Modellierung und Simulation des Energiebedarfs von Wärmepumpen in Batteriezügen zur Bewertung der Kosten- und Energieeffizienz

Abstract

Zu Beginn der Arbeit werden zunächst die physikalischen Grundlagen betrachtet, welche für die Erstellung des Modells relevant sind. Dabei wird insbesondere auf die thermodynamischen Kreisprozesse von Kältemaschinen und Wärmepumpen eingegangen. Anschließend wird auf den aktuellen Stand der Technik für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen mit besonderem Fokus auf den Einsatz von Wärmepumpen eingegangen. Dabei werden verschiedene Kältemittel diskutiert, die für die Klimatisierung eingesetzt werden können. Ebenfalls werden die normativen Anforderungen für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen dargestellt, welche die Rahmenbedingungen für die anschließend durchgeführte Modellierung bilden. Basierend auf dem bereits bestehenden Modell werden die COP-Kennlinien für die in der Arbeit betrachteten Kältemittel modelliert. Dabei werden zusätzlich die physikalischen Grundlagen und die normativen Anforderungen beachtet. Die modellierten Kennlinien wird anschließend in das bestehenden Simulationsmodell integriert und beeinflussen den simulierten elektrischen Energiebedarf des HVAC-Systems. Um ableiten zu können, wie das HVAC-System in dem simulierten Schienenfahrzeug gestaltet sein muss, werden Simulationen unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Dazu gehören die definierten Betriebspunkte, welche unterschiedliche Umgebungsbedingungen aufweisen. Der aus den Simulationen berechnete elektrische Energiebedarf wird für die Analyse der verschiedenen HVAC-Systeme verwendet. Es werden für alle betrachteten Kältemittel und den Widerstandsheizer alle normativen Betriebspunkte für eine Strecke simuliert. Aus dem simulierten elektrischen Energiebedarf an den Betriebspunkten wird der jährliche Energiebedarf in den drei Klimazonen berechnet. Dabei wird zwischen dem Energiebedarf für den Heizbetrieb und für den Kühlbetrieb unterschieden. Zusätzlich wird ein Referenzsystem betrachtet, welches aus einem Widerstandsheizer und einer Wärmepumpe mit dem Kältemittel R134a besteht. Der Energiebedarf des Systems setzt sich aus dem Kühlbedarf des Wärmepumpensystems mit R134a und dem Heizbedarf des Widerstandsheizers. Für die Analyse der Wirtschaftlichkeit wird über die definierten Investitions- und Stromkosten der Verlauf der Kosten für die HVAC-Systeme in den drei Klimazonen dargestellt. Unter Betrachtung des elektrischen Energiebedarfs, der Wirtschaftlichkeit und der Auswirkung auf die Umwelt wurde festgestellt, dass R290 in allen betrachteten Klimazonen die beste Wahl als Ersatzkältemittel für das Referenzsystem ist. R290 hat in Klimazone I einen um etwa 40 % geringeren jährlichen Energiebedarf und um etwa 30 % geringere Gesamtkosten im Vergleich zu dem Referenzsystem. In Klimazone II ist der jährliche Energiebedarf um etwa 62 % geringer und die Gesamtkosten um rund 52 %. In Klimazone ist der jährliche Energiebedarf letztendlich um etwa 65 % geringer und die Gesamtkosten um etwa 57 %. Zusätzlich hat es einen niedrigeren GWP-Wert als das Kältemittel des Referenzsystems und ist PFAS-frei. Somit ist der Einsatz von R290 als Kältemittel in Wärmepumpen für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen in allen Klimazonen energetisch und wirtschaftlich am besten geeignet. In Klimazone III kann ebenfalls R744 eigesetzt werden, wenn Optimierungen an dem Prozess unternommen werden. Der aktuelle jährliche Energiebedarf ist um etwa 22 % höher und die Gesamtkosten um rund 23 % im Vergleich zu dem R290-System.