Heizen und Klimatisieren von batterieelektrischen Stadtbussen durch umschaltbare R744-Wärmepumpenmodule

Stadtbusse weisen einen relativ hohen Energiebedarf zum Heizen und Klimatisieren des Fahrgastraums gegenüber anderen Fahrzeugarten wie Pkws oder Lkws auf, wofür die vergleichsweise große Außenfläche und die häufigen Türöffnungen ursächlich sind. Bei aktuellen batterieelektrischen Stadtbussen mit einem elektrischen Heizer reduziert sich an kalten Tagen mit Umgebungstemperaturen unter 0 °C die Fahrreichweite um etwa 50 %. Eine Wärmepumpe kann die Fahrreichweite in diesen Fällen deutlich erhöhen, wobei die derzeit eingesetzten Kältemittel R134a und R1234yf eine eingeschränkte Heizeffizienz aufweisen und darüber hinaus aus ökologischen Gründen umstritten sind. Mit dem natürlichen Kältemittel R744 (Kohlenstoffdioxid, CO2) werden diese Defizite aufgehoben.
Ein modulares Wärmepumpen- und Klimaanlagensystem ermöglicht in einem Stadtbus die Verwendung von Pkw-Komponenten. Die Anzahl der Module kann bei den lokal begrenzten Einsatzgebieten von Stadtbussen an die jeweiligen Kundenbedürfnisse und klimatischen Bedingungen angepasst werden. Durch Skaleneffekte der Komponenten aus der Pkw-Produktion ist zudem von einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit auszugehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden autarke, umschaltbare R744-Wärmepumpenmodule für Stadtbusse auf Basis von Pkw-Komponenten hinsichtlich der optimalen Modulanzahl und der Energieeffizienz wissenschaftlich untersucht. Bisher liegen keine wissenschaftlichen Untersuchungen zu modularen Konzepten in der Fahrzeugklimatisierung vor. Darüber hinaus werden die Heiz- und Kühlbedarfe des Innenraums bei realitätsnahen Einsatzszenarien analysiert und daraus Minimalanforderungen für batterieelektrische Stadtbusse abgeleitet. Diese Ergebnisse werden zur Bewertung der R744-Module herangezogen. Mit dem konzipierten Prototypen eines R744-Moduls wird die Funktionsfähigkeit nachgewiesen und Messungen zur Validierung eines Simulationsmodells durchgeführt. Das Simulationsmodell des R744-Prototypenmoduls liefert eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten. Im Modell werden anschließend weitere Optimierungsmaßnahmen umgesetzt und darauf aufbauend die Maximalleistungen ermittelt sowie eine energieeffiziente Regelungsstrategie hergeleitet. Die Simulationsuntersuchungen haben gezeigt, dass im Heizfall bei geringen Lasten die aktive Anzahl an Modulen zugunsten eines energieeffizienteren Betriebs zu reduzieren sind, während im Kühlfall alle Module zu betreiben sind. In den Referenzstädten München, Stockholm, Ankara und Dubai sind drei Module zum Heizen und Kühlen eines charakteristischen Stadtbus-Innenraums für ein typisches Betriebsjahr erforderlich. Für Granada werden zwei Module und für Moskau vier Module benötigt. Die Fahrreichweite eines batterieelektrischen Stadtbusses kann im Heizfall bei -15 °C Umgebungstemperatur mit drei R744-Modulen um bis zu 52 % gegenüber einer R134a-Wärmepumpe mit elektrischem Heizer erhöht werden. Im Jahresenergievergleich dieser Technologien werden in den genannten gemäßigten bis kalten Referenzstädten 25 % des elektrischen Stroms zum Heizen und Klimatisieren und somit entsprechend Treibhausgas-Emissionen eingespart. Die vorgestellten R744-Wärmepumpenmodule auf Basis von Pkw-Komponenten stellen eine mögliche Schlüsseltechnologie zur Effizienzsteigerung und Verbreitung von batterieelektrischen Stadtbussen für einen Großteil der weltweiten urbanen Klimaregionen dar.