Mobilität
Thermische Konditionierung von elektrischen Autobatterien
In Autos existieren eine große Anzahl von thermischen Subsystemen. Mit zunehmender Wichtigkeit und Steigerung des Marktanteils von Hybrid- und Elektrofahrzeugen besteht die Notwendigkeit eines effizienten Wärmeflussmanagements in Autos, da die Verfügbarkeit von Wärme in Elektroautos geringer ist als in Autos mit Verbrennungsmotoren.
Elektrische Batterien müssen thermisch konditioniert werden, wobei eine der Hauptaufgaben darin besteht das Temperaturniveau auf einem bestimmten Level zu halten ohne hauptsächlich Strom aus der Batterie für diesen Zweck zu verwenden. Ein intelligentes thermisches Energiespeichersystem basierend auf Feststoffsorption könnte eine Lösung für dieses Problem sein.
Die Notwendigkeit der thermischen Konditionierung von Autobatterien
Batterien sollten normalerweise in einem mehr oder weniger kleinen Temperaturfenster von ungefähr 20-30°C geladen oder entladen werden. Sobald die Batterie kälter oder wärmer ist als in dem erforderlichen Temperaturfenster, fällt die Lebensdauer dieses Energiespeichers dramatisch.
Im Fall von höheren Temperaturen ist Kühlung erforderlich, die entweder direkt oder durch die Klimaanlage des Autos erfolgt. Aufgrund des zusätzlichen Verbrauchs an elektrischer Energie ist dieser Kühlmodus unter normalen westeuropäischen Bedingungen auf kurze Perioden begrenzt.
Sehr niedrige Temperaturen der Batterie, verursacht vor allem durch das Parken im Freien über Nacht, sind ebenfalls nachteilig für die Batterieleistung und Lebensdauer. Im Fall eines Hybridfahrzeugs kann die Produktion der erforderlichen Wärme für das Aufheizen durch den Verbrennungsmotor erfolgen. Aber im Fall eines Elektrofahrzeugs ist die einzige Quelle für die Batterieheizung die Elektrizität derselben Batterie.
Daher brauchen Elektrofahrzeuge eine intelligente Methode um die Temperatur der Batterie auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten, um dem Besitzer die Möglichkeit zu geben das Auto bei niedrigen Außentemperaturen zu benutzen, auch wenn das Fahrzeug die ganze Nacht im Freien geparkt wurde. Die Möglichkeit, das Temperaturniveau der Batterie auf einem höheren Temperaturniveau zu halten und dadurch die Lebensdauer der Batterie zu verlängern kann zu einer spürbaren Zunahme von Elektrofahrzeugen führen.
Thermische Energiespeicherung zur Konditionierung von elektrischen Autobatterien
Im Tes4seT-Projekt wird ein System zur thermischen Konditionierung von Autobatterien basierend auf einem Feststoff-Sorptionsspeicher entwickelt.
Einerseits kann dieses System durch Abwärme geladen werden, dies wird vor allem in Hybridfahrzeugen genutzt. Andererseits kann das System Wärme und Kälte simultan speichern und bei Bedarf an die elektrische Batterie abgeben.
Sorptionsmaterialien und Komponenten werden entwickelt und getestet und ein System designed, das in einer simulierten Fahrzeugumgebung getestet wird. Numerische Modelle der Wärmeproduktion in den elektrischen Batterien, der Wärmeströme im Speicher und in den Wärmetauscherkomponenten werden entwickelt und validiert um den Design-Prozess zu beschleunigen.
Steuerung der Wärmeabgabe von U-Bahn-Zügen
Die Klimatisierung der Passagierbereiche von U-Bahn-Zügen wurde aufgrund der Herausforderung, ausreichende Kühlkapazitäten in dem begrenzte Raumangebot des existierenden U-Bahn-Zugbestandes unterzubringen, in den letzten Jahren vernachlässigt. Doch die Komfortansprüche der BenutzerInnen steigen und die Notwendigkeit der Klimatisierung der U-Bahnen ist noch immer nicht zufriedenstellend gelöst. State-of-the-art-Klimatisierung in Zügen nutzen den Vorteil der 2-Phasen-Charakteristik der Arbeitsflüssigkeiten (R134a, R407c) und wandeln mechanische oder elektrische Energie in Kühlenergie um. Die entnommene Wärme der zugeführten Luft wird dann wieder in die Umgebung zurückgespeist, in diesem Fall den U-Bahn-Tunnel. Das Klimatisierungssystem des rollenden Bestandes hat einen ungünstigen Effekt auf die Bedingungen im Tunnel, da konventionelle Klimatisierungssysteme Wärme abgeben und daher das Tunnelnetz der U-Bahnen weiter aufwärmen.
Derzeit wird die Wärmeabgabe ins Netzwerk begrenzt und dadurch die Kühlleistung bzw. der Komfort für die NutzerInnen eingeschränkt. Der allmähliche Anstieg der Temperatur im Untergrundnetz sowie die Komfortansprüche der Passagiere erfordern neue Lösungen, die einerseits den Komfort unter verschiedenen Klimabedingungen ermöglichen und andererseits die Temperatur in den Tunnels weder erhöhen noch reduzieren.
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Teillasteffizienz von HVAC-Systemen im Schienenverkehr
Steigende Anforderungen in Bezug auf Komfort für Passagiere und die Vorschriften im Schienenverkehrssektor auf der einen Seite sowie die Notwendigkeit der Kostenreduktion auf der anderen Seite sind mehr als herausfordernde Randbedingungen für ein HVAC-System und die damit befassten Regelungstechniker. Die logische Anwendung wäre die Nutzung von Kompressoren mit variabler Geschwindigkeit um die Komfortanforderungen zu erfüllen. Aufgrund von technischen Einschränkungen wie hoher länderspezifischer Vielfalt der elektrischen Stromversorgung, die Stabilität der elektrischen Netze, spezifischen Anforderungen in
Bezug auf elektromagnetische Kompatibilität (EMC), Themen in Bezug auf Fundamente etc. ist die Implementierung von für Schienenfahrzeuge tauglichen Hochspannungswandlern mit hohen einmaligen sowie hohen periodischen Kosten verbunden. Eine theoretische Analyse zeigte, dass die Kombination von thermischer Energiespeicherung und Standard-HVAC-Systemen (das zusätzliche Gewicht wurde dabei nicht berücksichtigt) den Stromverbrauch signifikant senken würde (bis zu 40 %, abhängig vom Klima).
Das Projekt-Konsortium bündelt die Expertise von Fachleuten für thermische Speicher, thermodynamische Komponenten und Regelungstechnik. Daher bietet das Projektkonsortium optimale Voraussetzungen grundlegende Forschungsarbeit auf dem Gebiet der oben beschriebenen Herausforderungen zu leisten und die Teillasteffizienz von HVAC-Systemen in Schienenverkehrsanwendungen zu verbessern.
Air-Cycle Kühlturbinen
Kühlturbinen arbeiten mit Luft als Kühlmedium und sind daher in Bezug auf die Umweltauswirkungen unbedenklich. Ein Kühlturbinensystem weist in Bezug auf die Lebensdauer der Schienenfahrzeuge (ungefähr 30 Jahre) die geringsten Lebenszykluskosten auf. Kühlturbinen basieren auf dem Prinzip der Expansion von Luft durch eine Turbine und einer damit verbundenen Temperaturabsenkung. Desorption der Luftfeuchtigkeit vor Turbineneintritt steigert die Effizienz eines Kühlturbinensystems aufgrund folgender Effekte signifikant:
• Trockenere Luft am Turbineneintritt macht die Erreichung tieferer Temperaturen ohne Vereisungsgefahr möglich und führt zu geringerem Stromverbrauch bei gleicher Kühlleistung.
• Das am Wärmetauschereingang injizierte Wasser wird aufgrund der trockeneren Prozessluft maximiert und führt dadurch zu höheren Verdampfungsraten und größerer Effizienz des Wärmetauschers.
Dieses Potenzial der Effizienzsteigerung des Kühlsystems wird im Projekt Tes4seT sorgfältig untersucht. Erfahrungen von anderen Mobilitätsanwendungen und Know-how in Bezug auf Speichermaterialien und Speicherkomponenten sorgen für eine gute Basis in Hinblick auf die Erarbeitung relevanter Lösungen und der Weiterentwicklung dieses spezifischen Kühlsystems.