ThermoMarE - Fortschrittliche Thermoelemente-Technologie für hybride maritime Heizsysteme unter Einbeziehung elektrischer Batterietechnik; TP 3: DLR: Modulcharakterisierung und Moduloptimierung für den Hochtemperatureinsatz

Abstract

Das ThermoMarE-Projekt entwickelte ein autarkes Heizsystem für maritime Anwendungen wie Arbeits-, Lotsen- oder Offshore-Schiffe bis 20m Länge, das mithilfe thermoelektrischer Generatoren (TEG) aus Halb-Heusler-Legierungen elektrische Energie aus der Abwärme gewinnt und so die Abhängigkeit des Heizsystems von Batterien und Landstrom reduziert. Ziel war es, mit etwa 10kW Heizleistung mindestens 100W elektrische Leistung zu erzeugen, die direkt genutzt oder gespeichert werden kann. Basis war das Heizsystem MARELA® des Partners Scheer, das mit TEG-Modulen des Partners Isabellenhütte ausgestattet wurde. Nach Analyse möglicher Integrationsorte - insbesondere heißer Klöpperboden und Mantelfläche des Wärmetauschers - wurde der Klöpperboden aufgrund hoher Wärmeflussdichte und Temperaturen als optimal identifiziert. Ein mit Thermoelementen, Prandtl-Staurohr und TEG-dummies ausgestattetes Heizsystem lieferte Temperatur- und Gasgeschwindigkeitsdaten, die durchgeführte CFD-Simulationen des Heizsystems bestätigten. Die Gesamtwärmeübertragung lag bei rund 13,9kW, davon etwa 2,4kW über den Klöpperboden. Am DLR wurden Kontaktwiderstände einzelner thermoelektrischer Schenkel sowie die Eigenschaften der TEG-Module auf Halb-Heusler Basis untersucht. TEG-Dummies aus Inconel 600 testeten vorab die thermischen Bedingungen, und ein zweischaliger Klöpperboden wurde konstruiert, der sechs TEG-Module aufnehmen kann. Durch Oberflächenstrukturierung des Klöpperbodens wurde der konvektive Wärmetransport optimiert. Messungen und Simulationen zeigten, dass mit einer TEG-Gesamtleistung von bis zu 125W gerechnet werden kann. Die Ergebnisse bestätigen, dass der TEG unter den gegebenen Bedingungen geeignet ist, das Heizsystem autark mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Entwicklungen bilden die Grundlage für die weitere Demonstration autarker maritimer Heizsysteme und bieten das Potenzial, den Energiebedarf in Schiffen zu senken und die Umweltfreundlichkeit zu erhöhen.