Modellbasierte Optimierung hybrider Heizsysteme mit Wärmepumpen und thermischen Speichern in batterieelektrischen Schienenfahrzeugen

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der optimalen Aufteilung des Heizenergiebedarfs von BEMUs auf WP und THS. Die Ergebnisse zeigen, dass ein THS in Kombination mit einer WP den Heizenergiebedarf von BEMUs unter den getroffenen Annahmen kostengünstiger sowie mit geringerer Masse und geringerem Volumen decken kann als die alleinige Verwendung einer WP. Hierzu wurde ein Berechnungsmodell zur Bewertung des Einsatzes eines Systems aus WP, Batterie und THS in BEMUs aufgebaut. Das Modell teilt die thermische Last zur Klimatisierung des Fahrgastraums nach einer definierten Betriebsstrategie auf, die die WP bevorzugt, sofern der COP oberhalb von 1 liegt. Somit ermöglicht das Modell den Vergleich verschiedener Konfigurationen aus WP und THS. Für diese werden der Jahresenergiebedarf nach DIN EN 50591, die Lebensdauerkosten sowie Masse und Volumen der Energiespeicher berechnet. Untersucht wurden drei Strecken unterschiedlicher Länge und zwei Fahrzeuggrößen in den Klimazonen II und III. Grundlage für die Aufteilung der thermischen Last sowie die darauf aufbauende Berechnung des Jahresenergiebedarfs und der Lebensdauerkosten bildeten die Simulationsergebnisse eines TWKM und eines Fahrtsimulationsmoduls, die den zeitlichen Verlauf der aufzuteilenden thermischen Last lieferten. Das TWKM konnte im Rahmen dieser Arbeit um die thermische Kapazität der Inneneinrichtung erweitert werden. Dadurch lassen sich die über die Kabinenluft hinausgehende thermische Trägheit sowie Aufheizphasen abbilden. Die Bewertung des Einsatzes eines THS in Kombination mit einer WP erfolgte anhand von drei Konfigurationen, die Grenzfälle der Dimensionierung darstellen und jeweils für die betrachtete Strecke und Klimazone ausgelegt wurden: die vollständige Deckung des Heizbedarfs durch die WP, die vollständige Deckung durch den THS sowie eine hybride Deckung durch beide Komponenten. Da der Kühlbedarf ausschließlich durch die WP gedeckt werden kann, ist diese in jeder Konfiguration als Kompressionskältemaschine enthalten. Die Analyse der Lastaufteilung zeigt, dass die maximale Heizlast und der minimale COP der WP im Auslegungspunkt zusammenfallen. Wird die WP auf den Kühlfall ausgelegt und die verbleibende Heizlast durch den THS gedeckt, reduzieren sich für den zweiteiligen Zug auf der Strecke Hof-Coburg in Klimazone II die elektrische Leistung der WP und die Kapazität der Batterie gegenüber der Auslegung auf den Heizfall um jeweils etwa 60 %. Somit konnten in dieser Arbeit die potenziellen Vorteile eines THS in Kombination mit einer WP für den Einsatz in BEMUs aufgezeigt werden. Unter den betrachteten Konfigurationen stellt die hybride Deckung, bei der die WP auf den Kühlfall ausgelegt und die verbleibende Heizlast durch den THS gedeckt wird, unter den getroffenen Annahmen die günstigste Aufteilung dar. Die Vorteile zeigen sich in einer geringeren elektrischen Leistung der WP sowie in geringeren Lebensdauerkosten, Massen und Volumina der Energiespeicher. Demgegenüber steht ein höherer Jahresenergiebedarf, der jedoch insbesondere in Klimazone II durch das seltene Auftreten von Extremtemperaturen bei hybrider Deckung gering ausfällt. Für die Auslegung lässt sich daraus ableiten, dass der THS die WP ergänzen, nicht ersetzen sollte. Die WP wird mindestens auf den Kühlbedarf ausgelegt und vorrangig betrieben, während der THS die Lastspitzen im Heizbetrieb übernimmt, die die WP nicht decken kann. Im Referenzfall in Klimazone II deckt der THS dabei etwa 45 kW der maximalen Heizlast von 75 kW, wird jedoch lediglich an 65 h im Jahr benötigt. In kälteren Klimazonen kann eine darüber hinausgehende Dimensionierung der WP wirtschaftlich vorteilhaft sein, da der THS hier mehr als die Hälfte des Jahresenergiebedarfs verursacht.