Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Funktionalisierte Faser-Kunststoffverbunde auf 3D-Gewebebasis zur Energierekuperation aus Abwärme und Vibration

Getrieben durch immer strengere Restriktionen zur CO2-Emission und das zunehmende Umweltbewusstsein der Verbraucher werden die Fahrzeughersteller gezwungen immer effizientere Antriebstechnologien zu entwickeln. Da im Bereich des Verbrennungsmotors kaum mehr Einsparpotential besteht, werden Effizienzsteigerungen heutzutage vornehmlich am Gesamtfahrzeug erzielt. Dies geschieht beispielsweise durch Gewichtseinsparung und Energierekuperation. Der in diesem Vorhaben verfolgte Forschungsansatz soll es ermöglichen, diese beiden Methoden miteinander zu kombinieren. Die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl durch wesentlich leichtere Bauteile aus Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) soll das Gesamtgewicht verringern. Gleichzeitig soll die textile Verstärkungsstruktur dabei aus Vibrationen und Ab- bzw. Verlustwärme Energie gewinnen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wird eine textile Verstärkungsstruktur für FVK entwickelt, die basierend auf dem Piezoeffekt aus Schwingungen elektrische Energie erzeugt und eine Verstärkungsstruktur, die basierend auf dem pyroelektrischen Effekt elektrische Energie aus Abwärme erzeugt. Da PVDF sowohl piezo- als auch pyroelektrische Eigenschaften besitzt und als Garn erhältlich ist, sollen für beide Prinzipien „textile Generatoren“ auf Mehrlagengewebebasis entwickelt werden.

Diese Technologie soll sowohl bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren als auch bei zukunftsweisenden Elektroantrieben eingesetzt werden können. Vibration entsteht am Fahrzeug durch bewegte Teile und Reibung, Abwärme entsteht bei Elektrofahrzeugen bspw. An der Batterie bzw. bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch die Verbrennung.

Für KMU der Faserverbundherstellung werden durch Funktionalisierung Ihrer Produkte diese früher rentabel. Zudem entstehen für KMU der Textil- und Elektronikhersteller neue Geschäftsfelder und Märkte.

Ergebniszusammenfassung:

Die Substitution schwerer Metallbauteile durch mehrlagengewebeverstärkte Kunststoffbauteile spart am Fahrzeug Gewicht ein. Damit sich diese Substitution auch finanziell früher amortisiert, sollen diese Bauteile funktionalisiert werden. Das bedeutet, dass die Bauteile eine Zusatzfunktion erhalten: Sie erzeugen elektrische Energie. Die am Bauteil durch Erschütterung bzw. Abwärme erzeugte elektrische Energie wird lokalen elektrischen Verbrauchern, wie z. B. der Vielzahl von Sensoren, die im ganzen Fahrzeug verteilt sind, zur Verfügung stehen. Viele Sensortypen benötigen nur wenige Mikrowatt um ein Messsignal zu erzeugen.

Hinzu kommt, dass der Ansatz des Internet of Things (IoT), also des dezentralen Erfassens, Speicherns und Austauschens von Daten, das Fahrzeug so nicht schwerer, sondern leichter macht, weil bisher benötigte Energie- und Signalleiter nicht mehr gebraucht werden.

Ungenutzte Energie ist fast am gesamten Fahrzeug vorhanden: Entweder durch bewegte Teile, Reibung oder die Fortbewegung erzeugte Schwingungen oder Abwärme, ebenfalls hervorgerufen durch Reibung, die Verbrennung im Motor, die Entladung der Batterie oder schlicht durch Sonneneinstrahlung.

Gleichzeitig setzen sich Mehrlagengewebe als Verstärkungsstruktur von FVK u. a. wegen ihrer mechanischen Eigenschaften immer mehr durch.

Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher mehrlagengewebebasierte Textilstrukturen entwickelt, die neben ihrer Verstärkungsfunktion Verlustenergie wie Abwärme und Vibration in nutzbare elektrische Energie umwandeln und lokal elektrischen Verbrauchern wie Sensoren zur Verfügung stellen.

Mögliche Einsatzfelder dieser Technologie zur dezentralen Energieversorgung sind z.B. Temperatursensoren im Motorraum und am Abgasstrang bzw. im Gehäuse der Fahrzeugbatterie oder in Leichtbaufelgen integrierte Reifendrucksensoren. Sensoren, die den Zustand von FVK-Bauteilen kontinuierlich überwachen, können mit dieser Technologie ebenfalls mit Energie versorgt werden.