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Klimakonzepte Wärmequellen gesucht

| Redakteur: Gerald Scheffels

Die zunehmende Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe stellt die Hersteller von Klimaanlagen vor ein Problem: Es fehlt die Abwärme des Verbrennungsmotors
für die Beheizung. Neue Konzepte sind gefragt.

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Eines steht fest bei der Debatte um das zukünftige Kältemittel: Neue Fahrzeugbaureihen dürfen ab 2011 nicht mehr mit dem fluorhaltigen R 134a befüllt werden, und spätestens 2017 müssen auch bestehende Baureihen ab Werk umgerüstet werden. Grund ist eine EU-Richtlinie, die Kältemittel mit einem „Global Warming Potential“-Wert (GWP) von über 150 verbietet – und R 134 a weist ein deutlich höheres GWP von rund 1 400 auf.

Die Wahl des Kältemittels ist aber nur eines der Probleme, vor denen die Systemlieferanten und ihre Zulieferer stehen. Ihnen geht auch, vereinfacht gesprochen, die Wärmequelle aus. Denn der Trend in der Antriebstechnik geht klar zur Elektrifizierung – sei es als Hybridantrieb mit Motor-Generator-Kombination, als Brennstoffzelle oder als Plug-in-Elektroantrieb.

Wärmequelle der Zukunft ist nicht mehr kraftstoffneutral

Die Konsequenz fürs Auto-Klima: Während es bislang kostenlose Wärme in Form von Verlustleistung des Verbrennungsmotors gab, ist die Wärmequelle der Zukunft nicht mehr kraftstoffneutral. Daher werden sich die neuen Antriebe erheblich auf die Konzeption der Klimaanlagen auswirken.

Klaus Wittmann, Leiter Forschung & Entwicklung Klimasysteme bei Valeo: „Das Klimasystem wird bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben weit mehr im Mittelpunkt stehen. Es wird ein zentrales System sein, das abhängig vom jeweiligen Antrieb weitere Aufgaben erfüllt. Denn bei Elektroantrieben wird man neben der Kühlung des Fahrzeuginnenraums auch die Beheizung realisieren müssen. Zudem werden unter Umständen auch Antriebskomponenten aktiv gekühlt, z. B. die Brennstoffzelle oder elektrische Aggregaten wie Batterie und Leistungselektronik.“

Der unangenehme Nebeneffekt: Ein solches zentrales Kühl- und Heizsystem avanciert zu einem Hauptenergieverbraucher. Denn die Beheizung im Winter bei -20 °C erfordert z. B mehr als die doppelte Energie, verglichen mit der Kühlung im Sommer bei +40 °C. Damit verschiebt sich die Proportion des Verbrauchs stark in Richtung Klimatisierung. Klaus Wittmann: „Heute rechnet man bei einem Fahrzeug mit einem mittleren Verbrauch von 8 l/100 km einen etwa zehnprozentigen Mehrverbrauch für die Klimatisierung, also 0,8 l/100 km. Für den Heizbetrieb ergeben sich somit zirka 1,6 l/100 km. Bei einem Fahrzeug, das mit einem vergleichbaren Energieverbrauch von 4 l/100 km den zu erwartenden künftigen Gesetzgebungen entspricht, bedeutet das aber 40 Prozent zusätzliche Energie.“

Reduzierung des Benzinverbrauchs um bis zu 0,5 Liter

Das ist Grund genug, deutliche Verbesserungen anzustreben. Behr hat in den vergangenen zehn Jahren den Mehrverbrauch der Klimaanlagen um 25 Prozent gesenkt und sich für die kommenden vier Jahre weitere 20 Prozent vorgenommen. Neben optimal abgestimmten Komponenten und einer verbesserten Regelung spielen hier auch zusätzliche Baugruppen wie interne Wärmetauscher eine wichtige Rolle.Weiteres Einsparpotenzial verspricht die intelligente Klimaregelung, beispielsweise durch eine Beschlagsensorik. Laut Dr. Hans-Michael Schmitt, Leiter der Sensorentwicklung bei Preh, reduziert die bedarfsgerechte Anpassung der Kompressorleistung den Benzinverbrauch in einzelnen Betriebspunkten um bis zu 0,5 Liter.

Wenn es um die energetische Optimierung von Klimaanlagen geht, kommt wieder R 744 ins Spiel – und hier schließt sich der Kreis zur Debatte um die Kältemittel. Klaus Wittmann: „Physikalisch bedingt bietet R 744 das höhere Potenzial. Beispielsweise können Wärmepumpensysteme mit R 744 effizienter dargestellt werden. Zusatzaggregate wie Ejektoren oder Expandermaschine wirken sich auf Grund der höheren Druckdifferenzen im R 744-Kältekreis ebenso positiver aus als bei den heute betrachteten fluorbasierenden Fluids.“

Das gilt auch für die Beheizung: Nach Angaben von Behr ist eine effiziente Nutzung der Klimaaanlage für die Wärmeerzeugung im Winter – durch eine zusätzliche Wärmepumpe – nur mit R 744 möglich.

Anforderungen an die Klimaanlage in E-Autos

- hermetische anstelle offener Verdichter

- freie Wahl der Verdichteranordnung

- keine technisch aufwendigen Taumelscheibenverdichter mehr, sondern über den Elektromotor stufenlos regelbare Hermetik-Verdichter

- Vorkühlung und Vorheizen an der Steckdose

- Verringerung der Wärmeein- und -abstrahlung durch bessere Wärmedämmung und kleinere Scheiben

- Nutzung der Abwärme und Leistungselektronik, Elektromotor und Batterie

- aufwendigeres Wärmemanagement

- höherer Umluftanteil im Heiz- und Kühlbetrieb

- Standklimatisierung eher möglich

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