Heat2Comfort – Abwärme-basierte Klimatisierung von Brennstoffzellen-Triebzügen

Die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs umfasst neben der Elektrifizierung insbesondere für die nicht elektrifizierbaren Regionalverbindungen auch den Einsatz von alternativen Antrieben wie z.B. Brennstoffzellen.

Im Verbundvorhaben „Heat2Comfort“ soll durch einen neuen Ansatz in der Abwärmenutzung für die Fahrzeugklimatisierung die Mindestreichweite von Brennstoffzellen-Triebzügen um 20 % erhöht werden. Der Komfort der Reisenden soll dabei sowohl aus thermischer als auch aus akustischer Sicht gesteigert werden. Zentraler Gedanke dieses neuen Ansatzes ist eine effektive Verwertung der Brennstoffzellen-Abwärme für die Temperierung des Fahrzeuginnenraumes. Für einen möglichst hohen Nutzungsgrad der Abwärme soll bei diesem aus komplexen Abhängigkeiten bestehenden System eine prädiktive und lernfähige Klimatisierungsregelung implementiert werden.

Darauf aufbauend lässt sich erstmals das für Schienenfahrzeuge neue Konzept mediengespeister thermischer Aktivierung verwenden. Das Aufheizen des Mediums über den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle ermöglicht warme Oberflächen im Winterbetrieb unter äußerst geringer Zufuhr elektrischer Energie. Ein weiteres Novum ist das Abkühlen des Mediums und somit der thermisch aktiven Komponenten im Sommerbetrieb durch eine Absorptionskältemaschine. Der Antrieb für die Kältebereitstellung erfolgt bei dieser Anlage ebenfalls über den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle, wodurch auch im Sommerbetrieb die Abwärme für die Innenraum-Klimatisierung genutzt werden kann. Zudem benötigt diese Anlage keinen Kältekompressor, woraus ein wesentlich leiserer Betrieb resultiert.

Thermisch aktive Komponenten des Innenausbaus (TAIKs) ermöglichen signifikante Energiespareffekte bei gleichzeitiger Gewährleistung eines hohen thermischen Komforts. Die Verwendung von innovativen, zellular metallischen Werkstoffen (ZMW, Metallfaserstrukturen) soll eine gleichmäßige und schnelle Temperaturverteilung auf der Oberfläche zum Abteil ermöglichen.

Die Arbeiten am Fraunhofer IFAM Dresden umfassen dabei die thermische Untersuchung verschiedener TAIK-Varianten (u.a. Fußbodenelemente und Deckenelemente) und die Auslegung mithilfe numerischer Simulation sowie den Aufbau mehrerer TAIK-Elemente zur Durchführung von Behaglichkeitsversuchen in einem Mock-Up.

Die Brennstoffzelle dient als primäres Energiewandlungssystem des Fahrzeugs für Traktion und Nebenbetriebe. Die Bereitstellung der Abwärme kann somit nicht primär auf den Wärmebedarf der Klimatisierung abgestimmt werden, weshalb die Einbindung eines thermischen Speichers notwendig ist, z.B. um Stillstandzeiten des Zugs an Haltestellen zu überbrücken. Ein neuartiger Ansatz hierfür ist die Integration eines Latentwärmespeichers in einen Wärmeübertrager ähnlich einer hydraulischen Weiche als thermische Weiche, die eine hohe Übertragungsleistung bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität und geringer Bauraumanforderung ermöglicht.

Die Arbeiten am Fraunhofer IFAM Dresden umfassen dabei die Entwicklung einer solchen thermischen Weiche unter Verwendung von innovativen, zellular metallischen Werkstoffen (Metallfaserstrukturen), die Auswahl des Speichermaterials, die numerische Untersuchung des Wärmeübertragungsverhaltens sowie den Aufbau und die experimentelle Charakterisierung eines Demonstrators.