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BETRIEB & INFRASTRUKTUR 42 DER NAHVERKEHR | ELEKTROBUS-SPEZIAL 2020 Propan als Kältemittel in Wärmepumpen für E-Busse Kühlen und Heizen elektrischer Busse mit dem natürlichen Kältemittel R290 Michael Geiger, Mudau M it immer strenger werdenden Emissionsobergrenzen und zur Reduzierung lokaler Emissio- nen gilt der Einzug der Elektro- mobilität in den öffentlichen Nahverkehr als ein Eckpfeiler für eine CO 2 -neutrale Zukunft. Herausforderung hierbei ist, die nötige Reichweite der E-Busse auch bei Heiz- und Klimabetrieb sicherzustellen und den Komfort für die Fahrgäste mit den Bedürfnissen des Verkehrsunternehmens in Einklang zu bringen. Wärmepumpen als HLK-Lösung in Elektrobussen Die Lösung für E-Busse sind Wärme- pumpensysteme, die allerdings bisher mit synthetischen Kältemitteln betrie- ben wurden. Damit konnten sich, sofern sie ohne fossilen Zusatzheizer betrieben wurden, die Zero-Emission-Anforderun- gen an die Fahrzeuge realisieren lassen, ohne den Komfort zu vernachlässigen. Allerdings werden jedes Jahr durch syn- thetische Kältemittel, die in die Umwelt entweichen, mehrere Millionen Tonnen umweltschädigender CO 2 -Emissionen freigesetzt. Zudem wird der Einsatz von natürlichen Kältemitteln durch die F-Gase-Verord- nung (EU) Nr. 517/2014 geregelt: Bis 2030 soll der nahezu komplette Ausstieg aus den synthetischen Kältemitteln und eine Umstellung auf natürliche Kältemittel erfolgen. Aus Umweltschutzgründen ver- suchen die Wärmepumpenhersteller da- her, bereits heute die Kältemittelmenge zu reduzieren und natürliche Kältemittel einzusetzen, die von der gesetzlichen Phase-Down-Regelung nicht betroffen sind. Welches Kältemittel ist die beste Wahl? Bei der Entscheidung, welches Kältemittel in einer Kälte- oder Klimaanlage einge- setzt werden soll, sind Sicherheit, Kosten und Umweltschutz die wesentlichen Kri- terien. Idealerweise sollte das verwendete Kältemittel exzellente thermodynamische Eigenschaften, eine hohe chemische Sta- bilität und gute physische Eigenschaften besitzen. Zudem sollte es keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Umwelt nehmen und außerdem kostengünstig und weltweit verfügbar sein. Allerdings gibt es kein Kältemittel, welches alle Anforderun- gen zu 100 Prozent erfüllt. Vorteile natürlicher Kältemittel Natürliche Kältemittel sind preiswert, in unbegrenzter Menge verfügbar und können bereits heute nahezu jede Kälteanwendung abdecken. Zudem besitzen sie, im Ver- gleich zu synthetischen Kältemitteln, ein sehr geringes Treibhauspotenzial (GWP). Allein schon deshalb empfiehlt sich ihr Einsatz. Mindestens genauso wichtig ist jedoch ihre hohe Energieeffizienz, denn mehr als 80 Prozent des Treibhauspotenzi- als von Kälte- und Klimaanlagen resultie- ren nicht aus Leckagen, sondern aus dem Energieverbrauch der Anlagen. Derzeit sind Wärmepumpen mit R 290 (Propan) und R 744 (CO 2 ) als Kältemittel am Markt verfügbar. Abb. 1: Vergleich der GWP-Werte R407c, R134a, R290 und R744. Grafik: Emerson Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für https://www.aurora-eos.com/ DVV Media 2020
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42 DER NAHVERKEHR | ELEKTROBUS-SPEZIAL 2020
Propan als Kältemittel in Wärmepumpen für E-BusseKühlen und Heizen elektrischer Busse mit dem natürlichen Kältemittel R290
Michael Geiger, Mudau
Mit immer strenger werdenden Emissionsobergrenzen und zur Reduzierung lokaler Emissio-nen gilt der Einzug der Elektro-
mobilität in den öffentlichen Nahverkehr als ein Eckpfeiler für eine CO
2-neutrale
Zukunft. Herausforderung hierbei ist, die nötige Reichweite der E-Busse auch bei Heiz- und Klimabetrieb sicherzustellen und den Komfort für die Fahrgäste mit den Bedürfnissen des Verkehrsunternehmens in Einklang zu bringen.
Wärmepumpen als HLK-Lösung in Elektrobussen
Die Lösung für E-Busse sind Wärme-pumpensysteme, die allerdings bisher mit synthetischen Kältemitteln betrie-
ben wurden. Damit konnten sich, sofern sie ohne fossilen Zusatzheizer betrieben wurden, die Zero-Emission-Anforderun-gen an die Fahrzeuge realisieren lassen, ohne den Komfort zu vernachlässigen. Allerdings werden jedes Jahr durch syn-thetische Kältemittel, die in die Umwelt entweichen, mehrere Millionen Tonnen umweltschädigender CO
2-Emissionen
freigesetzt.
Zudem wird der Einsatz von natürlichen Kältemitteln durch die F-Gase-Verord-nung (EU) Nr. 517/2014 geregelt: Bis 2030 soll der nahezu komplette Ausstieg aus den synthetischen Kältemitteln und eine Umstellung auf natürliche Kältemittel erfolgen. Aus Umweltschutzgründen ver-suchen die Wärmepumpenhersteller da-
her, bereits heute die Kältemittelmenge zu reduzieren und natürliche Kältemittel einzusetzen, die von der gesetzlichen Phase-Down-Regelung nicht betroffen sind.
Welches Kältemittel ist die beste Wahl?
Bei der Entscheidung, welches Kältemittel in einer Kälte- oder Klimaanlage einge-setzt werden soll, sind Sicherheit, Kosten und Umweltschutz die wesentlichen Kri-terien. Idealerweise sollte das verwendete Kältemittel exzellente thermodynamische Eigenschaften, eine hohe chemische Sta-bilität und gute physische Eigenschaften besitzen. Zudem sollte es keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Umwelt nehmen und außerdem kostengünstig und weltweit verfügbar sein. Allerdings gibt es kein Kältemittel, welches alle Anforderun-gen zu 100 Prozent erfüllt.
Vorteile natürlicher Kältemittel
Natürliche Kältemittel sind preiswert, in unbegrenzter Menge verfügbar und können bereits heute nahezu jede Kälteanwendung abdecken. Zudem besitzen sie, im Ver-gleich zu synthetischen Kältemitteln, ein sehr geringes Treibhauspotenzial (GWP). Allein schon deshalb empfiehlt sich ihr Einsatz. Mindestens genauso wichtig ist jedoch ihre hohe Energieeffizienz, denn mehr als 80 Prozent des Treibhauspotenzi-als von Kälte- und Klimaanlagen resultie-ren nicht aus Leckagen, sondern aus dem Energieverbrauch der Anlagen. Derzeit sind Wärmepumpen mit R 290 (Propan) und R 744 (CO
2) als Kältemittel am Markt
verfügbar.Abb. 1: Vergleich der GWP-Werte R407c, R134a, R290 und R744.
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Natürliches, halogenfreies Kältemittel Propan R290
R290 als natürliches Kältemittel ist ein rei-ner, nicht halogenierter und chlorierter oder fluorierter Kohlenwasserstoff. R290 ist unter Druck verflüssigt, farb- und fast geruchlos und weist weder ein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0) noch einen nennenswerten di-rekten Treibhauseffekt (GWP = 3) auf. Dank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften ist R290 ein besonders ener-giesparendes Kältemittel. Kohlenwasser-stoffe sind weltweit preiswert erhältlich und werden dank ihrer idealen kältetechnischen Eigenschaften besonders in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt. Jedoch ist R290 brennbar und explosiv und damit ist sein Einsatz mit einem höheren techni-schen Sicherheitsaufwand verbunden.
Vorteil von Propan: COP und EER
Viele Hersteller setzen als natürliches Käl-temittel auf CO
2, das als Ersatz von synthe-
tischen Kältemitteln sehr gute Ergebnisse erzielt. Die Leistungsfähigkeit von Kälte-mitteln wird durch die Begriffe COP (Coef-ficient of Performance) und EER (Energy Efficiency Ratio) beschrieben. Sie geben das Verhältnis von Heiz- oder Kühlleistung an, welches durch das Kältemittel bereit-gestellt wird, bezogen auf die Höhe der Stromaufnahme, die erforderlich ist, um diese Leistung zu erzeugen. R290 als Kälte-
mittel bietet hier im Vergleich zu CO2 eine
wesentlich höhere Effizienz, sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen.
Sicherheitsanforderungen beim Einsatz von R290
Die Brennbarkeit von R290 erfordert her-metisch dichte Systeme und eine Minimie-rung der Sicherheitsrisiken in Verbindung mit elektrischen Komponenten. Diese Teile sind am Markt verfügbar und der sichere Betrieb ist damit gut beherrschbar. Dank des nötigen hermetisch geschlossenen Kreislaufs liegen die Kältemittelverluste zudem nahezu bei null.
Für den Einsatz von R290 als Kältemit-tel in der Fahrzeugklimatisierung ist die Berücksichtigung verschiedenster Sicher-heitskriterien nötig. Zum einen muss das Kältemittel selbst vor Hitze, Funken, of-fenen Flammen oder heißen Oberflächen
geschützt sein. Zum anderen muss der käl-temittelführende Bereich stets gut belüf-tet und ein Eindringen des Kältemittels in den Fahrgastraum verhindert werden. Dies bedeutet, dass keine Kältemittelleitungen im Fahrgastraum geführt werden dürfen. Zusätzlich sind die Bestimmungen der DIN EN 378-1 einzuhalten. Durch die Ver-wendung der geringen Kältemittelmengen minimiert sich auch das Sicherheitsrisiko.
Systemtechnische Besonderheiten beim Einsatz von Propan als Kältemittel
Trotz der höheren sicherheitstechnischen Anforderungen beim Einsatz von Propan als Kältemittel, bietet Propan neben den Kostenvorteilen nennenswerte Vorteile im Betrieb des HLK-Systems. Durch den geringeren Systemdruck benötigen Anla-gen mit R290 im Vergleich zu R744 keine besonders widerstandsfähigen Rohre und
Zum AutorMichael Geiger (37) ist Leiter der Entwicklung in der Aurora-Gruppe und seit 2016 im Unternehmen tätig. Nach Abschluss seines Maschinenbaustudiums mit der Vertiefungsrichtung Strömungstechnik und Thermodynamik arbeitete er einige Jahre bei Ziehl-Abegg in der Entwicklung von Ventilatoren für statio-näre HLK-Anlagen und als Teamleiter bei Mahle-Behr. Hier war er im Bereich Industrialisierung von HVAC-Komponenten für Automotive-Anwendungen zu-ständig und an der Entwicklung von R744 Klimasystemen beteiligt.
GrünesKlima!
Weitere
Informationen
auf der ElekBu
2020
Hocheffiziente BOREALIS 2.2
nur 1,5 kg R290, natürliches, halogenfreies Kältemittel mit geringem GWP
Vollklimatisierung bei Zero-Emission von -15° bis + 40°C
Effizienz durch ganzheitliche Vernetzung mit dem Fahrzeug-Energiemanagement
Ganzjährig praxistaugliche Reichweiten
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Wärmetauscher. Das reduziert das Gewicht und die Kosten.
Zudem können mit Propan Scroll-Ver-dichter statt der Hubkolben-Verdichter eingesetzt werden. Die Vorteile der Scroll- Technologie sind geringere Vibrationen, weniger Gewicht, geringerer benötigter Bauraum und weniger Verschleiß durch weniger bewegliche Teile.
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Abb. 4: Druckvergleich Heizen CO2 und Propan. Abb. 5: Druckvergleich Kühlen CO
2 und Propan.
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Abb. 2: Vergleich der COP-Werte CO2 und Propan. Abb. 3: Vergleich der EER-Werte CO
2 und Propan.
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Einsatz von R290 (Propan) in Wärmepumpensystemen von Elektrobussen
R290 ist bereits seit vielen Jahren als Gas zum Kochen und Heizen in Wohnmobilen im Einsatz. Auch im stationären Heiz- und Kühlbetrieb sind Wärmepumpen mit R290 bereits seit längerem weit verbreitet. Die hervorragenden thermodynamischen Ei-
genschaften von R290 als Kältemittel las-sen sich in Kombination mit der entspre-chenden Auslegung der Anlage und einem durchdachten Sicherheitskonzept auch für das Heizen und Klimatisieren von Elektro-bussen nutzen.
Noch sehr überschaubar haben Hersteller von Wärmepumpen die Vorteile von Pro-pan als Kältemittel erkannt und genutzt.
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Abb. 6: Vergleich Scroll- und Hubkolbenverdichter (Quelle: Emerson).
Zusammenfassung / Summary
Propan als Kältemittel in Wärmepumpen für E-BusseDank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften und seines geringen Treibhauseffektes ist das natürliche, halogenfreie Kältemittel R290 (Propan) ein besonders energiesparendes und um-weltfreundliches Kältemittel. Propan ist aber brennbar und explosiv. Daher muss, um Propan sicher für das Heizen und Klimatisieren von Elektrobussen nutzen zu können, die HLK-Anlage entsprechend der technischen Sicherheitsanforderungen ausgelegt werden.
Propane as refrigerant in heat pumps for electric buses Thanks to its excellent thermodynamic properties and its very low global warming potential, the natural, non-halogen refrigerant R290 (propane) is a particularly energy-efficient and environment-friendly refrigerant. However, propane is flammable and explosive. Therefore, in order to use propane safely for heating and cooling of electric bus-ses, the layout of HVAC-system has to meet the special technical safety requirements.
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