Thermische Hochleistungsspeicher für Fahrzeuganwendungen
Thermische Hochleistungsspeicher für Fahrzeuganwendungen
Eine bekannte Problematik von batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen (insbesondere Busse und Züge) ist die reduzierte Reichweite in Wintermonaten. Der Einsatz von Wärmespeichern stellt hier einen attraktiven Lösungsansatz dar, den Heizwärmebedarf der Fahrzeugkabine zu decken und damit die Reichweite im Winter zu erhöhen.
Am DLR in Stuttgart wird daher erstmalig der Fahrzeugeinsatz sogenannter thermische Hochleistungsspeicher unter Verwendung metallischer Phasenwechselmaterialien (mPCM) am Institut für Fahrzeugkonzepte untersucht.
Straßen- und Schienenfahrzeuge der Zukunft werden teil- bzw. vollelektrifizierte Antriebskonzepte aufweisen. Im Vergleich zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen steht dabei vergleichsweise nur noch wenig Abwärme zu Klimatisierungs- und Temperierungszwecken zur Verfügung. Dieser Mangel an Abwärme bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an Effizienz und Komfort stellt große Anforderungen an zukünftige Thermomanagement-Systeme. Besonders deutlich wird dies beim Thermomanagement von vollelektrifizierten Fahrzeugen an kalten Wintertagen. Standardmäßig eingesetzte elektrische Heizsysteme (elektrischer Heizer, Wärmepumpe) verwerten elektrische Energie aus der Traktionsbatterie, um diese in Wärme umzuwandeln. Die damit zum Heizen genutzte Energie geht dem Antrieb verloren, eine Verringerung der Reichweite des Fahrzeugs um bis zu 50 Prozent ist die Folge.
Metallische Latentwärmespeicher
Metallisches Phasenwechselmaterial (mPCM) während des Aufschmelzvorgangs
An genau diesem Punkt setzen Wärmespeichersysteme an: der Bereitstellung thermischer Energie durch vergleichsweise kleine, leichte, leistungsstarke und kostengünstige thermische Speichersysteme. In den vom DLR entwickelten Speichersystemen werden hierfür die sensible Temperaturänderung sowie die im Phasenwechsel gespeicherte Energie des Speichermaterials genutzt. Beim Beladen des Speichers erfolgt eine Erwärmung und Verflüssigung, beim Entladen eine Abkühlung und Erstarrung des Speichermaterials. Eine intelligente und bedarfsgerechte Beladung kann dabei parallel zur Ladung der Traktionsbatterie vor Fahrtbeginn an der Ladestation erfolgen. Die bei der späteren Entladung freigesetzte Wärme kann dem Innenraum zur Verfügung gestellt werden.
Als Speichermaterialien kommen Metalle zum Einsatz. Sie zeichnen sich im Vergleich zu anderen Phasenwechselmaterialien vor allem durch hohe Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch große Be- und Entladeleistungen möglich sind, was in kurzen Ladezeiten und hohen Heizleistungen resultiert. Hohe Energiedichte und spezifische Energiemengen kommen zudem einer kleinen und leichten Bauweise zugute.
Die Kompetenzen am DLR umfassen eine ganzheitliche Entwicklung, angefangen beim Speichermaterial bis hin zum fahrzeuggerechten Gesamtsystem. In Kooperation mit anderen DLR-Instituten bietet das Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart damit eine breite Basis und fungiert als starker Entwicklungspartner für die Industrie.
