LÖSUNGEN ZUR EFFIZIENTEN HEIZUNG UND KLIMATISIERUNG VON FAHRZEUGEN MIT GERINGER ANTRIEBSSTRANGABWÄRME

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1 LÖSUNGEN ZUR EFFIZIENTEN HEIZUNG UND KLIMATISIERUNG VON FAHRZEUGEN MIT GERINGER ANTRIEBSSTRANGABWÄRME 7. CTI-KONFERENZ HEIZ- UND KÜHLSYSTEME IM KFZ WIESBADEN,

2 Agenda Motivation Anforderungen an das HVAC-System Bestehende und neue Systeme zur Heizung- und Klimatisierung Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im Kfz CoolSteam KWKK-System Ausblick Seite 2

3 Motivation BEV Seite 3

4 Motivation BEV Hoher Energiebedarf für Klimatisierung und Heizung im BEV Begrenzte Reichweite wird zusätzlich reduziert (energetisch) kleiner Energiespeicher Wenig effiziente Konzepte bei Conversion Cars Derzeitige Lösungen: Kraftstoffzuheizer PTC-Zuheizer Seite 4

5 Motivation Dieselfahrzeuge und HEV (differenzieller) Mehrverbrauch durch zusätzliche elektrische Last ca. 0,5 l/100 km pro W Diesel DI: PTC-Zuheizer je nach Fahrzeug zwischen 900 W (Smart) bis W (Stromgrenze bei 14 V Bordnetz) HEV: bis zu W PTC-Zuheizer Klimakompressorleistung: ca W Mehrverbrauch durch Wärme- und Kälteerzeugung bis zu 3 l/100 km Seite 5

6 Auslegung und Anforderungen DIN 1946: 20 ᵒC nach 30 min bei 20 ᵒC Aussentemperatur Herstellerinterne Quasi-Normen Heizleistung etwa 10 kw; Kühlleistung 7 kw (D-Segment) Derzeit werden Umwelteinflüsse Mikroklima nicht mitberücksichtigt Sonneneinstrahlung in Straßen Luftzirkulation in Städten Fahrerverhalten Kleidung, Lüftung, Heizung Tagesgang z. B.: Für wie viele Personen ist das Szenario Mittagshitze relevant? Seite 6

7 Lastenheft für HVAC-Systeme Innenraum/Komfort HVAC-System Fahrzeug t bis Zieltemperatur Heizen Kühlen Dynamik Regelbarkeit Geruch Schadstoffe Endenergiequelle Energiebedarf Emissionen Gewicht Betriebsmedien Gefahrenstoffe Dauerhaltbarkeit Package Kosten Betriebsbereich Seite 7

8 Lastenheft für HVAC-Systeme: Lösungen Wasserwärmetauscher Kompressionskältemaschine mit R134a Verdampfer Umluftschaltung PTC-Zuheizer Innerer Wärmeübertrager im Kältemittelkreis Sitzheizung Speicherverdampfer Seite 8

9 Möglichkeiten der Effizienzsteigerung Wärmedämmung Thermische Trägheit Betriebsstrategie Antrieb Vorkonditionierung Thermische Speicher Parkbeschattung Innenraumaufteilung bzw. gezieltere Kühlung der Insassen Integration Fahr- und Wetterprognosen für Vorkonditionierung und Betriebsstrategie Reduktion des Luftaustauschs und Abluftwärme/- kälterückgewinnung Thermoelektrik Nutzungsprofil Einsatzort und Klima Modularisierung (Spot-Cooling/Heating) Seite 9

10 Möglichkeiten der Effizienzsteigerung Heizen Zuheizer Wärmepumpen Körpernahe Systeme Infrarotheizungen Kühlen Schaltbare Transmission/Transparenz Standlüftung Absorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Seite 10

11 Zwischenfazit Hoher Energiebedarf für bieten Potenzial zur Optimierung von: 1. Art der Wärmebereitstellung bzw. des Wärmeentzugs im Innenraum (Energiewandler) 2. Quantitative (Energiemenge) und qualitative (Verringerung der Heiz bzw. Kühltemperatur) Reduzierung des Gesamtenergiebarfs 3. Energiespeicher (thermischer Speicher) 4. Betriebsstrategie (Antriebsstrang und HVAC-System) Bei der Verwendung von konventionellen HVAC-Systemen zeigen sich insbesondere bei BEV starke Nutzungseinschränkungen Change für neue Heiz- und Kühlverfahren Detaillierte Untersuchung der Eignung unter Berücksichtigung der Anforderungen im Fahrzeug notwendig Seite 11

12 Energiewandler Energiemenge Energiespeicher Betriebsstrategie Thermoelektrik Wärmepumpen Körpernahe Systeme Wärmedämmung Thermische Trägheit Parkbeschattung Innenraumaufteilung Thermische Speicher (Latent, Sensibel) Antriebstrangmanagement Vorkonditionierung gezielte Kühlung/Heizung der Insassen Brennstoffzuheizer Integration Fahr- und Wetterprognosen Infrarotheizungen Reduktion des Luftaustauschs Absorptionskältemaschine Abluftwärme/- kälterückgewinnung Nutzungsprofil Ad- bzw. Absorptionskältemaschine Schaltbare Transmission/Transparenz Thermolack Thermische Batterie Standlüftung Seite 12

13 Adsorptionskältemaschine kombiniert mit einem Dampfkreis KRAFT-WÄRME-KÄLTE-KOPPLUNG COOLSTEAM

14 Förderung und Projektpartner Förderung Finanziert durch das Förderprogramm ProFit der Investitionsbank Berlin Dieses Vorhaben wird von der Europäischen Union kofinanziert Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Projektpartner Amovis GmbH, Berlin Invensor GmbH, Berlin TU Berlin, Fachgebiet Kraftfahrzeuge Seite 14

15 Grundidee der KWKK für BEV Heizen und Kühlen von Fahrzeug und Innenraum ohne Reichweiteneinfluss Effiziente Nutzung der Hochtemperatur-Exergie des Brennstoffs Nutzung der Adsorptionskältemaschine als Wärmesenke (Kondensator) für den ORC-Kreis Nutzung der Abwärme des elektrischen Triebstrangs als thermischen Antrieb der Adsorptionskältemaschine Nutzung von solarer Wärme als thermischen Antrieb der Adsorptionskältemaschine Speicherung von Wärme und Kälte Seite 15

16 P Gen Brennstoff Q Verlust ORC QAbgas Innenraum Batterie Einspeisung der Antriebsabwärme Kondensator Adsoprtionskammer Adsorptionskammer Kühlung Rückkühlung Therm. Antrieb (10 C) (45 C) (95 C) Verdampfer Seite 16

17 Prinzip einer 2-Kammer-Adsorptionsmaschine Ads I Ads II Ads I Ads II Kon Kon VD VD Ads I: Desorption (Trocknung) Kon: Kondensator Ads I: Adsorption Ads II: Adsorption (Sättigung) VD: Verdampfer Ads II: Desorption Seite 17 17

18 Prüfstandsaufbau 1. Demonstrator Seite 18

19 Temperatur [ C] Temperaturverläufe Adsorptionskältemaschine Zykluszeit ca. 2x 250 s Zeit [s] T_Hot_in / C T_Hot_out / C T_RK_in / C T_RK_out / C T_Vd_in / C T_Vd_out / C H-Temp. (Antrieb) M-Temp. (Rückkühler) N-Temp. (Kühlen) Seite 19

20 PROJEKTSTAND OKTOBER 2012

21 450 mm Aufbau miniaturisierter 2. Demonstrator Seite 21

22 Aufbau Antrieb und ORCycle Seite 22

23 650 mm Technische Universität Berlin 200 mm Projektfortschritt Adsorptionskältemaschine CoolSteam 1 (P = 3,6 kw) CoolSteam 2 (P = 3,4 kw) V = 360 l; m = 120 kg V = 116 l; m = 70 kg Seite 25

24 Volumen [l] bzw. Gewicht [kg] Technische Universität Berlin Leistungsdichte [W/kg] bzw. [W/l] Entwicklung der Leistungsdichte (ab Juni 2012 Extrapolation) Volumen und Gewicht der AdKM 70 Entwicklung der Leistungsdichte Dichte max Gewicht Volumen Dichte min Volumetrische Dichte max Volumetrische Dichte min Sep 11 Apr 12 Okt 12 Projektverlauf 0 Sep 11 Apr 12 Okt 12 Projektverlauf Seite 26

25 Ergebnisse CoolSteam Demonstrator 1 und 2 CoolSteam 1 CoolSteam 2 Leistungszahl AdKM 0,39 0,49 0,32 0,46 max. Kälteleistung 3,6 kw 3,4 kw Leistungsdichte Kältemaschine Brennstoffleistung Brenner (max.) 10 W/l 32 W/l 12 kw 9,5 kw Generatorleistung 800 W 1,02 KW Volumen 500 l 200 l Masse 200 kg 100 kg Seite 27

26 Optimierungspotenziale / Ausblick Adsorber/Desorber-Wärmetauscher mit kleinerem Lamellenabstand (1,8mm auf 1,0mm) Anpassung des Binders des Adsorptionsmaterials für Temperatur bis 120 C (vorher 100 C) Umsetzung eines neuen Verdampfertyps (beschichtetes Rippenrohr) mit einem höheren ka-wert Packageoptimierung (Umschalteinheit, Ventile, Verschlauchung, Pumpen) Reduzierung Druckverlust (Veschlauchung, AdKM Verdampfer und Kondensator) Entwicklung eines CNG- oder Ethanolbrenners Weitere Effizienzoptimierung zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Vereinheitlichung der Komponentenantriebe auf 14V-Technologie Automatisierung der Anlage Seite 28

27 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

28 DIN / VDA 220 Sommerszenario Winterszenario Aussen temp. rel. Luftf. Solare Strahl. 40 C 40 % 1000 W/m² Geschw. Ziel temp. Max. Zeit 32 km/h 25 C 30 min -20 C - 0 W/m² 32 km/h 20 C 30 min Seite 30