Als Referenzfahrzeug wurde ein am Vorfeld des Stuttgarter Flughafens zum Personentransport eingesetzter batterieelektrischer Bus der Fa. Cobus herangezogen. Die Stuttgarter Flughafen GmbH und die Konvekta AG als renommierter Zulieferer von Klimatisierungssystemen für Busanwendungen begleiteten das Projekt als assoziierte Partner.
Projektziele
- Technologische Weiterentwicklung Thermischer Hochleistungsspeicher für den Einsatz in batterieelektrischen Bussen
- Entwicklung modularer Speicherkonzepte für die Anwendung in batterieelektrischen Bussen
- Entwicklung einer Methodik zur Auslegung Thermischer Hochleistungsspeicher für die Anwendung in batterieelektrischen Bussen
- Untersuchung eines prototypischen Aufbaus eines Thermischen Hochleistungsspeichers in Laborumgebung
- Untersuchung der Potentiale Thermischer Hochleistungsspeicher für die Anwendung in batterieelektrischen Bussen
Zukünftige Fahrzeugkonzepte
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 bei dem Thermomanagement von batterieelektrischen Fahrzeugen, insbesondere Bussen, an kalten Wintertagen. Standardmäßig eingesetzte elektrische Heizelemente oder Wärmepumpen verwerten elektrische Energie aus der Traktionsbatterie, um diese in Wärme zu wandeln. Die damit zum Heizen genutzte Energie geht dem Antrieb verloren, eine Verringerung der Reichweite des Fahrzeugs um bis zu 60 % ist die Folge.
Herausragende Thermische Leistungsfähigkeit
An genau diesem Punkt setzen Wärmespeichersysteme an: der Bereitstellung thermischer Energie durch vergleichsweise kleine, leichte, leistungsstarke und kostengünstige thermische Speichersysteme. In dem Speichersystem MonoTherm® des DLR werden hierfür die sensible Temperaturänderung sowie die im Phasenwechsel gespeicherte Energie des Speichermaterials genutzt. Beim Beladen des Speichermaterials erfolgt eine Erwärmung und Verflüssigung, beim Entladen eine Abkühlung und Erstarrung des Speichermaterials. Zum Einsatz kommt dabei metallisches Phasenwechselmaterial (mPCM) mit Betriebstemperaturen von 100 °C bis 600 °C. Solche, in dieser Anwendung, neuen Speichermaterialien weisen aufgrund ihrer thermophysikalischen Eigenschaften ausgezeichnete thermische Leistungsfähigkeiten bei gleichzeitig hoher spezifischer Speicherkapazität auf. Als potentiell geeignetes mPCM gilt beispielsweise die eutektische Legierung AlSi12, deren technischer Einsatz bereits aus Anwendungen im Gießereibereich oder als Kolbenwerkstoff für Verbrennungsmotoren bekannt ist.
Betriebsstrategie und Potentiale
Angewandt im Elektrobus kann das Wärmespeichersystem MonoTherm® die zentrale Komponente zur Beheizung des Innenraums, wie im Bild exemplarisch für einen Kleinbus dargestellt, bilden. Auch in Kombination mit einer Wärmepumpe könnte ein MonoTherm® – Speichersystem als ergänzendes Heizsystem für niedrige Umgebungstemperaturen oder zur Glättung von Leistungsspitzen gewinnbringend eingesetzt werden. Durch bedarfsgerechte Beladung des Speichers während der Ladung der Traktionsbatterie an der Ladestation wird die Reichweite von Elektrobussen erhöht. Die zusätzliche Möglichkeit zur Rekuperation von Bremsenergie kann die Batterie entlasten und damit die Effizienz der Fahrzeuge steigern. Mit Speicherdichten von bis zu 250 Wh/kg und 500 Wh/l scheinen im Vergleich zu Batterien deutlich kompaktere, leichtere und günstigere Speichersysteme möglich. Darüber hinaus zeichnet sich das Speichersystem MonoTherm® durch den Verzicht auf seltene Rohstoffe sowie eine nahezu vollständige Recycelbarkeit aus.
Zentrale Randbedingung für die Entwicklung eines THS ist der Heizleistungsbedarf des entsprechenden Referenzfahrzeugs. Da bisher keine Daten zum Heizleistungsbedarf der am Stuttgarter Flughafen verwendeten Batteriebusse vorliegen, wurde im Zeitraum von Januar 2019 bis März 2019 ein geeignetes Messsystem im Flughafenbus FB71 installiert. Mit Hilfe von Temperatursensoren an den Kühlmittelleitungen konnte auf den Betriebszustand des verbauten Elektroheizers geschlossen werden. Da dieser im AN/AUS – Modus betrieben wird, lässt sich über die Detektion entsprechender Temperaturanstiege im Kühlmittelvorlauf die zugeführte Heizleistung ermitteln.
Neben den Messungen zur Bestimmung der Heizleistung wurden außerdem die Innenraumtemperaturen in der Fahrerkabine und im Fahrgastraum detektiert sowie eine Positionsmessung via GPS durchgeführt. Hierüber können bei Bedarf weitere Analysen zum Betrieb der Busse durchgeführt werden.
Die Ergebnisse zur Messung des Heizleistungsbedarfes sind im unten gezeigten Diagramm dargestellt. Jeder der im Diagramm aufgetragenen Punkte entspricht der innerhalb einer Stunde im Mittel zugeführten Heizleistung über der Umgebungstemperatur. Die Umgebungstemperaturen stammen aus der Messung der Lufttemperatur des Deutschen Wetterdienstes am Standort Stuttgart Flughafen. Deutlich zu erkennen ist die große Streuung der Heizleistung über der Umgebungstemperatur. Verantwortlich hierfür ist die Varianz einer Vielzahl von Effekten, die Einfluss auf die benötigte Heizleistung haben. Hierzu zählen beispielsweise die Dauer der Türöffnung, die Solarstrahlung, die im Führerhaus gewünschte Temperatur, Windgeschwindigkeiten, beförderte Passagierzahl, etc.
Positionspapier
Um auf die Herausforderungen bei der Beheizung batterieelektrischer Busse aufmerksam zu machen, hat das DLR zusammen mit verschiedenen Partnern ein Positionspapier erstellt. Beteiligt hieran sind die Konvekta AG, das ZAE Bayern sowie die Hannoverschen Verkehrsbetriebe ÜSTRA. Das Positionspapier kann im Downloadbereich heruntergeladen werden.
Assoziierte Projektpartner
- Konvekta AG
- Flughafen Stuttgart GmbH