THERMISCHE SPEICHER ZUR REICHWEITEN- VERLÄNGERUNG VON ELEKTROFAHRZEUGEN

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1 THERMISCHE SPEICHER ZUR REICHWEITEN- VERLÄNGERUNG VON ELEKTROFAHRZEUGEN PROF. DR.-ING. STEFAN RUSCHE HOCHSCHULE RHEINMAIN INSTITUT FÜR NACHHALTIGE MOBILITÄT UND ENERGIE (INME) AM BRÜCKWEG RÜSSELSHEIM 1

2 INHALT 1 Die Problematik 2 Die Wärmepumpe 3 Das Konzept mit Wärmepumpe und PCM 4 Erste Resultate 5 Schlussfolgerungen, weiteres Vorgehen 2

3 1 DIE PROBLEMATIK 3

4 EIN PROBLEM Quelle: ADAC, Nov

5 PROBLEMERWEITERUNG [Bildquelle: Geringer, B: Tober, W.: Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis. Studie des Österreichischen Vereins für Kraftfahrzeugtechnik, OEKV, Wien 2012] 5

6 DASSELBE PROBLEM [Bildquelle: Geringer, B: Tober, W.: Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis. Studie des Österreichischen Vereins für Kraftfahrzeugtechnik, OEKV, Wien 2012] 6

7 NOCH EIN PROBLEM Quelle: FAZ

8 ZUSAMMENFASSUNG DER PROBLEMATIK Die Reichweite von Elektrofahrzeugen ist gering Bei Elektromotoren gibt es keine Abwärme, die zum Heizen genutzt werden kann Zahlreiche Komfortmerkmale moderner Fahrzeuge benötigen elektrische Energie (Sitzheizung, Klimaanlage, Entertainment-Systeme, etc.) Li-Ionen-Akkus benötigen ein eigenes (elektrisches!) Thermomanagement (aktuell kein Standard!!!) Die Größe der elektrischen Speicher ist wesentlich für den Preis des Elektrofahrzeugs 8

9 2 DIE WÄRMEPUMPE 9

10 ERSTE TEILLÖSUNG: WÄRMEPUMPE Quelle: Mahle Behr GmbH & Co KG, Schlussbericht des Forschungsprojekts GaTE,

11 DIE WÄRMEPUMPE BZW. DIE KÄLTEANLAGE Quelle: Vorlesungsskriptum ETH Zürich 11

12 EFFIZIENZ EINER WÄRMEPUMPE = = =.. 12

13 IST DAS DIE LÖSUNG??? Aktuell ist die Wärmepumpe nur in wenigen E-Fahrzeugen lieferbar Wenn, dann häufig optional mit Aufpreis (975 Euro für den VW e-golf, 660 Euro für den BMW i3 ( Zeit vom 1. März 2017)) Akzeptiert der Kunde einen Aufpreis von ca für eine Reichweitenverlängerung von 50 km??? 13

14 3 DAS KONZEPT MIT WÄRMEPUMPE UND PCM 14

15 ERWEITERUNG DER LÖSUNG: THERMISCHE SPEICHER Wärmepumpen können eine (Teil-)Lösung darstellen Die Lösung kommt an ihre Grenzen, wenn extreme Wetterbedingungen herrschen Das Thermomanagement von Leistungselektronik und Akkumulator wird allein mit einer Wärmepumpenintegration immer noch nicht angegangen Die Erweiterung der Wärmepumpe um die Funktionalität von Speichern erhöht die Reichweite und die Einsatzmöglichkeiten 15

16 ANLAGENSCHEMA EINES VERSUCHSAUFBAUS BEI DER HS RHEINMAIN R134a Wasser 2. BVMW - Automotive Forum, Wächtersbach,

17 PHASENWECHSELSPEICHER Um Baugröße der Speicher zu sparen, werden Materialien eingesetzt, bei denen möglichst viel Wärme bei konstanter Temperatur gespeichert werden kann. Bildquelle: M. Sternerund I. Stadler, Energiespeicher Bedarf, Technologien, Integration. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg,

18 PHASENWECHSELMATERIALGRUPPEN Bildquelle: M. Sterner und I. Stadler, Energiespeicher Bedarf, Technologien, Integration. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, ,1 kwh/l 18

19 WESENTLICHE VERWENDUNGSVORAUSSETZUNGEN Möglichst hohe Phasenwechselenthalpie Möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit Nicht giftig, brennbar oder korrosiv Günstig und gut verfügbar Phasenwechseltemperaturniveau muss für Kühl- und Beheizungszwecke geeignet sein Phasenwechseltemperaturen müssen bei der Wärmeübertragung zu Temperatur- und Druckniveau des verwendeten Kältemittels passen 19

20 4 ERSTE RESULTATE 2. BVMW - Automotive Forum, Wächtersbach,

21 FUNKTIONALITÄT Speicherverdampfer (Speichermaterial Wasser) funktioniert problemlos Wird die dort aufgenommene Wärme am Speicherkondensator nicht vollständig abgenommen, wird sie über den luftgekühlten Kondensator (möglichst in Fahrgastraum) abgegeben Vorkonditionierung der Speicher erhöht die nutzbaren Wärmemengen Konzept bietet Möglichkeit zur Beladung der thermischen Speicher während der Beladung der Traktionsbatterie, also vor Fahrtantritt (entweder über Betrieb der Wärmepumpe oder über elektrische Heizer) 2. BVMW - Automotive Forum, Wächtersbach,

22 WEITERE ERKENNTNISSE Die Wärmeaufnahme am Speicherkondensator (PCM: Paraffine) dauert im Wärmepumpenbetrieb zunächst zu lange, größere Wärmeübertragungsflächen oder höhere Wärmeleitfähigkeit des PCM wären hilfreich Problematisch sind auch Lufteinschlüsse im Speichermaterial, die infolge der Volumenkontraktion beim Abkühlen entstehen Zur schnelleren Beladung des Speicherkondensators vor Fahrtantritt kann ein elektrischer Heizer unterstützend oder auch alternativ sinnvoll eingesetzt werden 22

23 GETESTETE ÄNDERUNGEN Wärmeleitfähigkeitsverbesserungen durch Zugabe von porösem Graphit erzielt Statt der PCM-Speicher können Heiz- und Kühlkreisläufe verwendet werden, in denen das Speichermaterial in gekapselter Form in den Fluiden mitgeführt wird (Solche Substanzen werden Phase Change Slurries (PCS) genannt) Statt des nicht mehr zulässigen Kältemittels R134a wird nun R744 (Kohlendioxid CO 2 ) verwendet 23

24 ANLAGE ZUR UNTERSUCHUNG DER ZYKLENFESTIGKEIT VON PCS 24

25 TEMPERATURVERLAUF DES PCS IM DAUER- VERSUCH 20,1 % Konz., 2,7 µm Kapseldurchm. Aufschmelzen und Erstarren des PCM ist erkennbar Zyklusdauer verlängert sich über den Tag um ca. 7,5 % Ziel ist hohe Zyklenfestigkeit 25

26 6 SCHLUSSFOLGERUNGEN, WEITERES VORGEHEN 26

27 INTEGRATION IN KONVEKTA UL 500 CO 2 Erste Funktionsmuster, bei denen Hoch- und Niedertemperaturspeicher in ein Serienklimagerät integriert wurden, sind bereits aufgebaut. Verwendet wird dabei das umweltfreundliche Kältemittel R744 (CO 2 ). 27

28 SCHLUSSFOLGERUNGEN Konzept der Kombination von Wärmepumpe mit Latentwärmespeichern funktioniert Nicht alle PCM/PCS mit scheinbar passenden Daten sind für den Einsatz geeignet Tatsächliche Leistungsdaten unter unterschiedlichen Randbedingungen müssen noch ermittelt werden Komplettsystem muss Dauerfestigkeit beweisen 28

29 GEPLANTES EINSATZFELD Geplant ist die Entwicklung eines Prototypen für den Einsatz in Flughafenvorfeldbussen: Große, meist offene Türen führen zu großem Wärmebedarf Feste, überschaubare Routen Gute Ladeinfrastruktur aufbaubar Instandhaltung und Überwachung leicht möglich Mit einigen Systemmodifikationen ist ein Einsatz im öffentlichen Nahverkehr denkbar. Baustellen-, Lager- und Auslieferungsfahrzeuge könnten ebenso gut ausgestattet werden. Bei weiteren Fortschritten in Bezug auf die Reduktion von Baugröße und Gewicht ist es möglich, das System auch bei Elektro-PKW einzusetzen. 29

30 Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 519/17-01) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der LOEWE Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30