Machbarkeitsstudie und Entwurf für eine Systemauslegung für einen Latentwärmespeicher für Batterieelektrische Schienenfahrzeuge

Kurzfassung

Die Effizienz und Reichweite batterieelektrischer Schienenfahrzeuge ist maßgeblich von dem Entwicklungsstand der verwendeten Batterien und der Batteriekapazität abhängig. Die hier betrachteten Lithium-Ionen-Batterien werden auf einem Referenzzug in Deutschland eingesetzt und sind für jeglichen Energiebedarf im oberleitungsfreien Betrieb verantwortlich. Im Rahmen dieser Masterarbeit soll untersucht werden, ob Thermische Hochleistungsspeicher, auch Latentwärmespeicher (LWS), auf Basis metallischer Phasenwechselmaterialien, in Batteriezügen eingesetzt werden können und welche Faktoren dabei zu beachten sind. Das Ziel des Einsatzes ist die Entlastung der Batterien durch die energetisch und zeitlich entkoppelte Bereitstellung der benötigten Heizenergie. Zuerst wird eine Übersicht über Energiespeichertechnologien gegeben und dabei auf Schienenfahrzeuge referenziert. Aktuelle Einsatzmöglichkeiten von Latentwärmespeichern zeigen den Stand der Technik. Mithilfe der Randbedingungen aus einem realen Betriebsszenario und Simulationsmodellen des Deutschen Zentrums für Luftund Raumfahrt e.V. (DLR) in Dymola wird ein thermisches Simulationsmodell erstellt, welches zur Simulation des Energiebedarfs der Klimatisierung im Referenzzug sowie der Auslegung der Latentwärmespeicher dient. Für die Untersuchung der Machbarkeit werden verschiedene Einsatzszenarien definiert und bezüglich ihres Energieeinsparpotentials und ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen. Die ganzheitlichen Simulationsberechnungen erfolgen in Matlab R2020b. Es stellt sich heraus, dass die Wirtschaftlichkeit im Wesentlichen von den anfallenden Batteriekosten über den Betrachtungszeitraum abhängig ist. Durch den Einsatz von LWS ist eine Entlastung des Batteriesystems, damit eine Erhöhung der Batterielebensdauer, sowie eine Reduzierung der Batteriekapazität möglich. Letzteres ist das wirtschaftlichere Szenario von beiden. Der Aus- und Wiedereinbau von LWS ist energetisch, jedoch nicht ökonomisch von Vorteil. Ein reines Erhöhen der Batteriekapazität ist weder energetisch noch wirtschaftlich zu empfehlen.