Elektromobilität, Thermomanagement für Elektrobusse Zoom

Thermomanagement für Elektrobusse: Wärmepumpe für den Bus

Die knappe Reichweite von Batterie-elektrisch betriebenen Bussen ist das eine. Eine weitere Herausforderung ist deren Klimatisierung und Beheizung.

Hybrid- und Elektrobusse liegen im Trend. Sie gelten als mögliche Lösung, wenn es darum geht, den Personennahverkehr schadstoffarm oder gar schadstofffrei zu bewältigen. Bis diese Fahrzeuge in vollem Umfang praxistauglich sind, gilt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Die meisten davon lassen sich auf ein Bauteil zurückführen: die Batterie.

Stromspeicher an Bord sind knapp bemessen

Der Stromvorrat des Energiespeichers ist grundsätzlich knapp bemessen und resultiert aus dem Kompromiss zwischen Kapazität auf der einen, Kosten und Gewicht auf der anderen Seite. Während die knappe Reichweite im emissionsfreien Fahrbetrieb das offensichtlichste Resultat der Zugeständnisse ist, steckt der Teufel noch dazu im Detail – nämlich dort, wo geeignete Klimatisierungslösungen für Elektro- und Hybrid-Omnibusse gesucht werden.

"Die Energieversorgung des Gesamtfahrzeugs einschließlich aller Nebenverbraucher ist eine zentrale Herausforderung der Elektromobilität", erklärt Dr. Robert Basile, Leiter Forschung und Entwicklung bei Spheros. Dabei geht es ihm nicht um die Elektrifizierung der Nebenaggregate, sondern um deren Stromhunger. Die Nebenaggregate bedienen sich wie der Fahrantrieb am Energievorrat der Batterien, knapsen also an der ohnehin dürftigen Reichweite des Fahrzeugs.

Hinzu kommt, dass Elektrobusse kaum Abwärme produzieren, die sich für die Beheizung des Innenraumes verwenden ließe. "Die Elektromobilität erfordert also zum einen höchst effiziente Nebenverbraucher, zum anderen müssen Wärmeverluste im Fahrzeug vermieden werden", erklärt Basile. Etwa durch optimierte Fahrzeugisolierungen und Verglasungen sowie durch den Einsatz neuer Materialien, die eine möglichst geringe spezifische Wärmekapazität aufweisen. Auch müssten geeignete Heiz- und Abkühlstrategien entwickelt werden. Am besten innerhalb eines ganzheitlichen und lastsynchronen Thermomanagements.

Zum Vorheizen an die externe Steckdose

Das bedeutet, dass die Hersteller solcher Klimasysteme die einzelnen Betriebszustände der Fahrzeuge analysieren müssen. Basile verdeutlicht es am Beispiel der Fahrzeugheizung: "Hier lassen sich zwei verschiedene Betriebszustände unterscheiden. Das Vorheizen zu Beginn des Fahrbetriebs und das Zuheizen während der Fahrt." Weil der Energiebedarf während des Vorheizens deutlich höher ist, lässt sich hier am besten eine Off-board-Lösung einsetzen, also eine Heizung, die ihren Energiehunger nicht an der Traktionsbatterie stillt, sondern an der Energieversorgung des Betriebshofs. Sprich: an einer Steckdose.

Der Energiebedarf während der Fahrt ergibt sich neben den Wärmeverlusten über Fenster und Fahrzeugwände vor allem aus dem Aufwärmen der zugeführten kalten Frischluft. Selbst im Winter wird häufig 100 Prozent trockene Frischluft zugeführt – nicht nur wegen der Hygiene, sondern auch weil die Scheiben sonst schnell beschlagen würden, was den Heizbedarf nach oben schraubt. Um den Energiebedarf dennoch so klein wie möglich zu halten, ließen sich CO2-Gehalt und Luftfeuchte der Innenraumluft messen, um die Belüftungsstrategie bedarfsgerecht anzupassen.

Im Sommer unterstützen Solarzellen

Und im Sommer können während des Fahrzeugstillstands laut Basile solarbetriebene Belüftungsaggregate zum Einsatz kommen, um die Batterie zu entlasten, sodass die Innenraumtemperatur bis zum Fahrtbeginn nicht übermäßig ansteigt und später durch die Klimaanlage heruntergekühlt werden muss. "Der hohe Klimakomfort, den etwa ein Dieselbus bietet, ist in der Praxis nicht vollständig nötig", argumentiert er.

Eine weitere Herausforderung ist die Klimatisierung der Lithium-Ionen-Batterien, deren ideale Betriebstemperatur zwischen 20 und 30 Grad liegt. Sie müssen schon nach kurzer Betriebszeit gekühlt werden. Laut dem Spheros-Experten ist es dazu sinnvoll, das entsprechende Kühlsystem in den Kältekreislauf der Klimaanlage einzubinden.

Dazu sind ein elektrischer Verdichter, Kondensator und Verdampfer mit Gebläse sowie ein Expansionsventil nötig. Die Batteriekühlung lasse sich über einen Plattenwärmetauscher anbinden. Hinzu kommt ein Außenwärmetauscher, sodass bei tieferen Umgebungstemperaturen die Klimaanlage nicht die Batterie kühlen muss, sondern allein die Umgebungsluft dafür ausreicht.

Unter sieben Grad brauchen Wärmepumpen Zuheizer

Lässt sich der Kreislauf noch dazu umkehren, funktioniert das System wie eine Luftwärmepumpe, wie sie in Energiespar-Häusern eingesetzt wird. Diese Pumpe dient dann dazu, den Innenraum energiesparend zu beheizen.

Sinken aber die Umgebungstemperaturen unter sieben Grad Celsius, fällt der thermische Wirkungsgrad der Wärmepumpe ab. Dann muss – wie in Häusern auch – elektrisch zugeheizt werden. Auch die Kondensatoren drohen unter diesen Bedingungen zu vereisen. Es braucht also eine Abtauvorrichtung, die technisch sehr aufwendig ist. "Die Wärmepumpe allein ist also nicht ausreichend für den Einsatz im Bus", erklärt Basile. Die passende Ergänzung sei beispielsweise die elektrische Wasserheizung Thermo AC/DC von Spheros (20 kW Heizleistung), die sich mit Strom aus der Batterie oder auch aus der Steckdose versorgen lässt, also mit Gleich- und Wechselstrom arbeitet.

Eine weitere Alternative ist Thermo S (16 bis 40 kW Heizleistung). Das Gerät verbraucht allerdings einen Brennstoff, somit ist das Fahrzeug nicht mehr emissionsfrei unterwegs. Bei einer konsequenten Auslegung des Thermomanagements erwartet Basile ein Einsparpotenzial von bis zu 45 Prozent des Energieverbrauchs. Allein die Reduzierung der Energieverluste und die Effizienzoptimierung aller Nebenaggregate sollen schon 20 Prozent möglich machen.

Hybridlösungen kosten Geld und Nutzlast

Wie gut elektrische Anlagen funktionieren, davon können sich Fahrgäste und Busbetreiber schon einen Eindruck machen. Die elektrisch betriebene Aufdachklimaanlage Revo-E kommt in den Volvo-Hybridbussen der Baureihe 7900 zum Einsatz. Weitere Gespräche laufen laut dem Entwicklungsleiter mit chinesischen Busherstellern. Doch Basile bleibt realistisch: "Es wäre schön, wenn wir mit Anlagen für Hybridfahrzeuge fünf bis zehn Prozent unseres Umsatzes erzielen könnten." Aber das sei noch Zukunftsmusik.

Und damit ist die Frage nach den Kosten und nach dem zusätzlichen Gewicht noch lange nicht beantwortet. Schon für das Thermo-H-Hybridheizgerät, das mit fossilen Brennstoffen und elektrischer Energie betrieben werden kann – veranschlagt Basile den doppelten Preis sowie ein Drittel Mehrgewicht. Geld, Zuladung beziehungsweise Passagierplätze und Batteriekapazität – von alledem gibt es derzeit aber gerade im Busgeschäft zu wenig.

Eine für alles

Spheros Body Interface (SBI) nennt sich ein Produktkonzept von Spheros. Damit will das Unternehmen seine Rolle als Entwicklungspartner für Fahrzeugelektronik und Komplettsteuerung ausbauen. Mit dem SBI, einem Dreh- und Drücksteller, wie er ähnlich im Oberklasse-Pkw verwendet wird, allerdings ohne Klimasteuerung, soll sich nicht nur die Klimatechnik regeln lassen, sondern auch allerlei andere wichtige Systeme in Reise- und Überlandbussen wie Multimedia, Innenbeleuchtung und Navigation.

Hinzu kommen Direktwahltasten sowie Menüführung im Display, optional ist ein 4,3-Zoll-Display mit Touchscreen verfügbar. Auch eine Integration in bestehende Zentralanzeigen soll möglich sein. Das System soll den Fahrer deutlich entlasten. Das Interesse der Bushersteller ist laut Basile groß. Aktuell existiert ein Prototyp, der nächstes Jahr in die Kundenerprobung gehen soll. Weil sich im SBI viele Funktionen einbinden lassen, die bislang einzelne Bedienelemente erfordern, soll SBI nicht zwangsläufig teurer als verfügbare Alternativen geraten.

Die Suche nach dem geeigneten Kältemittel

Spheros ist kein Hersteller von Kältemittel, doch die Diskussion um einen Betriebsstoff, der zugleich einen effizienten und umweltverträglichen Betrieb der Klimaanlage erlaubt, hinterlässt auch beim Münchner Unternehmen seine Spuren. "Anlagen mit CO2 als Kältemittel laufen in der Prüfstandserprobung", erklärt Basile. Bei elektrischen Anlagen etwa für Hybridfahrzeuge ist der Verdichter hermetisch abgeschottet, also dicht. Denn dort kommt ein elektrischer Antrieb zum Einsatz, der sich kapseln lässt.

Dort sieht Basile Chancen für den Einsatz von CO2. Bei herkömmlichen Anlagen entweicht dieses Kühlmittel wegen der nötigen mechanischen Verbindung über die Gleitringdichtung. Der Kältemittelfüllstand sinkt, die Effizienz der Anlage und damit der gewünschte entlastende Effekt für die Umwelt sind dahin. "Aktuelle Generationen von CO2-Klimaanlagen sind sehr wartungsintensiv und damit nicht serienreif", kritisiert er. Andere Alternativen zu dem noch gängigen Kältemittel R134a wiederum sind brennbar oder ineffizient und deshalb seiner Meinung nach nicht geeignet. Es sind hier also noch einige Fragen ungeklärt.

Thomas Rosenberger lastauto omnibus Chefredakteur

Autor

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Volvo

Datum

15. Mai 2014
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