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SI/502233
Effiziente Wärmepumpenheizung für elektrische Landwirtschaft- und Kommunalfahrzeuge
Zusammenfassung
Die Rigitrac Traktorenbau AG ist an der Entwicklung und dem Aufbau eines Rigitrac Traktor Typ: SKE 40, dem weltweit ersten Elektrotraktor mit rein elektrischem Fahrantrieb und effizienter Bremsenergierückgewinnung und Wärmemanagement. Dieses umweltfreundliche und ressourcenschonende Fahrzeug überzeugt durch die geringeren Lärmemissionen, die tiefen Betriebskosten, den geringen Wartungsbedarf und einen sehr hohen Wirkungsgrad. Kernstück des Projekts stellt die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Wärmemanagements mit Wärmepumpe dar. Im Winter kann mit der Wärmepumpe durch zusätzliche Wärmerückgewinnung die benötigte Wärme für die Fahrerkabine besonders effizient bereitgestellt werden. Im Sommer wird die Wärmepumpe umgestellt und sorgt für die Kühlung der Fahrerkabine. Damit lässt sich der Strombedarf und die erforderliche Batteriekapazität reduzieren.
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Publikationen / Ergebnisse
Bei Gebäudeheizungen sind Wärmepumpen unterdessen eine Standardlösung. Noch wenig erprobt ist die Nutzung dieser Geräte für die Beheizung von Fahrzeugen. Im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojekts des Bundesamts für Energie wurde ein kompaktes Heiz- und Kühlmodul für kleine E-Traktoren getestet. Die Lösung unter Verwendung einer Sole-Sole-Wärmepumpe mit zwei umschaltbaren hydraulischen Kreisläufen könnte Schule machen und künftig auch in anderen Fahrzeugarten zum Einsatz kommen.
Schlussbericht
Die Rigitrac Traktorenbau AG (nachfolgend Rigitrac) entwickelt und produziert Traktoren in Küssnacht am Rigi. Im Jahr 2018 hat Rigitrac den Prototyp eines ersten batterie-elektrisch angetriebenen Traktors vorgestellt. Das Fahrzeug wird nun zur Serienreife weiterentwickelt. Das Thermomanagement-System des E-Traktors stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Das Thermomanagement-System hat die Aufgabe, gleichzeitig die thermischen Bedürfnisse der elektrischen Komponenten (insbesondere der Batterie) und der Benutzerin bzw. des Benutzers zu erfüllen. Rigitrac hat zur Realisierung des Thermomanagement-Systems ein Konzept erstellt, welches auf einem hydraulisch umschaltbaren Wärmepumpen/Kälteanlagen-Modul (WP/KA-Modul) basiert. Dieses Modul kann die einzelnen Komponenten des E-Traktors je nach Bedarf heizen und kühlen. Die Hochschule Luzern unterstützt Rigitrac bei der konzeptionellen Weiterentwicklung des Thermomanagement-Systems und führt experimentelle Untersuchungen des WP/KA-Moduls im Labor sowie im Feldbetrieb durch, um dessen Betriebscharakteristik, Leistungsfähigkeit und Effizienz zu bestimmen. In einem umfassenden Konzeptreview konnte aufgezeigt werden, dass die Funktionsfähigkeit des Thermomanagement-Systems gegeben ist. Keine der identifizierten Problemstellen gefährdet die grundsätzliche Funktionsweise des Thermomanagement-Systems. Die Absicherung des Kompressors gegenüber unerlaubter Betriebszuständen muss erweitert werden, so dass die komplette Hüllkurve des Kompressor-Kennfeldes abgedeckt wird. Die hydraulische Schaltung der Kreisläufe wird dahingehend optimiert, dass hydraulische Probleme beim Umschalten zwischen den Kreisläufen und während des Betriebs vermieden werden können. Weiter wurde aufgezeigt, dass der eingebaute Luftkühler bei hohen Aussentemperaturen und hoher Leistung des E-Traktors die erforderliche Kühlleistung nicht erbringen kann, da zum Abführen der Wärme eine Kühlmitteltemperatur über der maximal erlaubten Kondensationstemperatur des WP/KA-Moduls notwendig wäre. Dieser Betriebsfall stellt allerdings einen absoluten «worst-case» dar, der im praktischen Betrieb des Traktors nicht auftreten sollte. Daher wird auf eine Vergrösserung der Luftkühlerfläche verzichtet. Die experimentellen Untersuchungen im Labor zeigen, dass das WP/KA-Modul in den unterschiedlichen Betriebspunkten innere Gütegrade von rund 40% erreicht. Die Effizienz ist im Vergleich zu modernen Heizungswärmepumpen tiefer; es muss jedoch beachtet werden, dass das WP/KA-Modul aufgrund der auftretenden Vibrationen äusserst robust ausgeführt werden und der Kompressor einen sehr breiten Einsatzbereich abdecken muss. Es wurde festgestellt, dass die Überhitzungsregelung mit dem thermostatischen Expansionsventil bei kleinen Verdampferleistungen nicht einwandfrei funktioniert. Der Kompressor ist damit nicht in allen Betriebspunkten vor Flüssigkeitsschlägen geschützt, was zu einer verkürzten Lebensdauer oder im schlimmsten Fall zum Totalausfall des Kompressors führen kann. Nach Neueinstellung des Expansionsventil (in Rücksprache mit dem Modulhersteller) ist eine genügend grosse Sauggasüberhitzung im gesamten Leistungsbereich sichergestellt. Die Messreihen im Feld bei Sommer- und Winterbedingungen bestätigten die Erkenntnisse aus den Labormessungen. Ein stabiler Betrieb des WP/KA-Moduls unter den geprüften Bedingungen konnte nachgewiesen werden. Eine Herausforderung bei den Feldmessungen stellte die Messunsicherheit der Temperatursensoren dar. Die wasserseitigen Temperaturdifferenzen über die verschiedenen Komponenten sind so klein, so dass sich die Messunsicherheit stark auf die Berechnung der thermischen Leistungen auswirkt. Die Auswertungen über den Kältemittelkreislauf zeigen jedoch, dass die Kennwerte des WP/KA-Moduls aus den Feldmessungen gut mit den Labormessungen übereinstimmen. Die Messungen bei Winterbedingungen zeigen, dass das Beheizen der Fahrzeugkabine mit dem WP/KA-Modul deutlich schneller (um rund einen Faktor 3, höherer Komfort) und energieeffizienter erfolgt als mit einem PTC-Heizelement. Der COP der Wärmepumpe nimmt während des Aufheizvorganges von ca. 3.42 auf 2.36 ab, wobei der durchschnittliche COP («Zyklusarbeitszahl») 2.88 beträgt. Der Gütegrad ist während des Aufheizvorganges nahezu konstant und beträgt durchschnittlich 0.44. Die Kondensator-Leistung nimmt auf Grund des steigenden Verdampfungsdruckes von ca. 1'800 W auf ca. 2'400 W zu bzw. die elektrische Leistungsaufnahme des WP/KA-Moduls steigt von ca. 520 W auf ca. 1'000 W an. Für den Aufheizvorgang ist ein Strombedarf von 231 Wh notwendig. Durch den Einbau des WP/KA-Moduls kann die Einsatzdauer des E-Traktors im betrachteten Szenario «tiefe bis mittlere Belastung des Traktors» um ca. 6% bis 10% gesteigert werden. Dies entspricht einer Erhöhung der Einsatzdauer von 15-45 min, wobei die Erhöhung der Einsatzdauer grösser wird, je kleiner die durchschnittliche Belastung des E-Traktors ist. Aus den Messungen in Verbindung mit den Simulationen konnte die Wärmekapazität (ca. 38 Wh/K) und der Wärmeverlust (ca. 30 W/K) der Kabine ermittelt werden. Obwohl diese beiden Werte explizit für den Aufbau des heutigen E-Traktors SKE40 gelten, können diese Werte zur Ermittlung des groben Wärme- bzw. Kältebedarfs von zukünftigen Kabinen herangezogen werden. Es ist eine Korrektur anhand der Kabinenfläche und Materialisierung notwendig. Auf Grund der Steigerung der Einsatzdauer durch den Einsatz des WP/KA-Moduls kann eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit gemacht werden. Um eine vergleichbare Einsatzdauer wie beim Einsatz einer elektrischen Heizung zu erreichen, kann die Batterie um ca. 3% bis 5% kleiner ausgelegt werden. Dies würde eine Batteriekosteneinsparung von 278 CHF – 1160 CHF bedeuten. Der Mehraufwand für die Verwendung des WP/KA-Moduls zur Abwärmenutzung beläuft sich auf ungefähr 200 CHF. Dement-sprechend kann der finanzielle Mehraufwand des WP/KA-Moduls zur Abwärmenutzung bereits vom Hersteller amortisiert werden. Zusätzlich profitiert der Anwender durch einen tieferen Energieverbrauch und dadurch ebenfalls von geringeren Energiekosten. Diese Einsparung kann je nach Betriebsbedingungen ca. 40-70 CHF/Jahr betragen. Das Projekt liefert wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des jetzigen E-Traktors sowie für die Entwicklung neuer Traktoren bei Rigitrac. Das verbesserte Thermomanagement-System liefert einen wichtigen Beitrag an den robusten und energieeffizienten Betrieb des Traktors und damit an einen nach-haltigen und umweltfreundlichen Einsatz in der Praxis.
Projektdetails
- Forschungsstelle
- BFE
- Projektstatus
- Abgeschlossen
- Projekttyp
- Forschungsprojekt
- Startdatum
- 2021-01-31
- Enddatum
- 2023-06-29
- Bewilligte Gesamtkosten
- CHF 85924.00
- Sektion
- Mobilität
- NABS Politikbereich
- Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie