Mehr Komfort und Reichweite Brennstoffzellen-Abwärme im Schienenverkehr effektiv nutzen

Gemeinsam mit seinen Partnern, Hörmann Vehicle Engineering, Wärmetauscher Sachsen sowie dem Institut für Luft- und Kältetechnik arbeitet das Institut an einem neuen Ansatz in der Abwärmenutzung für die Fahrzeugklimatisierung. Unterstützt werden die Partner zusätzlich von DB Systemtechnik, DB RegioNetz und Energieanlagenbau Westenfeld.

Abwärme der Brennstoffzelle nutzen

Zentraler Gedanke des Ansatzes ist eine effektive Verwertung der Brennstoffzellen-Abwärme für die Temperierung des Fahrzeuginnenraumes. Damit soll die Mindestreichweite von Brennstoffzellen-Triebzügen um 20 Prozent erhöht werden. Gleichzeitig soll der Komfort der Reisenden dabei sowohl aus thermischer als auch aus akustischer Sicht gesteigert werden.

Ziel ist es, sowohl Heizwärme als auch Klimakälte durch die Abwärme der Brennstoffzelle zu decken. Damit kann sogar im Sommerbetrieb die Abwärme für die Innenraum–Klimatisierung genutzt werden, indem eine Absorptionswärmepumpe zur Erzeugung der Klimakälte mit der Abwärme der Brennstoffzelle versorgt wird.

Im Ergebnis kann der Strom der Brennstoffzelle konzentriert für den Vortrieb genutzt werden und muss nicht für die Klimatisierung eingesetzt werden. Heutige Fahrzeuge benötigen im Gegensatz dazu bis zu 25 Prozent des Gesamtenergiebedarfs für die Klimatisierung von Fahrgastraum und Fahrerstand. Die effiziente Nutzung der vorhandenen Brennstoffzellenabwärme ist ein wesentlicher Einflussfaktor für die Erhöhung der Reichweite.

Das Geschäftsfeld Energie und Thermisches Management am Fraunhofer IFAM Dresden bringt neben seinen werkstoffwissenschaftlichen Kompetenzen das Know-how zur wärme- und strömungstechnischen Entwicklung der Komponenten in das Projekt „Heat2Comfort“ ein. Ergänzend kommen umfangreiche Erfahrungen bei der mathematischen Modellierung sowie experimentellen Validierung von Strömungs-, Wärme- und Stofftransportvorgängen hinzu.

Wärmequelle und Wäremnutzungen koppeln

Konkret beschäftigen sich die Forschenden innerhalb des Projekts mit der Kopplung der Wärmequelle, also der Brennstoffzelle, mit den verschiedenen Wärmenutzungen in Form von Absorptionskältemaschine und Raumheizung. Dies erfolgt über PCM-Speicher, in denen Faserstrukturen zur Anpassung der Speicherleistung eingesetzt werden. Außerdem wird die thermische Aktivierung von Innenraumflächen und anderen Einbauten wie Tisch- und Sitzkonstruktionen betrachtet.

Die langjährige Expertise am Fraunhofer IFAM Dresden im Bereich zellularer metallischer Werkstoffe kommt auch bei Optimierung der Temperaturverteilung an den Oberflächen zugute. So werden beispielsweise Erkenntnisse aus dem kürzlich abgeschlossenen Projekt „Hybrid-FHKL“ verwertet, in dem hybride Heiz- und Kühlflächen mit Raumluftkonditionierung für die Gebäudetechnik entwickelt und untersucht wurden. Die Verwendung zellularer Metalle zur Erzeugung uniformer Oberflächentemperaturen ist dabei eine zentrale Frage, die auch in „Heat2Comfort“ relevant ist.

Am Fraunhofer IFAM Dresden werden darüber hinaus Simulationen von Energieflüssen, des Speicherverhaltens sowie zur Auslegung zellularer metallischer Werkstoffe für thermische Bauteilaktivierung durchgeführt.