HEAT2GO - Entwicklung eines schnellladefähigen Latentwärmespeichers für die Beheizung von Elektrobussen

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1 DRESDEN HEAT2GO - Entwicklung eines schnellladefähigen Latentwärmespeichers für die Beheizung von Elektrobussen Richard Kratzing FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR VERKEHRS- UND INFRASTRUKTURSYSTEME IVI Zeunerstraße Dresden

2 ÜBERBLICK Motivation Wärmebedarfssimulation Elektr. Heizungssysteme schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Zusammenfassung

3 Motivation Ziel: Realisierung einer emissionsfreien und wirtschaftlichen Beheizung vollelektrischer Stadtbusse bisher: Dieselbus: Motorabwärme (+ Brennstoffzusatzheizer) Hybridbus: Brennstoffzusatzheizer (+ Motorabwärme) verfügbare Systeme für ebusse: Brennstoffzuheizer elektrische Heizer (PTC) Wärmepumpen nicht emissionsfrei Reichweitenreduktion bzw. Steigerung Batteriekapazität in Entwicklung; COP bei tiefen Temperaturen

4 ÜBERBLICK Motivation Wärmebedarfssimulation Elektr. Heizungssysteme schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Zusammenfassung

5 Wärmebedarfssimulation Simulationswerkzeug HVACCO2SIM: Basis Energiebilanzen, 1-Zonen-Modell Simulationsschrittweite 1-5 min simulierter Zeitraum 1 Jahr erweiterbare Bus- und Klimadatenbank (aktuell ca. 160 bzw. 41 Datensätze) berücksichtigte Einflussfaktoren: Ergebnis: zeitlicher Verlauf des Wärmebedarfs

6 Wärmebedarfssimulation Referenzszenario: Ort: Bremen Fahrzeug: 12m Stadtbus Betriebszeit: 06:00-22:00 Uhr (5840 h/a) Fahrgastanzahl: 43 Sollwert Heizen: 18 C Luftwechselrate: 7 h -1 Frischluftrate: 20 % Quelle: Meteonorm

7 Wärmebedarfssimulation Referenzszenario: Ort: Bremen Fahrzeug: 12m Stadtbus Betriebszeit: 06:00-22:00 Uhr (5840 h/a) Fahrgastanzahl: 43 Sollwert Heizen: 18 C Luftwechselrate: 7 h -1 Frischluftrate: 20 % Wärmebedarfsverlauf: Quelle: Meteonorm Q Wärmebedarf,Gesamt : 12,9 MWh/a

8 Wärmebedarfssimulation Referenzszenario: Ort: Bremen Fahrzeug: 12m Stadtbus Betriebszeit: 06:00-22:00 Uhr (5840 h/a) Fahrgastanzahl: 43 Sollwert Heizen: 18 C Luftwechselrate: 7 h -1 Frischluftrate: 20 % Wärmebedarfsverlauf: (Jahresdauerlinie) Betriebszeit Quelle: Meteonorm Q Wärmebedarf,Gesamt : 12,9 MWh/a

9 ÜBERBLICK Motivation Wärmebedarfssimulation Elektr. Heizungssysteme schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Zusammenfassung

10 Elektr. Heizungssysteme Ladekonzepte für ebusse Depotladen Gelegenheitsladen Ladeintervall 1 Tag 1 h (16 Zyklen/Tag) Batterietechnologie LiFePo Li-NMC Systemenergiedichte genutzt Energiebedarf ohne Heizen Batteriegewicht (ohne Heizen) (90 Wh/kg) 80 Wh/kg 360,0 kwh (300 km) (60 Wh/kg) 20 Wh/kg 22,5 kwh (18,75 km) kg kg

11 Elektr. Heizungssysteme Ladekonzepte für ebusse Depotladen Depotladen Wärmebedarf Gelegenheitsladen Ladeintervall 1 Tag 1 h (16 Zyklen/Tag) Batterietechnologie LiFePo Li-NMC Systemenergiedichte genutzt Energiebedarf ohne Heizen Batteriegewicht (ohne Heizen) (90 Wh/kg) 80 Wh/kg 360,0 kwh (300 km) (60 Wh/kg) 20 Wh/kg 22,5 kwh (18,75 km) kg kg Gelegenheitsladen Q Max =193 kwh/tag Q Max =13 kwh/stunde

12 Elektr. Heizungssysteme Ladekonzepte für ebusse Annahme: verlustfreie Zufuhr der erzeugten Wärme zum Fahrgastinnenraum Batteriegewicht (Heizen, Gesamt) elektr. PTC-Heizer (Wirkungsgrad = 0,98) Wärmepumpe, (COP = 3,5) Depotladen kg (197,0 kwh) kg (557,0 kwh) 690 kg (55,1 kwh) kg (415,1 kwh) Gelegenheitsladen 665 kg (13,3 kwh) kg (35,8 kwh) 190 kg (3,8 kwh) kg (26,3 kwh) Wärmepumpen mit benötigter Leistungsfähigkeit bei tiefen Umgebungstemperaturen in Entwicklung aber noch nicht kommerziell verfügbar elektr. PTC-Heizer führen zu erheblich größeren Batterien und Gewichten

13 ÜBERBLICK Motivation Wärmebedarfssimulation Elektr. Heizungssysteme schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Zusammenfassung

14 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Latentwärmespeicher Projekt: Heat2Go 10/ /2019

15 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Latentwärmespeicher Projekt: Heat2Go 10/ /2019

16 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Konzept Außentemperatur für Umlauf benötigte Wärme wird in PCM gespeichert Innentemperatur 18 C Ladestrategie Schnellladen in 6 min an der Endhaltestelle Laden durch Rekuperation Projekt: Heat2Go 10/ /2019

17 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Systemvarianten

18 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Speicherdimensionierung 12m Stadtbus, Bremen 100% Erfüllungsgrad 12,9 MWh/a 98,0 % 9 9 kwh 125 kg PCM-Material Zykluslänge 1h, Betrieb: 16h/Tag

19 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Heat2Go Projektziele: Entwicklung und Umsetzung schnellladefähiger Latentwärmespeicherheizung: Zielparameter: - el. Laden (HV) in 6 min - ca. 10 kwh Speicherkapazität - Entladeleistung bis zu 15 kw Funktionen: - Nachladefähigkeit durch Rekuperation - separate Beladung einzelner Module - Zell-/Modulüberwachung Integration in mittels Gelegenheitsladung betriebenen vollelektrischen 12m Stadtbus (EDDA-Bus) Demonstration in Klimahalle und Fahrbetrieb

20 schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Bereits erzielte Ergebnisse: Spezifikation abgeschlossen, Lastenheft erstellt Schnellladung prototypisch demonstriert Prototyp-Modul (Realisierung Konvekta AG): Entladung über Wasserkreislauf Wärmespeicherkapazität 1 : 0,76 kwh PCM-Material: Paraffin, T Schmelz =70 C el. Ladeleistung: 11,0 kw (720 VDC) Ladedauer: 316 s Energiedichte: ca. 30 Wh/kg Lade-/Entladezyklen: entnommene nutzbare Wärmemenge prototyp. Speichermodul

21 ÜBERBLICK Motivation Wärmebedarfssimulation Elektr. Heizungssysteme schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung Zusammenfassung

22 Zusammenfassung Tool zur standortbezogenen Potenzialanalyse und Systemauslegung Brennstoffheizer und Elektroheizer wenig geeignet Wärmepumpen in Entwicklung, COP entscheidend Konzept für speicherbasierte Heizung im Elektrobus Entkopplung des Heizens von Batterie durch Gelegenheitsladen Keine Lösung für Depotladen, Wärmespeicher zu groß Übergangstechnologie bis Speicherdichten und Kosten der Batterie Zielmarken erreichen