Energiebilanzen beim wärmegeführten Einsatz einer Kraftwärme/-kältkopplung zur Klimatisierung von Elektrofahrzeugen

Schmicke, Christian Richard Peter GND

Die Problematik der aktuell batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge liegt in der geringen Reichweite, einem geringen Fahrtgastkomfort, sowie den langen Ladezeiten und einer nicht ausreichenden Ladeinfrastruktur. Diese Tatsachen stellen für die Nutzer eine Hürde für den Umstieg zu batteriebetriebenen Fahrzeugen dar. Eine schon heute verfügbare Brückentechnologie ist der Range Extender. Diese, meist im Fahrzeug integrierten Einheiten, liefern zusätzliche Reichweite, bei einer elektrischen Leistung von meist über 15 kWel und einem durchschnittlichen Anlagenwirkungsgrad von Ƞ RE ≈ 29 %. In dieser Arbeit wird ein modulares Konzept eines erweiterten Range Extenders untersucht, welches die Funktion der Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Kälte-Kopplung nutzt. Diese Hilfseinheit soll zum einen den Nachteil der geringen Reichweite aufgrund der eingeschränkten Batteriekapazitäten, zum anderen den geringen thermischen Innenraumkomfort von batteriebetriebenen Fahrzeugen ausgleichen. Das Konzept einer Kraftwärme/-kältekopplung zur Klimatisierung von BEV wird in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe eines Versuchsaufbaus messtechnisch und theoretisch mittels Simulation untersucht, sowie anhand der ermittelten Kennfelder beurteilt. Die Simulation basiert dabei auf empirisch ermittelten Daten. In den gewählten Fahrzeugklassen Kleinstwagen, Kompakt- und Mittelklasse wird der mittlere Gesamtwirkungsgrad der Anlagenkomponenten in Abhängigkeit von Klimadaten (Wetterdaten) bestimmt. Dieser ermittelte Wirkungsgrad ist abhängig von äußeren thermischen Anforderungen und der Ausnutzung der Anlagenkomponenten. Der modulierbare Leistungsbereich des mikro Blockheizkraftwerks mit Kraft-Kälte-Kopplung hat zum Heizen einen thermischen Leistungsbereich von 5,7 – 13,0 kWthh. Der mechanische Leistungsbereich von 2,0 - 14,5 kWme wird in zwei Bereiche aufgeteilt. Zur Kühlung wird ein thermischer Bereich von 1,0 – 7,0 kWthk und zur elektrischen Stromerzeugung ein Leistungsbereich von 1,0 – 6,0 kWel verwendet. Basierend auf den in dieser Arbeit experimentell ermittelten Kennfeldern, die unter Berücksichtigung der lokalen klimatischen Bedingungen in Deutschland berechnet wurden, kann der Anlagenwirkungsgrad für Kleinstwagen mit Ƞ Kl = 58,9 ± 3,5 %, für die Kompaktklasse mit Ƞ Ko = 62,2 ± 5,5 % und für die Mittelklasse mit durchschnittlich Ƞ Mk = 65,2 ± 4,8 % ermittelt werden. Die zusätzlich gewonnenen Reichweiten, die durch Einsparung von batterieelektrischer Energie für die Klimatisierung und durch Einspeisung von erzeugter elektrischer Energie erreicht werden, liegen bei den Kleinstwagen bei 246 ± 31 km, in der Kompaktklasse bei 296 ± 103 km und in der Mittelklasse bei 314 ± 104 km. Eine Abtrennung des Klimakompressors von der Verbrennungskraftmaschine führt dabei zusätzlich zu einer teilweisen Verbesserung der ermittelten Werte. Im Vergleich dazu, lässt sich ein durchschnittlicher Reichweitenzuwachs von 103 km, ohne den Einsatz eines Kraftstoffes, nur durch Nutzung eines effizienteren Systems erreichen, wenn eine Wärmepumpe eingesetzt wird. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Einsatz der Kraftwärme -Kältekopplung zur Klimatisierung von Elektrofahrzeugen nachhaltig und sinnvoller erscheint, als der Einsatz eines konventionellen Range Extender, denn der Einsatz eines zusätzlichen Kraftstoffes sollte so effizient wie möglich genutzt werden.

Short distances, a low comfort and a long loading time of the battery as well as a still insufficient infrastructure for recharging of the battery-electric vehicle (BEV) are actual problems and pose challenges to switch to electric vehicles. In order to fill the gap between BEV and combustion driven vehicles range extenders are an already available technology. Range extenders provide an extended range and the electrical performance rate often exceed 15 kWel as well as an average efficiency of Ƞ RE ≈ 29 % and are often integrated into BEV. The present study examines a novel modular range extender concept utilizing cogeneration of heat and power as well as cold and power, which can be classified as a micro-combined heat and power unit with cold-and-power-cogeneration. This auxiliary device aims to compensate the disadvantages of a lower range, caused by low battery capacity, as well as the low thermal comfort in BEV. This novel concept will be analysed in the present study using an experimental test setup and will be investigated theoretically using a simulation tool in order to assess the merit of the concept through determined characteristic diagrams. The simulation is based on empirically determined data. The average overall efficiency of the concept will be determined in terms of meteorological data for the vehicle classes of microcars, compact and midsize cars. This study aimed in investigating the overall efficiency of the system and the question whether the efficiency is dependent on external thermal requirements and the utilization of the single plant components. The adjustable power range of the micro-combined heat and power unit with cold and power cogeneration is 5.7 – 13.0 kWthh for heating. The range for mechanical power is between 2.0 - 14.5 kWme and used to generate 1.0 – 7.0 kWthk for cooling. The electrical power for battery loading is between 1.0 – 6.0 kWel. Based on the determined characteristic diagrams, which were created in consideration of the local climate in Germany, the average plant efficiency was Ƞ Kl = 58.9 ± 3.5 % for microcars, Ƞ Ko = 62.2 ± 5.5 % for compact cars and Ƞ Mk = 65.2 ± 4.8 % for midsize cars. The average gained ranges achieved by cutbacks of battery-electric power are used for air-conditioning and supply with generated electric power, were 246 ± 31 km for microcars, 296 ± 103 km for compact cars and 314 ± 104 km for midsize cars. Decoupling the air-conditioning compressor from the internal combustion engine leads to partial improvement of the efficiency. In conclusion, the usage of a micro-combined-heat-and-power unit with cogeneration of cold and power in battery-electric vehicles to bridge the gap between BEV and combustion driven vehicles seems sustainable and reasonable in comparison to the usage of conventional range extenders. The usage of additional fuel should be as efficient as possible.

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Schmicke, Christian: Energiebilanzen beim wärmegeführten Einsatz einer Kraftwärme/-kältkopplung zur Klimatisierung von Elektrofahrzeugen. Clausthal 2020.

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