REIS Reduktion von klimarelevanten Emissionen im Schienenverkehr
Projektdurchführung
Konvekta AG
Leiter Forschung und Entwicklung
Am Nordbahnhof 5
34613 Schwalmstadt
Zielsetzung
Etwa 25 % der Treibhausgase werden durch Verkehr und Transporte verursacht. Dieser Anteil nimmt stetig zu, und trotz technischer Verbesserungen sinkt der CO₂-Ausstoß von Neufahrzeugen nur sehr langsam. Dies hemmt die Umsetzung der energie- und umweltpolitischen Zielstellungen. Dabei stehen schienengebundene Fahrzeuge schon seit langer Zeit im Fokus der umweltpolitischen Regulierung und ihre Energieeffizienz wird zu einem immer wichtigeren Erfolgskriterium im Wettbewerb der Verkehrsträger.
Durch den Einsatz von klimaneutralem R-744 (CO2) als Kältemittel in Fahrzeugklimaanlagen lassen sich Emissionen durch Diffusion, Unfällen, Wartungsarbeiten und Recycling mit aktuellen Kältemittel wie z. B. R-134a verringern. Ebenso lassen sich indirekte Emissionen durch den energieeffizienten Betrieb einer Wärmepumpe mit dem Kältemittel R744, einsparen.
Vom Gerätetyp HVAC6406 der Konvekta AG zur Fahrgastraumklimatisierung von Straßenbahnen und Elektrotriebzügen wurden insgesamt ca. 1.000 Einheiten verkauft. Dieses Klimagerät enthält 7,5 kg des Kältemittels R-134a. Da es ein GWP von 1.430 hat und somit von der F-Gas-Verordnung (517/2014 EU) betroffen ist, wird eine Ablösung dieses Kältemittels immer dringender. Schon heute sind deutliche Preissteigerungen durch Verknappung spürbar.
Die durchschnittlichen Leckagen im Bahnsektor liegen bei ca. 5 %. Dies betrifft sowohl das Kältemittel R-134a als auch R-744 (CO₂), entscheidend ist hier der Unterschied des GWP Wertes der beiden Kältemittel (1.430 : 1). Ein Ersatz bietet die von Konvekta AG im Busbereich erprobte CO₂-Technik an. Die im PKW hauptsächlich eingesetzte Alternative R-1234yf wird wegen seiner Brennbarkeit im Bahnbereich nicht akzeptiert. Die fluorierten Kältemittel R-134a und R-1234yf zerfallen in der Atmosphäre schließlich zu Trifluoressigsäure (TFA), was zu einer Versauerung von Binnengewässern führt. Dies ist in sensiblen Bereichen und in der kompletten Biosphäre nicht mehr akzeptierbar.
In diesem Projekt sollten Klimasysteme für Schienenfahrzeuge mit dem natürlichen und zukunftsfähigen Kältemittel R-744 entwickelt werden. Durch die effiziente Beheizung mittels Wärmepumpenfunktion wird der Energieverbrauch der Fahrzeuge reduziert. Bei Kältemittelaustritt durch Leckagen, Wartung, Unfällen usw. verursacht R-744 im Vergleich zu R-134a vernachlässigbar kleine Auswirkungen auf Klima und Umwelt.
Arbeitsschritte
Im Rahmen des Projektes wurden Klimasysteme für Schienenfahrzeuge mit dem Kältemittel R-744 entwickelt und konstruiert, aufgebaut und umfangreich getestet. Die erforderlichen Arbeitsschritte werden im Folgenden durch die Arbeitspakete dargestellt:
Arbeitspaket 1: Konstruktion Mechanik
Arbeitspaket 2: Konstruktion Elektrik
Arbeitspaket 3: Erstellen technischer Dokumente
Arbeitspaket 4: Montage Prototyp Die mechanische und elektrische Konstruktion wird unter Berücksichtigung eines Lastenheftes durchgeführt. Dabei werden auch alle Anforderungen hinsichtlich der durchzuführenden Prüfungen berücksichtigt und eine technische Dokumentation angefertigt. Anschließend werden die Prototypen montiert und für die technischen Prüfungen vorbereitet.
Arbeitspaket 5: Begleiten der technischen Prüfungen
Arbeitspaket 6: Schallmessung
Arbeitspaket 7: EMV-Messung
Arbeitspaket 8: Schwing- und Schockprüfung
Arbeitspaket 9: Klima-Test
Die Anlagen werden hinsichtlich Schallemissionen und EMV getestet. Außerdem wird die mechanische Stabilität in Schwing- und Schockprüfungen untersucht. Die thermische Leistungsfähigkeit und Effizienz wird durch Klima-Messungen nachgewiesen.
Arbeitspaket 10: Einbau in Fahrzeug
Für die Messungen im Klima-Wind-Kanal werden die prototypischen Anlagen in ein Fahrzeug eingebaut.
Arbeitspaket 11: Software abstimmen
Im Rahmen der Klima-Messungen werden Software-Parameter angepasst.
Arbeitspaket 12: Messequipment einrichten
Arbeitspaket 13: Feldtest / Simulation
Arbeitspaket 14: Auswertung
Die Messdaten werden ausgewertet und zur Identifikation von Optimierungsmaßnahmen der Anlagen verwendet. Ergänzend wird eine Energieverbrauchsbewertung mittels Simulationsmodell durchgeführt.
Ergebnisse
Das Projekt wurde im Rahmen der ursprünglichen Kostenkalkulation durchgeführt. Der zeitliche Umfang musste aber aufgrund verschiedener Verzögerungen verlängert werden.
Die entwickelten Klimaanlagen mit dem Kältemittel R-744 zur Klimatisierung und Beheizung von Schienenfahrzeugen haben die durchgeführten Prüfungen (Leistungsmessung, EMV-, Schall-, Schwing- und Schockprüfung) bestanden. Besonders hervorzuheben ist der beim ersten Durchgang bestandene Test im Klima-Wind-Kanal bei Rail Tec Arsenal Wien mit einem Erfüllungsgrad > 91 %, bei dem die Betriebsfähigkeit des neuen Klimagerätes HVAC 6709 bei Umgebungstemperaturen von -25 °C bis 45 °C bestätigt wurde.
Aufgrund zeitlicher Verzögerung und einzuhaltender Terminketten der Fahrzeughersteller zur Auslieferung der Fahrzeuge konnte ein Messtechnikeinbau und eine folgende Felddatenerfassung im Rahmen der Projektlaufzeit nicht mehr durchgeführt werden. Stattdessen wurden unter anderem basierend auf den Leistungsmessdaten Simulationsrechnungen durchgeführt. Im betrachteten Referenzfall wurden durch den Einsatz von R-744-Klimaanlagen mit Wärmepumpenfunktion im Vergleich zu konventionellen R-134a-Anlagen mit Elektroheizung Einsparungen im elektrischen Energieverbrauch in Höhe von 26 % erzielt.
Ausgehend von einer Füllmenge von 7,5 kg und einem jährlichen Kältemittelverlust von 5 % werden durch den Einsatz von R-744 statt R-134a in einer Fahrgastraumanlage für Schienenfahrzeuge jährlich ca. 535 kg CO2-Äquivalent pro Anlage eingespart.
Ein Fahrzeug mit drei Fahrgastraumanlagen und einer Fahrerarbeitsplatzanlage spart ausgehend von einem jährlichen Energieverbrauch für Heizung und Klimatisierung von 100.000 kWh bei einer Einsparung von 26 % durch den Einsatz von R-744-Anlagen rund 26.000 kWh. Im deutschen Strommix wurden 2022 pro erzeugter Kilowattstunde Strom ca. 430 g CO2 emittiert. Die Energieeinsparung von 26.000 kWh führt somit zur Vermeidung von Emissionen in Höhe von 11.180 kg CO2.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Fahrgastraumanlage HVAC 6708 mit dem Kältemittel R-744 wurde auf folgenden Messen einem internationalen Publikum vorgestellt:
• Innotrans 2018: Berlin, 18.-21.09.
• Innotrans 2022: Berlin, 20.-23.09.
Fazit
Im Rahmen des Förderprojektes konnten Klimaanlagen mit dem Kältemittel R-744 zur Klimatisierung und Beheizung von Schienenfahrzeugen für den Fahrgastraum und den Fahrerarbeitsplatz entwickelt und getestet werden. Nach der Konstruktion und Prototypenfertigung wurden die Anlagen umfangreichen Testabläufen (Leistungsmessung, EMV-, Schall-, Schwing- und Schockprüfung) unterzogen, die letztlich bestanden wurden. Besonders hervorzuheben ist der beim ersten Durchgang bestandene Test im Klima-Wind-Kanal bei Rail Tec Arsenal Wien mit einem Erfüllungsgrad > 91 % bei dem die Betriebsfähigkeit der HVAC 6709 bei Umgebungstemperaturen von -25 °C bis 45 °C bestätigt wurde.