Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Metall- und Maschinenbauunternehmen müssen im Durchschnitt pro Jahr ca. zwei Prozent ihres Umsatzes für Strom und Erdgas ausgeben und die Unternehmer gehen von weiteren Preissteigerungen aus. Damit rückt das Thema Energieeinsparung stärker denn je in den Fokus und wird zu einem strategischen Faktor. Um Kosten zu sparen und Wettbewerbsvorteile zu sichern, ist es notwendig, zielgenaue Energieeinsparmaßnahmen einzuleiten. Die ersten Maßnahmen, welche die meisten Maschinenbauunternehmen umsetzen, sind die Erneuerung der Beleuchtungs-, Heizungs- und Lüftungsanlage, die Verbesserung der Drucklufterzeugung sowie die thematische Sensibilisierung der Mitarbeiter. Aber auch in Maschinen mit ihren dazugehörigen elektrischen Antrieben, Lüftern und Aggregaten verbirgt sich eine große Menge an Optimierungspotenzial. Allerdings ist es hier notwendig nicht die Verbraucher im Einzelnen, sondern die Maschine und deren Prozesse im Ganzen zu betrachten. Meist fehlen hierfür aber geeignete Schnittstellen, um die Messwerte von Sensoren (bspw. Temperatur-, Drucksensoren, etc.) und Antrieben auslesen zu können, was dazu führt, dass diese Potenziale nicht ausgeschöpft werden.

The average metal and mechanical engineering company must spend around two per cent of its annual turnover on electricity and natural gas, and companies are expecting further price increases. As a result, the issue of energy saving is becoming more of a strategic factor than ever before. In order to save costs and ensure competitive advantages, it is necessary to introduce precise energy-saving measures. The first steps taken by most mechanical engineering companies are to replace lighting, heating, and ventilation systems, improve compressed air generation and raise employee awareness. However, there is also a great potential for optimization in machines with their individual electrical drives, fans, and units. In this case, though, it is necessary to look at the machine and its processes as a whole rather than the individual electrical energy consumers. In most cases, however, there is a lack of suitable interfaces for analyzing the measured values from sensors (e.g. temperature, pressure sensors, etc.) and drives, which concludes that this potential is not fully exploited.