Dr.-Ing. Robert Basile, Leiter Entwicklung Herausforderungen an Klimatisierungs- und Heizungslösungen bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb

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1 Dr.-Ing. Robert Basile, Leiter Entwicklung Herausforderungen an Klimatisierungs- und Heizungslösungen bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb Nach wie vor stellt die Energieversorgung bei Elektrobussen die zentrale Herausforderung dar. Vor dem Hintergrund der begrenzten Energieressourcen in Traktionsbatterien sind zur Erzielung akzeptabler Reichweiten die Nutzung und Vernetzung hocheffizienter Einzelkomponenten und ein intelligentes Thermomanagement eine wesentliche Voraussetzung. Seit geraumer Zeit sind bei vielen Verkehrsunternehmen Linienbusse mit elektrischen Antriebskomponenten als Hybridbusse und inzwischen auch als reine Elektrobusse im täglichen Betriebseinsatz. Immer noch stellt hier die Energieversorgung des Gesamtfahrzeuges einschließlich aller Nebenverbraucher die zentrale Herausforderung dar, da die sogenannte Reichweite in elektrisch angetriebenen Bussen direkt abhängig ist von der Kapazität des Energiespeichers, das heißt von der Traktionsbatterie. Entsprechend dem in Abbildung 1 dargestellten Verlauf hängt die Reichweite auch vom Leistungsbedarf der Nebenverbraucher und von der Umgebungstemperatur ab [1]. Abb.1: Reichweite in Abhängigkeit des Leistungsbedarfes der Nebenverbraucher Aufgrund der geringen Energiedichte heutiger Traktionsbatterien und des begrenzten Angebots an nutzbarer Abwärme besteht in Elektrobussen grundsätzlich ein Energiedefizit im Bereich der HVAC- Anwendungen (Heating, Ventilation, Air Conditioning) [2]. 1

2 Dieses Energiedefizit bestmöglich zu kompensieren erfordert innovative Lösungsansätze, bei denen künftige Klimatisierungs- und Heizungslösungen die vorhandenen Energieressourcen bestmöglich nutzen. Dies führt zu einer nachhaltigen Effizienzsteigerung der Omnibusse und somit zu einer Vergrößerung der verfügbaren Reichweite. Vergrößerung der Reichweite für Elektrobusse Mobilität in der Zukunft fordert also zum einen höchste Effizienz durch optimale Einzelwirkungsgrade aller Nebenaggregate, wie Heiz- und Klimasysteme und deren Komponenten. Zum anderen müssen fahrzeugbedingte Energieverluste, etwa auf Grund von hohen Wärmedurchgangskoeffizienten der Karosserie, ungünstigen thermischen Massen und einem zu hohen Gewicht soweit wie möglich vermieden werden. Berücksichtigt man darüber hinaus die spezifischen Anforderungen an einen Elektrobus können optimierte Heiz- und Abkühlstrategien für diese Fahrzeuge entwickelt werden. Intelligente und energetisch sinnvolle Anlagenverschaltungen (Klimaanlage, Wärmepumpe, Heizgeräte et cetera) bis hin zu einem ganzheitlichen, lastsynchronen Thermomanagement liefern die Grundlage, die beschränkten Energieressourcen des Fahrzeuges optimal zu nutzen und dadurch die Reichweite zu maximieren. Gute Einzelwirkungsgrade der Klimakomponenten sollen an dieser Stelle für die weiteren Ausführungen vorausgesetzt werden, was nicht bedeutet, dass es künftig nicht weitere Optimierungsmöglichkeiten geben wird. Energiebedarf zum Heizen und Kühlen Die zum Heizen experimentell ermittelten Leistungsbedarfe im Tagesablauf zeigen auf, dass grundsätzlich zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden werden kann [3]: dem Vorheizen zu Beginn des Fahrbetriebs und dem Zuheizen zur Aufrechterhaltung der eingestellten Innenraumtemperatur. Der notwendige Leistungsbedarf zum Vorheizen zu Beginn des Fahrbetriebes ist ungleich größer, als im Zuheizbetrieb während der Fahrt. Vor diesem Hintergrund kommt der gezielten Vorkonditionierung des Fahrzeuges durch eine so genannte Off-board Energieversorgung eine besondere Bedeutung zu, da so die Fahrzeugbatterie erheblich geschont werden kann. Im Fahrbetrieb resultieren die notwendigen Heizleistungsbedarfe aus den Transmissionsverlusten, aus dem Aufwärmen der zugeführten kalten Frischluft, aus der Anzahl zugestiegener Fahrgäste, wie auch aus dem Aufwärmen der Luft aufgrund von Austauschströmungen beim Öffnen der Türen an den Haltestellen. Die Beträge der notwendigen 2

3 Energiemengen zum Heizen sind direkt von der Umgebungstemperatur abhängig. Grundsätzlich gelten diese Ausführungen auch für das Kühlen [4]. In Abbildung 2 sind die unterschiedlichen Heizleistungsbedarfe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellt. Ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung der Heizbedarfe liegt im Bereich der Transmissionswärmeverluste. Energieverluste der gesamten Karosserie, an Türen, Fenstern und deren Verbindungen infolge von Wärmebrücken, können durch verbesserte Fahrzeugisolierungen und Verglasungen ähnlich den Fortschritten in der Gebäudedämmung erheblich reduziert werden. Bild 2: Heizleistungsbedarfe in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur Darüber hinaus lassen sich auch ungünstige thermische Massen verringern, beispielsweise durch entsprechende Materialauswahl und Beschaffenheit im Bereich der Sitze und Innenverkleidungen. Omnibusse werden nicht nur aus hygienischen Gründen mit 100 Prozent Frischluft belüftet. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei auch die Entfeuchtung der Luft im Fahrzeuginnenraum mittels Zufuhr von kalter und dadurch trockener Umgebungsluft. Somit wird sichergestellt, dass die Scheiben, insbesondere die Windschutzscheibe, nicht beschlagen. Je nach Außentemperatur ist allerdings eine erhebliche Energiemenge notwendig, die kalte Frischluft (Außenluft) auf das Temperaturniveau des Innenraumes aufzuheizen. Zielgerichtete Belüftungsstrategien, wie zum Beispiel die Umluftregelung und die Stillstandsbelüftung, können helfen, die nötigen Energiemengen zu verringern. Im ersten Fall kann die Frischluftzufuhr an die tatsächlich gemessene Luftqualität im Innenraum gekoppelt werden. Dabei wird der CO 2 -Gehalt sensorisch erfasst, bewertet und Frischluft entsprechend zudosiert. Hierbei ist allerdings auf eine Trennung zwischen Fahrer- 3

4 arbeitsplatz und Fahrgastraum zu achten. Ebenso bietet der Einsatz von Feuchtesensoren ein größeres Einsparpotenzial. Im Stillstand können solarbetriebene Belüftungsaggregate bedarfsgerecht eingesetzt werden und die Temperatur im Innenraum bereits vor Fahrtbeginn absenken. Elektrobus: Spezifische Anforderungen und Strategien Lithium-Ionen-Batterien erweisen sich derzeit als die besten Energiespeicher für Anwendungen in elektrisch betrieben Fahrzeugen. Die optimale Betriebstemperatur liegt zwischen 20 und 30 C, das heißt, die Batterie muss bereits nach kurzer Betriebszeit gekühlt werden [5]. Da heutzutage nahezu alle Fahrzeuge über eine Klimaanlage verfügen, liegt es nahe, die Batteriekühlung in den bereits vorhandenen Kältekreislauf zu integrieren. Im Wesentlichen besteht dieser aus einem elektrischen Verdichter, Kondensator und Verdampfer mit Gebläse und einem Expansionsventil. Die Anbindung der Batteriekühlung an den Kältekreislauf geschieht über einen Plattenwärmetauscher. Dieser Kühlkreislauf wird noch durch einen Außenwärmetauscher ergänzt, so dass bei tieferen Umgebungstemperaturen auf den Betrieb der Klimaanlage zur Batteriekühlung verzichtet werden kann. Heizkreislauf Kühlkreislauf Verdichter PWT Heizkreis Batterien Kondensator im WPB Verdampfer im WPB Außenwärmetauscher Wärmepumpenbetrieb (WPB) Bild 3: Schematische Anlagenverschaltung im Wärmepumpenbetrieb /6/ 4

5 Mittels einer Kreislaufumkehr gemäß der in Abbildung 3 dargestellten Verschaltung kann die Klimaanlage darüber hinaus als Wärmepumpe betrieben werden, um so den Fahrgastraum bei moderaten Umgebungstemperaturen effizient und damit energiesparend zu temperieren. Bei sinkenden Umgebungstemperaturen, also mit zunehmendem Heizleistungsbedarf, fällt leider der thermische Wirkungsgrad (COP = Coefficient of Performance) einer Wärmepumpe ab. Wird die Wärmepumpe bei Umgebungstemperaturen unter ca. 7 C betrieben, besteht die Gefahr der Vereisung des Wärmetauschers. Der in der Luft befindliche Wasserdampf kondensiert und gefriert, es kommt zur Eisbildung auf den Lamellen. Die Eisschicht reduziert den Wärmeübergang und die Luftgeschwindigkeit, wodurch die Verdampfungstemperatur zusätzlich absinkt Für den weiteren Betrieb der Wärmepumpe ist dann eine Abtauvorrichtung erforderlich, die aufwändig und störanfällig ist. Dabei wird durch eine weitere Kreislaufumkehr wieder in den Klimaanlagenbetrieb umgeschaltet und somit der Wärmetauscher (Verdampfer im Wärmepumpenbetrieb) mit Heißgas (Kondensator im Klimaanlagenbetrieb) durchströmt und enteist. Der COP der Wärmepumpe kann hierbei durchaus unter den Wert Eins absinken, was energetisch keinem sinnvollen Anlagenbetrieb mehr entspricht. Der prinzipielle COP Verlauf einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur unter Berücksichtigung einer Abtauvorrichtung ist in Abbildung 4 dargestellt. Bild 4: COP-Verlauf der Wärmepumpe als Funktion der Verdampfungstemperatur 5

6 In diesen Kombinationsanlagen kann es unter bestimmten Umgebungsbedingungen auch zu dem so genannten Flash Fogging [4] kommen. Darunter versteht man die Ansammlung von Wasser auf den Verdampferlamellen im Klimaanlagenbetrieb. Beim anschließenden Umschalten auf den Wärmepumpenbetrieb verdampft dieses Wasser sehr rasch. Die so in den Innerraum eingeblasene warme Luft führt bei Kontakt mit der kalten Windschutzscheibe zur sofortigen Beschlagbildung und kann somit ein Sicherheitsrisiko darstellen. Werden die Fahrzeuge ausschließlich mittels dieser Kombinationsanlagen im Wärmepumpenbetrieb beheizt, sind die Nachteile folglich nicht unerheblich, schließen Sicherheitsaspekte nicht aus und sind zur Vorwärmung des Fahrzeugs bei tiefen Temperaturen (Kaltstart) nicht wirklich geeignet. Dennoch muss auch beim Kaltstart die Batterie auf Betriebstemperatur gebracht werden. Dies kann zwar durch einen elektrischen Zuheizer erfolgen, die dafür notwendige Energie muss aber der Batterie bei tiefen Temperaturen entnommen werden. Dies führt zur schnelleren Entladung und zur Reduktion der Lebensdauer. Mögliche Zuheizkonzepte und deren Bewertung Wie im letzten Abschnitt bereits ausgeführt, kann für kältere Regionen, zum Beispiel Deutschland, ein Heizkonzept ausschließlich basierend auf einer Wärmepumpe, als nicht ausreichend eingestuft werden. Als notwendige Ergänzung hierzu bieten sich folgende Alternativen an: Zum einen das elektrische Heizgerät Thermo AC/DC, ein Wasserzuheizer, der eine Off-Board- sowie eine On-Board-Energieversorgung ermöglicht. Damit kann vor Fahrtbeginn im Depot das Fahrzeug mit einer Heizleistung von 20 kw emissionsfrei, geruchs- und geräuschlos vorgeheizt werden. In bewohnten Gebieten ein enormer Vorteil. Die Energieversorgung erfolgt über das örtliche Stromnetz, die Traktionsbatterie muss nicht in Anspruch genommen werden. Im Liniendienst kann bei tiefen Umgebungsbedingungen auch während der Fahrt mit dem Thermo AC/DC zugeheizt werden. Die dafür notwendige Energie muss allerdings von der Traktionsbatterie zur Verfügung gestellt werden, was wiederum direkt mit einer Reduzierung der Reichweite einhergeht. Vor diesem Hintergrund kann als Alternative das brennstoffbetriebene Heizgerät Thermo S angeführt werden. Dieses Heizgerät arbeitet nahezu unabhängig von den vorhandenen Batteriekapazitäten, ist in den Heiz- Wasserkreislauf eingebunden und kann somit als autarkes Bus- Heizkonzept zum Vor- und Zuheizen angesehen werden. Es arbeitet hocheffizient und ist diagnosefähig. Mit den unterschiedlichen Gerätevarianten kann zur effizienten Innenraumbeheizung ein Heizleistungsbereich zwischen 16 bis 40 KW abgedeckt werden. Das Thermo S wird im Normalfall mit Diesel, kann aber auch mit einer Reihe alternativer Kraftstoffe (Biodiesel, Rapsöl, BtL-Kraftstoffe et cetera) betrieben werden. Bei dem Vergleich der spezifischen Energieinhalte 6

7 (KWh/kg) tritt der Vorteil fossil angetriebener Heizgeräte im Vergleich zur Energieentnahme aus Traktionsbatterien deutlich zu Tage. Werden zur Fahrzeugbeheizung an einem kalten Tag etwa 30 kg Kraftstoff (Diesel) benötigt, müsste für die gleiche Energiemenge eine Traktionsbatterie mit rund 2000 kg Gewicht mitgeführt werden. Chancen ganzheitlichen Thermomanagements Eine ganzheitliche Betrachtung aller notwendigen Energieströme zum Heizen und Kühlen über den Tagesablauf des Busbetriebes sowie deren optimale Regelung führen zu einem umfassenden Thermomanagement und somit zu einem energetisch effizienten Fahrzeugbetrieb. Hierzu wird bereits vor der Fahrt der Omnibus im Depot effizient in den Betriebszustand überführt. In der kühleren Jahreszeit werden Fahrzeug und die Traktionsbatterie mit einem elektrischen Heizgerät Energieversorgung Off-board aufgeheizt und bei Bedarf die Scheiben enteist. So entstehen keine störenden Geräusche und auch keine schädlichen Emissionen. Ebenso kann bei höheren Temperaturen der Fahrzeuginnenraum mittels einer Klimaanlage, angetrieben von einem elektrischen Verdichter, abgekühlt werden, ohne dabei die Energiereserven des Fahrzeuges zu belasten. Verlässt der Bus das Depot und wechselt in den Fahrbetrieb, so ist bei optimierter Buskarosserie, gezielter Belüftungsstrategie und mäßigen Außentemperaturen die Zuheizung mittels einer Wärmepumpe ausreichend. Sinken die Temperaturen wird der Einsatz eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes sinnvoll und notwendig. In der wärmeren Jahreszeit kann ein elektrischer Verdichter die Kälteleistung bedarfsgerecht und damit energiesparend bereitstellen. Die Belüftung erfolgt entlang der Linie gezielt über einen Sensorgeregelten Umluftbetrieb, die Standbelüftung über solar angetriebene Gebläse. Die konsequente Anwendung des beschriebenen Thermomanagements erschließt ein beachtliches Energieeinsparpotenzial von 45 Prozent. Allein durch Maßnahmen wie Reduzierung der Energieverluste in Anhängigkeit vom Fahrzeug (Gewicht, Transmissionsverluste, bedarfsgerechte Frischluftzufuhr) und die Optimierung der Einzelwirkungsgrade aller Nebenaggregate können bis zu 20 Prozent Einsparung erreicht werden. Weitere zehn Prozent lassen sich einsparen, wenn bei moderaten Temperaturen mittels einer Wärmepumpe zugeheizt wird. Selbstverständlich sollten hierbei alle Möglichkeiten zur Nutzung der vorhandenen Abwärme ausgeschöpft werden. Der Einsatz von so genannten prädiktiven Möglichkeiten führt schließlich auf das Lastsynchrone Thermomanagement [6] und bietet ein weiteres Energiesparpotenzial um zusätzliche 15 Prozent. Unter anderem erfolgt hierbei die Regelung der Energieströme auf Basis der 7

8 von einem Global Positioning System (GPS) zur Verfügung gestellten Informationen. Mobilität der Zukunft wird sicherlich stärker auf Elektromobilität setzen. Vor dem Hintergrund der begrenzten Energieressourcen in Traktionsbatterien sind zur Erzielung akzeptabler Reichweiten die Nutzung und Vernetzung hocheffizienter Einzelkomponenten und ein intelligentes Thermomanagement eine wesentliche Voraussetzung. Literaturhinweise [1] E-Mobilität und Klimatisierung: Mögliche Potentiale. H. Großmann. 11. Karlsruher KFZ-Klima-Symposium [2] Energiebedarf, Batteriegröße, Batterietyp und Ladeinfrastruktur Optimale eöpnv Mobilität durch integrale Analyse. 4. VDV-Akademie-Konferenz Elektrobusse Markt der Zukunft?! Dirk Uwe Sauer, Werner Rohlfs, Matthias Rogge, Philipp Sinhuber. Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer [3] Interner Entwicklungsbericht der Spheros GmbH. Experimentelle Bestimmung der erforderlichen Heizleistungen eines Stadtbusses im Linienverkehr [4] Heizen und Kühlen von Bussen heutiger Stand und Entwicklungen für die Zukunft. Forschungsstelle für Energiewirtschaft der Gesellschaft für praktische Energiekunde e.v und Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. und Gottlob Auwärter GmbH &Co [5] Lithium-Ionen Batterien: Stand der Technik und Anwendungspotenzial in Hybrid-, Plug-In Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz- Gemeinschaft. B. Ketterer, U. Karl, D. Möst, S. Ulrich [6] Lastsynchrones Thermomanagement. Spheros GmbH und Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI Dr.-Ing. Robert Basile (47) studierte Fahrzeugtechnik/ theoretischen Maschinenbau in München und Siegen. Anschließend arbeitete er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fluid und Thermodynamik der Universität Siegen. Nach seiner Promotion auf dem Gebiet der numerischen Berechnung von Stromfelddaten in Strömungsmaschinen war Herr Dr. Basile bei einem internationalen Fahrzeugzulieferer tätig. Dort verantwortete er die Bereiche Simulation und Versuch, Insassenschutz / Fahrzeugsicherheit und Prozessentwicklung. Seit Mitte 2011 ist Herr Dr. Basile bei der Spheros GmbH, Hersteller von Heizsystemen, Klimaanlagen und Luken für Omnibusse, als Leiter Entwicklung tätig. 8