Steigerung der Reichweite und des Komforts im brennstoffzellenbetriebenen Schienenverkehr

Gemeinsam mit seinen Partnern, der Hörmann Vehicle Engineering GmbH, der Wärmetauscher Sachsen GmbH sowie dem Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH arbeitet das Institut an einem neuen Ansatz in der Abwärmenutzung für die Fahrzeugklimatisierung.

Zentraler Gedanke des Ansatzes ist eine effektive Verwertung der Brennstoffzellen-Abwärme für die Temperierung des Fahrzeuginnenraumes. Damit soll die Mindestreichweite von Brennstoffzellen-Triebzügen um 20 % erhöht werden. Gleichzeitig soll der Komfort der Reisenden dabei sowohl aus thermischer als auch aus akustischer Sicht gesteigert werden.

Ziel ist es, sowohl Heizwärme als auch Klimakälte durch die Abwärme der Brennstoffzelle zu decken. Damit kann sogar im Sommerbetrieb die Abwärme für die Innenraum–Klimatisierung genutzt werden, indem eine Absorptionswärmepumpe zur Erzeugung der Klimakälte mit der Abwärme der Brennstoffzelle versorgt wird.

Im Ergebnis kann der Strom der Brennstoffzelle konzentriert für den Vortrieb genutzt werden und muss nicht für die Klimatisierung eingesetzt werden. Heutige Fahrzeuge benötigen im Gegensatz dazu bis zu 25 % des Gesamtenergiebedarfs für die Klimatisierung von Fahrgastraum und Fahrerstand. Die effiziente Nutzung der vorhandenen Brennstoffzellenabwärme ist ein wesentlicher Einflussfaktor für die Erhöhung der Reichweite.

Das Kompetenzzentrum Energie und Thermisches Management am Fraunhofer IFAM Dresden bringt sowohl sein Know-how zu werkstoffwissenschaftlichen Zusammenhängen als auch zur wärme- und strömungstechnischen Entwicklung der Komponenten in das Projekt „Heat2Comfort“ ein. Ergänzend kommen umfangreiche Erfahrungen bei der mathematischen Modellierung sowie experimentellen Validierung von Strömungs-, Wärme- und Stofftransportvorgängen hinzu.

Konkret beschäftigen sich die Forschenden innerhalb des Projekts mit der Kopplung der Wärmequelle, also der Brennstoffzelle, mit den verschiedenen Wärmenutzungen in Form von Absorptionskältemaschine und Raumheizung. Dies erfolgt über PCM-Speicher, in denen Faserstrukturen zur Anpassung der Speicherleistung eingesetzt werden.

So wurde ein PCM-Speicher mit einer zellularen metallischen Struktur für eine verbesserte Wärmeleitung konzipiert, der zwei getrennte Fluidkreisläufe enthält. Einerseits einen heißen Fluidkreislauf, der der Abwärme der Brennstoffzelle entspricht, andererseits einen kalten Fluidkreislauf, der dem der thermisch aktivierten Innenraumkomponenten gleichkommt. So kann die Funktionsweise im Zug nachgewiesen sowie der Einfluss unterschiedlicher Bauweisen und Anschlussarten untersucht werden.

Außerdem wird die thermische Aktivierung von Innenraumflächen und anderen Einbauten wie Tisch- und Sitzkonstruktionen betrachtet. Um die richtige Wahl von Decken- und Fußbodenelementen treffen zu können, werden numerische Simulationsmodelle in 2D und 3D erstellt. Damit lässt sich die thermische Beschaffenheit verschiedener Elemente z. B.  bzgl. der Systemträgheit, Oberflächentemperaturen und Wärmeströme betrachten. So können Aufbau und Materialien optimal ausgewählt werden.

Die langjährige Expertise am Fraunhofer IFAM Dresden im Bereich zellularer metallischer Werkstoffe kommt auch bei Optimierung der Temperaturverteilung an den Oberflächen zugute. So werden beispielsweise Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt „Hybrid-FHKL“ verwertet, in dem hybride Heiz- und Kühlflächen mit Raumluftkonditionierung für die Gebäudetechnik entwickelt und untersucht wurden. Die Verwendung zellularer Metalle zur Erzeugung uniformer Oberflächentemperaturen war dabei eine zentrale Frage, die auch in „Heat2Comfort“ relevant ist.

Am Fraunhofer IFAM Dresden werden darüber hinaus Simulationen von Energieflüssen, des Speicherverhaltens sowie zur Auslegung zellularer metallischer Werkstoffe für thermische Bauteilaktivierung durchgeführt.

>> Download Pressemitteilung des Fraunhofer IFAM vom 21.09.2022