalen Temperaturverhältnisse haben einen begrenzenden Einfluss, sodass hier noch wesentliche Optimierungspotenziale zu finden sind. Eine Möglichkeit, die sowohl bessere Temperaturbedingungen als auch höhere Leistungsdichten verspricht, ist die Berücksichtigung von im Vergleich zur Düse heißeren Bereichen im Triebwerk (siehe Abbildung rechts unten). Aus diesen und anderen Einsichten wurden Handlungsempfehlungen für notwendige Schritte in der Technologieentwicklung abgeleitet, die im Projektbericht in Form einer F&E-Roadmap festgehalten worden sind.

Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20E1303 gefördert.

  • Einsparpotenzial auf Missionsebene: Die benötigte Leistungsdichte liegt unter 200 W kg-1, während TEG-Module bis zu 500 W kg-1 erreichen. Ein theoretisches TEG mit 10 kW Ausgangsleistung pro Triebwerk würde ca. 1 ‰ einsparen.Einsparpotenzial auf Missionsebene: Die benötigte Leistungsdichte liegt unter 200 W kg-1, während TEG-Module bis zu 500 W kg-1 erreichen. Ein theoretisches TEG mit 10 kW Ausgangsleistung pro Triebwerk würde ca. 1 ‰ einsparen.
  • Potenzial für thermoelektrische Abwärmenutzung auf Triebwerksebene: Für definierte Abschnitte im Triebwerk wurde die erreichbare Leistung anhand von Strömungssimulationen ermittelt (H/LPT: High-/Low-Pressure Turbine). An der Düse wurde eine nutzbare Fläche von 2,4 m² angenommen.Potenzial für thermoelektrische Abwärmenutzung auf Triebwerksebene: Für definierte Abschnitte im Triebwerk wurde die erreichbare Leistung anhand von Strömungssimulationen ermittelt (H/LPT: High-/Low-Pressure Turbine). An der Düse wurde eine nutzbare Fläche von 2,4 m² angenommen.