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FORSCHUNG ZUR STEIGERUNG VON REICHWEITE UND KOMFORTS IM BRENNSTOFFZELLENBETRIEBENEN SCHIENENVERKEHR

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Auch auf Schienen wird zukünftig auf Wasserstofftechnologie gesetzt. Regionalverkehrszüge sollen in Zukunft mit Brennstoffzellen ausgestattet sein, die Sauerstoff und Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. In seinem vom BMWI geförderten Projekt „Heat2Comfort“ leistet das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden seinen Beitrag zu dieser Art der emissionsfreien und geräuscharmen Fortbewegungs.


Bild: Erster in Serie gefertigter Wasserstoff-Brennstoffzellen-Regionalzug Coradia iLint von Alstom

Gemeinsam mit seinen Partnern, der Hörmann Vehicle Engineering GmbH, der Wärmetauscher Sachsen GmbH sowie dem Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH arbeitet das Institut an einem neuen Ansatz in der Abwärmenutzung für die Fahrzeugklimatisierung. Unterstützt werden die Partner zusätzlich von der DB Systemtechnik GmbH, der DB RegioNetz Verkehrs GmbH und dem Energieanlagenbau GmbH Westenfeld. 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 % 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 % 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. 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. Darüber hinaus werden am Fraunhofer IFAM Dresden Simulationen von Energieflüssen, des Speicherverhaltens sowie zur Auslegung zellularer metallischer Werkstoffe für thermische Bauteilaktivierung durchgeführt.


Zellulare Struktur mit integriertem Wärmeträgerrohr als Grundlage für die Optimierung der Oberflächentemperaturverteilung © TU Dresden





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