Effiziente Klimasysteme im Fokus der Energiewende

Klimasysteme: Großer Hebel für den ökologischen Fußabdruck

Bei der Reduzierung des Energieverbrauchs von Schienenfahrzeugen liegt der
entwicklungsseitige Schwerpunkt vor allem auf der möglichst effizienten
Antriebstechnik der Schienenfahrzeuge. Insbesondere bei Straßenbahnen oder
Metros summiert sich der Energieverbrauch wegen der kurzen Abfolge von
Haltestellen in beachtliche Größenordnungen. Um eine Straßenbahn mit einem
Gewicht von 35 Tonnen von der Haltestelle auf eine Geschwindigkeit von 60
Stundenkilometern zu beschleunigen, beträgt der rechnerische Energieverbrauch
rund 1,36 KWh. Der Energieverlust von Reibung, Steigungen, Luftwiderstand oder
Wirkungsgrad des Traktionssystem ist noch zu addieren.

Die schnelle Rechnung sei vorangestellt, weil sie die Größenordnung des
Klimasystems als zweiten Hauptenergieverbrauchers am Zug treffend einordnet. Bei
Fernverkehrszügen entfallen typischerweise zwischen 15 und 20 Prozent des
Gesamtenergieverbrauchs auf die Klimasysteme, bei Regionalzügen sind es gar bis
zu 40 Prozent [1]. Entsprechend groß ist der Hebel, den ökologischen Fußabdruck zu
verbessern.

Auslegung von Klimasystemen

Im Rahmen der Projektierung von städtischen Vorort- und Regionalverkehr gehört die
Auslegung der Klimasysteme gemäß EN 14750-1/ EN 14813-1 zu den komplexeren
Angelegenheiten. Es gilt, die individuellen Fahrzeugdaten wie Abmessungen,
Fensterflächen, Materialeigenschaften und Luftkanalsystem mit den ebenfalls
individuellen Betriebsdaten wie Umgebungsbedingungen, Fahrgeschwindigkeit,
Besetzung, Zuluft-/Außenluftmenge sowie Zusatzlasten und nicht zuletzt mit den
örtlichen Komfort-Gewohnheiten der Fahrgäste abzugleichen. Weitere Variable
stellen Strahlungsintensität und Einstrahlwinkel, Absorption und Durchlassfaktoren
sowie die Zufuhr von menschlicher Wärme sowie Schaltschränken dar.

Im Ergebnis erhalten Fahrzeugbauer den sogenannten Auslegungspunkt des
Klimasystems, welcher der maximalen zuzuführenden oder abzuführenden
Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung der geforderten Innentemperatur und
Luftqualität entspricht.

Bei der Projektierung von Klimasystemen setzt die Knorr-Bremse Konzernmarke
Merak unter anderem auf ein Tool zur späteren Energieverbrauchsprognose. In die
Berechnung fließen einerseits die technischen Daten der Systembestandteile und -
komponenten ein, andererseits validierte Betriebswerte aus bereits realisierten
Projekten. Durch den Abgleich der konkreten Systemanforderungen mit den
Kennzahlen dieser Projekte, lassen sich passende Design- und Effizienzlösungen
zügig identifizieren und schließlich projektieren.

Heiz- und Kühlluftbedarf senken, Energieeffizienz der Klimasysteme steigern

Die beiden großen fahrzeugzeitigen Stellschrauben für reduzierten Energieverbrauch
liegen im gesenkten Heiz- und Kühlluftbedarf des Fahrzeugs selbst sowie der
Energieeffizienzsteigerung seiner Klimasysteme. Wichtig ist hierbei das Bewusstsein
für die Wechselwirkungen hinsichtlich Jahreszeiten und spezifischem Einsatzort
sowie auch wieder den lokalen Komfort-Gewohnheiten der Fahrgäste.
Folgende Ansätze reduzieren den Heiz- und Kühlluftbedarf:

• Physikalische Gesetze bei der Luftführung ausnutzen: Kalte Luft sinkt in Richtung Boden. Warme Luft steigt hinauf. Zum effizienten Einsatz von Energie bietet sich folglich die Kühlung über die Decke und das Heizen, zum Beispiel über Stichkanäle zum Boden an.
• Rückführung von Umluft zur effizienten Vortemperierung von Frischluft: Anstatt ausschließlich (warme) Luft innerhalb des Fahrzeugs im Austausch gegen (kalte) Frischluft in die Umwelt zu befördern, kann ein Teil der Umluft zusammen mit der Frischluft wieder zugeführt werden. Der auf diese Weise erhöhte Luftvolumenstrom verbessert die Durchmischung im Fahrzeug und die Effizienz der Wärmeübertrager in der Klimaanlage.
• Isolierverglasung: Bei der Isolierverglasung handelt es sich um Fenster mit mehreren Glasscheiben, deren Zwischenräume sich optional mit Edelgas, mit besonders niedriger Wärmeleitfähigkeit, füllen lassen. Dies senkt im Winter den Heizbedarf, bedeutet aber neben dem höheren Gewicht auch höhere Anschaffungskosten.
• Sonnenschutzverglasung: Sonnenschutzgläser kombinieren einen niedrigen Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) von wärmendem Infrarotlicht mit einer hohen Lichtdurchlässigkeit (t-Wert). Je länger die Sommer und je milder die Winter, desto lohnender ist die Investition.
• Wärmedämmung: Ein wärmegedämmter Fahrzeugkasten reduziert im Winter den Heiz- sowie im Sommer den Kühlbedarf. Im Gegenzug steigt aber auch hier das Fahrzeuggewicht. Zusätzliche Effizienz generiert eine konsequente Wärmedämmung des gesamten Luftführungssystems – beginnend beim Luftbehandlungsbereich in der Klimaanlage über die Luftkanäle bis zu den Auslässen in den Fahrgastraum.
• Fahrzeugfarbe: Dunklere Farben absorbieren Sonnenlicht besser als helle Farben. Dies wirkt sich ebenfalls auf die Energiebilanz aus: Im überirdischen Verkehr würde eine dunkle Fahrzeugfarbe den Heizbedarf im Winter verringern, im Sommer dagegen den Kühlbedarf erhöhen.

Mit folgenden Ansätzen steigert Merak die Energieeffizienz von Klimasystemen:

• Coefficient of Performance und Energy Efficiency Ratio: Eine maßgebliche Verbesserung dieses Verhältnisses von erzielter Kühl- (EER) oder Heizleistung (COP) zur eingesetzten elektrischen Energie im Kältekreislauf wird dank der kombinierten elektronischen Hochdruckregelung mit einer ausgeklügelten Wärmetauscherkonfiguration erreicht.
• „Free Cooling“: Der Begriff bezeichnet die lastabhängige Erhöhung des Frischluftvolumenstroms, solange dessen Temperatur unter jener der notwendigen Zulufttemperatur liegt. Dieser Fall ist typisch für die Übergangszeit bei hoher Fahrzeugauslastung, und flacher Sonneneinstrahlung. Erfahrungsgemäß amortisiert sich der Ansatz innerhalb von weniger als drei Jahren.
• Bedarfsgerechte Außenluftregelung: Im Gegenzug zu den konventionellen „An“/„Aus“-Modi von Klimasystemen lässt sich deren Betrieb auch an die Passagierzahl im Wagen koppeln. Dazu misst ein CO2-Sensor kontinuierlich die Luftqualität. Die Steuerung regelt bei Über- bzw. Unterschreitung bestimmter Grenzen nach. In Abhängigkeit von der Außentemperatur lässt sich beispielsweise der Energieverbrauch im Vergleich zur ungeregelten Frischluftzufuhr (nach EN14750) bei 75 Prozent Passagierauslastung zwischen rund 10 und 40 Prozent verringern. Bei einer Auslastung von 33 Prozent liegt die Reduzierung zwischen knapp 25 und 55 Prozent. Bei der beschriebenen Regelung ist ebenfalls von einer Amortisation innerhalb von weniger als drei Jahren auszugehen.
• Regeneratives Heizen: Durch bevorzugtes Heizen während der Bremsphasen lässt sich nicht rückspeisefähige Energie unmittelbar für den Betrieb des Klimasystem verwenden. Werden leichte Temperaturschwankungen in der Zuluft in Kauf genommen, verringern sich die Energiekosten aufgrund kostenfreier Wärmezufuhr im Heizbetrieb deutlich. Ein integrierter Energiespeicher würde den Effekt nochmals erhöhen, geht aber mit dem Nachteil eines höheren Gewichts einher.
• Thermomanagement der Motorabwärme: Traktionswärme aus dem Motor lässt sich zum Heizen nutzen. Gemeinsam mit einer Wärmepumpe kann sich mit diesem Ansatz sogar die Installation von Elektroheizungen im Fahrzeugerübrigen Voraussetzung für die „kostenlose“ Wärmezufuhr ist zwar eine teurere wassergekühlte Traktionsanlage. Ihr stehen jedoch deutlich geringere Energiekosten gegenüber: Abhängig vom Streckenprofil liegt die verfügbare mittlere Abwärmeleistung bei etwa 20 kW pro Drehgestell. Davon lassen sich mindestens 25% für den Heizbetrieb nutzen. Lediglich für das Vorheizen im Stillstand wäre dann noch eine (kleine) elektrische Heizung oder Wärmepumpe nötig.
• Frequenzgeregelte Wärmepumpe: Werden etwas höhere Wartungsaufwände beim Kältekreislauf in Kauf genommen, kann die Frequenzregelung von Wärmepumpen, insbesondere im moderaten Heizbetrieb (> -5°C), hohe Effizienzen erreichen: Dabei wird durch Umkehr des vorhandenen Kühlkreislaufs der ohnehin schon kalten Umgebung weitere Wärme entzogen, um sie ebenfalls dem Fahrgastraum zuzuführen. Bei oftmals feuchten Außenbedingungen gilt es diese Option jedoch gegen den Nachteil einer Vereisung des Außenwärmetauschers abzuwiegen.

Alternative Kältemittel

Bekanntermaßen setzt sich die Klimawirkung von HVAC-Systemen aus ihrem
Energieverbrauch und dem Global Warming Potential (GWP) des verwendeten
Kühlmittels zusammen. Aktuell befindet sich die Branche mitten im Wechsel von
Kältemitteln auf FKW-Basis (GWP von 1000 bis 2000) hin zu Kältemitteln mit
niedrigem GWP auf Hydrofluorolefine-Basis (HFO) sowie, im nächsten Schritt, zu
natürlichen Kältemitteln. Während die notwendige Kühlkapazität innerhalb
bestimmter Hüll- und Gewichtsgrenzen mit R290/Propan relativ leicht darzustellen
sind, liegt aufgrund der leichten Brennbarkeit die größere Herausforderung in
Herstellung, Prüfung, Betrieb und Wartung der Anlagen über die gesamte
Lebensdauer sowie der sicheren Vermeidung von Unfällen (EN378).

Noch niedriger (GWP1) liegt das GWP von R-744/CO2. Da weder explosiv noch
brennbar, ist R-744/CO2 im Fahrzeugbetrieb weitgehend unkritisch. Die
Bereitstellung der notwendigen Kühlkapazität innerhalb der Hüll- und
Gewichtsgrenzen bei wettbewerbsfähigen Kosten über die gesamte Lebensdauer
des Systems ist insbesondere für Anwendungen in gemäßigten Klimazonen
mittlerweile gelöst. EN378-Vorkehrungen sind hier ebenfalls zu treffen – allerdings
nurmehr hinsichtlich Erstickungsgefahr.

Felderprobungsträger Dosto 94/Merak

Im Rahmen eines großangelegten Feldversuchs haben die DB RegioNetz Verkehrs
GmbH Südostbayernbahn und Merak im Rahmen des EU-Programmes Shift2Rail
zwei umgerüstete Anlagen vom Typ HKL752-DB94 mit R-744/CO2-Kältemittel und
umfassender Sensorik getestet.

• Kühlleistung: 26kW
• Heizleistung Wärmepumpe: 20kW
• Zuluftvolumenstrom: 3.600 m³/h
• Abmessungen: 1510x1790x985 mm
• Gewicht: 620 kg (vergleichbar mit dem Gewicht einer mit synthetischem
• Kältemittel betriebener Anlage)
• Energieversorgung: 3AC 400V 50 Hz / DC 24V

Die Anlagen liefen über die gesamte Testdauer von fast zwei Jahren ohne
Komponentenausfall und untermauerten damit die Betriebstüchtigkeit des Designs.
Das EER (Energy Efficiency Ratio; Verhältnis von erzeugter Kälteleistung zur
eingesetzten elektrischen Energie bei mechanischen Wärmepumpen) der Anlage
liegt im Kühlbetrieb bei niedrigen Außentemperaturen unter 20°C etwa 60 Prozent
über jenem der Vergleichsanlage (R-134a). Bei hohen Außentemperaturen (>28°C)
sinkt der EER erwartungsgemäß unter jenen der Referenzanlage. Die nicht zuletzt
auf den Ergebnissen des Feldversuchs basierenden Seriengeräte befinden sich
mittlerweile in mehreren Netzen im Passagierbetrieb

Ausblick

Sollen Klimasysteme neben dem Fahrgastkomfort auch den ökologischen
Fußabdruck der Schienenfahrzeuge verbessern, ist ein Perspektivenwechsel weg
vom reinen Anschaffungspreis hin zu den gesamten Lebenszykluskosten der
Systeme nötig. Zudem sollten die Energiebilanzen der Anlagen gegenüber den
immer geringeren Einbauräumen im Fahrzeug priorisiert werden. Ein stärkeres
Bewusstsein für die größeren Zusammenhänge ist unabdingbar.

Einerseits erfordert der perspektivisch wachsende Anteil an batteriebetrieben
Fahrzeugen die möglichst effiziente Nutzung sämtlicher thermischer Energie am Zug.
Andererseits müssen Kosten und Gewicht, von akzeptablen Reichweiten ganz zu
schweigen, ökonomisch darstellbar bleiben.

Umso wichtiger wird künftig ein geschicktes Thermomanagement im Fahrzeugbetrieb
– etwa durch eine integrierte HVAC-Einstiegssystem-Regelung entlang des Zuges.
So ließe sich steuerungstechnisch die Leistung der Klimaanlagen bei geöffneten
Türen reduzieren, damit gerade erhitzte oder gekühlte Luft auch tatsächlich im Zug
verbleibt.

Aufgrund der langen Betriebsdauer von Schienenfahrzeugen können nicht nur bei
der Erstausrüstung von Fahrzeugen sondern auch im Laufe des Betriebes – speziell
im Rahmen größerer Wartungen oder gemeinsam mit einem Kältemitteltausch – die
Lebenszykluskosten noch merklich verringert werden.

Quellenverzeichnis

[1] M. Jürgen Ernst: EU Shift2Rail Project FINE2 Del. D2.2 Energy Baseline?Update, 2023