ECOTRAM EVALUIERUNG VON ENERGIESPARMAßNAHMEN BEI STRAßENBAHNEN UNTER REALEN BETRIEBSBEDINGUNGEN

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1 ECOTRAM EVALUIERUNG VON ENERGIESPARMAßNAHMEN BEI STRAßENBAHNEN UNTER REALEN BETRIEBSBEDINGUNGEN DIPL. ING. DR. W. STRUCKL SIEMENS AG DIPL. ING. C. DULLINGER TU WIEN

2 Wie viel Energie benötigt die Klimatisierung einer Straßenbahn? Wie kann diese gesenkt werden?

3 Forschungsprojekt EcoTram 2010 bis 2014 Phase 1 Messung des Energieverbrauchs an der Straßenbahn Ulf im Klima-Wind-Kanal und auf der Strecke Identifikation von möglichen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz der thermischen Komfortsysteme Phase 2 Entwicklung der gewählten Maßnahmen Integration in das Fahrzeug Überprüfung im Klima-Wind- Kanal und auf der Strecke

4 Das Projektkonsortium >> Techn. Projektpartner Klima-Wind-Kanal- & Betriebsmessungen >> Konsortialführer / Projektleitung Kow How Fahrzeug, Maßnahmenintegration >> Projektpartner Projektbegleitung & Controlling Öffentlicher Förderpartner >> Techn. Projektpartner Dynamisches Simulationstool, Reglerentwurf >> Techn. Projektpartner Know How HVAC, Entwicklung HVAC >> Techn. Projektpartner Erfahrung Betriebsverhalten, Umrüstung

5 Klimageräte des Fahrzeugs ULF A1 Power supply: Heating power: Cooling power: Fresh air flow: Size: Weight: 24 VDC (controller) 3x400 VAC (ventilation, cooling) 600 VDC (heating) 22 kw 11,5 kw 1400 m³/h max x 1400 x 495 mm ca. 270 kg Quelle: Vossloh Kiepe, 2013

6 Leistungsaufnahme an einem typischer Frühlingstag RTA Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlage GmbH

7 Energieverbrauch der Klimageräte ULF A1 Bis zu 34% der gesamten Energie werden im Juli für die Klimatisierung der Straßenbahn benötigt. Temperaturbereich -45 bis +60 C Länge 100 m und 33,8 m Wind bis 300 km/h Die durchschnittliche Leistungsaufnahme beträgt 7,8 kw Ca kwh pro Fahrzeug und Jahr RTA Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlage GmbH

8 EcoTram Phase 2

9 Umgesetzte Maßnahmen: Energieeffizientes HVAC: Wärmepumpe, frequenzvariabler Klimakompressor, stufenloses Heizregister Quelle: Siemens Modifikationen am Fahrzeug: Besetzungsabhängige Frischluftmenge, Sonnenschutzfolien Energieeffiziente Regelung: Modell-Prädiktiver Regler

10 Energieeffizientes Klimagerät Variable Frischluftmenge durch drehzahlgesteuertem Umlüfter und zusätzliche Frischluftklappe Nutzung der Kälteanlage als Wärmepumpe mit frequenzvariablem Kompressor COP der Wärmepumpe von 4,22 im günstigsten Fall Stufenloses elektrisches Heizregister Kältemittel 407c Quelle: Vossloh Kiepe, 2013

11 Regler Phase 1 Messung des Energieverbrauchs an der Straßenbahn ULF im Klima-Wind-Kanal und auf der Strecke Identifikation von möglichen Maßnahmen Phase 2 Auslegung Modellprädiktiver Regler (MPC) Integration in das Fahrzeug Überprüfung im Klima-Wind- Kanal und auf der Strecke ursprünglicher Regelkreis: widersprüchliche Zielsetzungen: neuer Regelkreis:

12 MPC Implementierung On-line Optimierung der Heiz- /Kühlleistung mit Prädiktionshorizont 6 min Umrechnung auf optimale Schaltzustände des Klimageräts (Kompressor an/aus, etc.) Weltweit erste Implementierung eines MPC in einem Klimagerät auf Tram

13 Simulations-Tool Validiertes dynamisches thermisches Simulations-Tool eingebettet in eine benutzerfreundliche GUI Daten getriebenes (KWK Daten) allgemein gültiges thermisches Fahrzeugmodell Bild GUI Resultat modulares, leicht zu parametrierendes HKL Modell echte Wetter-/ Betriebsdaten Berechnung des Jahresenergiebedarfs der HKL kummuliert aus zeitlichen Leistungsaufnahmen Weltweit erstmalig ganzheitliches Tool zu Berechnung der Energieeffizienz von Klimagräten bei Trams

14 26 % Einsparung im Klima-Wind-Kanal RTA Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlage GmbH

15 Zusammenfassung Im Zusammenspiel aller Maßnahmen ist eine Effizienzverbesserung der Ecotram gegenüber Serienfahrzeug von 26% der HKL-Anlage bzw. ca. 10% des Gesamtfahrzeuges im Jahresdurchschnitt möglich. Q.E.D. COP der Wärmepumpe von 4,22 im günstigsten Fall (4,22 mal effizienter als ein elektrisches Heizregister) Umsetzungsvarianten reichen von Adaptierung von Bestandsfahrzeugen bis zum Einbau in Neuserienfahrzeugen Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zeigen, dass regelungstechnische Maßnahmen (präd. Regler und CO2 Sensor) bei der HKL Anlage von Bestandsfahrzeugen mit einem ROI < 3 Jahren umgesetzt werden können. Bei Neufahrzeugen können Wärmepumpen für die Klimazone II und III die elektrische Heizung ersetzen

16 Danke für Ihre Aufmerksamkeit DI Christian Dullinger Dr. DI. Walter Struckl +43 (1) (0) Wien