3 kW Thermoelectric Generator for Natural Gas-Powered Heavy-Duty Vehicles – Holistic Development, Optimization and Validation

Emissions from heavy-duty vehicles need to be reduced to decrease their impact on the climate and to meet future regulatory requirements. The use of a cost-optimized thermoelectric genera-tor based on total cost of ownership is proposed for this vehicle class with natural gas engines. A holistic model environment is presented that includes all vehicle interactions. Simultaneous op-timization of the heat exchanger and thermoelectric modules is required to enable high system efficiency. A generator design combining high electrical power (peak power of about 3,000 W) with low negative effects was selected as a result. Numerical CFD and segmented high-temperature thermoelectric modules are used. For the first time, the possibility of an eco-nomical use of the system in the amortization period of less than << 2 years is available, with a fuel reduction in a conventional vehicle topology of already up to 2.8%. A significant improve-ment in technology maturity was achieved and the power density of the system was significant-ly improved to 298 W/kg and 568 W/dm3 compared to the state of the art. A functional model successfully validated the simulation results with an average deviation of less than 6%. An elec-trical output power of up to 2,700 W was measured

HD-TEG: Effizienzsteigerungspotential bei Nutzfahrzeugen durch den Einsatz eines neuartigen Abwärmenutzungssystems (Thermoelektrik)

In diesem Projekt wurde die Effizienzsteigerung von modernen schweren Nutzfahrzeugen durch den Einsatz eines neuartigen Abwärmenutzungssystems demonstriert. Dabei wurde erstmalig ein nutzfahrzeugspezifisches System basierend auf der Thermoelektrik mit Hilfe eines gesamtheitlichen Entwicklungsansatzes entwickelt und das Potential dieser Technologie für heutige und zukünftige Nutzfahrzeuge dargestellt. Als Referenzfahrzeug diente ein innovatives Serien-Nutzfahrzeug mit Erdgasmotor, welches als eine Schlüsseltechnologie für den zukünftigen emissionsärmeren Straßengüterverkehr im Nah- sowie im Fernbereich gilt. Projektschwerpunkte waren gleichermaßen die Effizienzsteigerung des thermoelektrischen Systems und des Fahrzeuges sowie die Kostensenkung des Systems durch Verwendung von seriennahen Aufbautechnologien und Fertigungsverfahren. Die Systemkosten von Abwärmenutzungssystemen im Nutzfahrzeug müssen sich anwendungsspezifisch in möglichst kurzer Nutzungszeit im Realbetrieb amortisieren. Dazu wurde eine Bauweise des TEG gewählt, die eine hohe Energieausbeute bei gleichzeitig geringem Gewicht verspricht und somit Vorteile sowohl unter Realfahrbedingungen als auch in relevanten Fahrzyklen bietet. Eine neuartige ganzheitliche Auslegungsmethode bietet das Potential, thermoelektrische Systeme in Zukunft deutlich effizienter auslegen zu können. Hierbei wurden neben der Systemauslegung erstmals auch alle Wechselwirkungen mit dem Nutzfahrzeug betrachtet und quantifiziert. Die Umsetzung dieser Ansätze wurden in mehreren Funktionsmustern dargestellt. Durch die enge Zusammenarbeit der Projektpartner, konnte das Wissen und die umfangreiche Erfahrung beider in das Projekt einfließen, um der Technologie im Nutzfahrzeug zum Durchbruch zu verhelfen. Als Ergebnis konnte erstmalig ein Abwärmenutzungssystem in Form eines Thermoelektrischen Generators für ein innovatives Erdgasnutzfahrzeug wirtschaftlich ausgelegt werden. Die berechnete Amortisation wurde zumeist in einer Zeit von kleiner als zwei Jahren, unter Annahme der Serienentwicklung des Systems, erzielt. Die Kraftstoffreduktion liegt bei bis zu 2,5 %, das entspricht rund 1 kg/100 km Kraftstoff. Zukünftiges Potential liegt bei weiteren 1,2 Prozentpunkten. Bei einer Hardwarerealisierung wurde am Funktionsmuster über 2,5 kW elektrische Leistung gemessen

Thermoelectric Generators with High Potential for Waste Heat Recovery in Heavy-Duty Vehicle Applications: Validation by a Functional Prototype with up to 2.7 kW

This research study demonstrates the engineering and measurement of a TEG prototype for heavyduty vehicles applications. The thermoelectric module area corresponds to approximately 1370 cm2 and consists of 144 segmented thermoelectric high-power modules based on bismuth telluride and skutterudite. The experimental setup enables the validation of the technology thermoelectric up to technology readiness level 5, which is rare in scientific publications on a 1:1 scale. The measured performance data of a functional prototype will be presented, as well as the electrical output power and compared with the simulated values. As a result, the simulative holistic design method of thermoelectric generators developed at the DLR Institute of Vehicle Concepts is successfully verified. In the measurement points performed, the accuracy of the simulated temperatures reaches in average more than 98%. The accuracy of the simulated output power is in average more than 94% and the minimum deviation is only -0.5%. The maximum electrical output power of 2,700 W could be measured at hot gas inlet temperature of 745 °C, mass flow of 0.25 kg/s, coolant inlet temperature of 20 °C and volume flow of 0.5 dm3/s. A significant improvement in the system level of thermoelectric generators for heavy-duty vehicles could be reached and the power density of the system could be increased to 174 W/kg and 326 W/dm3 compared to the state of the art based on the experimental measured values

Thermoelectric Generators for Heavy-Duty Vehicles as an Economical Waste Heat Recovery System

Fuel consumption and emissions from heavy-duty vehicles account for a large proportion of emissions of road transport and without further innovation, significant reductions are unlikely. Part of this problem is that about 2/3 of the chemical energy of the fuel is lost in the form of waste heat via the engine coolant and exhaust system. Thermoelectric generators offer a solution with low complexity and a competitive cost-benefit ratio. In this research study, a holistic modelling approach including all vehicle interactions is used for analysis and optimisation. Conventional heavy-duty commercial vehicles with diesel and innovative natural gas vehicles will be investigated. The holistic design with modern simulation methods allows the evaluation of the technology based on fuel and emission reduction and payback period for future commercial vehicles. The results of the system are highly dependent on the load point and the application profile of the vehicle. For the diesel heavy-duty vehicle, the fuel reduction is in a range of 0.5–1.5 % and the amortisation period varies between 1.4 and >10 years at maximum electrical output of the generator under different dynamic driving conditions in the range of 180–1900 W. For the natural gas vehicle, the fuel reduction is in the range of 1.8–2.6 % and the amortisation period is between 0.7–2.5 years with output powers in the range of 1950–3150 W. In addition, the power density of the systems was determined to be 241 W/dm3 in diesel and 568 W/dm3 in natural gas vehicles, which represents a significant increase compared to the state-of-the-art. The lowest cost-benefit ratio is achieved by 85 EUR/(g km) for the diesel and 32 EUR/(g km) for the natural gas heavy-duty vehicle. Thermoelectric waste heat recovery technology can be interesting for vehicle applications with gasoline, diesel, natural gas, hydrogen combustion engines and fuel cells, among others