Bei Omnibussen mit herkömmlichen R134a-Klimaanlagen werden durch Leckagen, Unfälle oder Wartungsarbeiten aufgrund der großen Kältemittelfüllmenge erhebliche Mengen des synthetischen Kältemittels freigesetzt. Dies stellt einen beachtlichen Beitrag zur direkten Emission von Treibhausgasen dar, der durch den Einsatz des alternativen Kältemittels CO2 vermieden werden kann. Allerdings treten beim Kältemittel CO2 üblicherweise hohe Drosselverluste auf, die sich jedoch durch die Verwendung eines Ejektors anstelle eines herkömmlichen Expansionsventils reduzieren ließen. Neue Herausforderungen an zukünftige Klimatisierungssysteme für Omnibusse bestehen aber nicht nur in der Kühlung, sondern auch in der bedarfsgerechten Bereitstellung von Heizleistung, da durch die Optimierung der Dieselmotoren im Winter oftmals nicht mehr ausreichend Motorabwärme zur Beheizung des Fahrgastraums zur Verfügung steht. Neben der Verwendung von Brennstoffzuheizern ist die Beheizung des Businnenraums auch durch einen Betrieb der Klimaanlage im Wärmepumpenmodus möglich. Gegenstand des beantragten Projekts ist daher die Erforschung, Entwicklung und Optimierung einer umschaltbaren CO2-Klima-Wärmepumpenanlage für Stadtbusse, wobei erstmals untersucht werden soll, wie ein Ejektor in einer solchen Anlage effizient eingesetzt werden kann. Die optimale Auslegung der Anlagenkomponenten und die Untersuchung ihrer gegenseitigen Beeinflussung, sowie die Optimierung des Heizkonzepts stellen dabei wesentliche Teilaspekte des Projekts dar. In theoretischen Studien konnte gezeigt werden, dass Ejektorkreisläufe großes Potential besitzen, die Kälte- und Heizleistung von CO2-Klima- und Wärmepumpenanlagen zu erhöhen, bzw, bei gleicher Leistung diese effizienter bereitzustellen. Die Diskrepanz zwischen theoretisch ermittelten und experimentell bestimmten Ejektoreffizienzen erfordern aber weitere detaillierte experimentelle Untersuchungen zu Ejektorkreisläufen. Aufgrund der gegenseitige Beeinflussung aller Anlagenkomponenten erfordert die technische Umsetzung von Ejektorkreisläufen in Stadtbussen zudem eine neue Dimensionierung und Optimierung aller Anlagenkomponenten, und gegebenenfalls auch des Anlagendesigns.
Obwohl Klimaanlagen auch bei Bussen mittlerweile zum Standard gehören, werden die Umweltwirkungen von Heizungs- und Klimaanlagensystemen bislang zu wenig beachtet. Mittels des natürlichen Kältemittels CO2 (R744) lassen sich die direkten Treibhausgasemissionen von Klimaanlagen um über 99% im Vergleich zur gängigen R134a-Technik reduzieren. Zu den weiteren Vorteilen der Busklimatisierung mit CO2 gehören eine höhere Anlageneffizienz sowie geringere Wartungskosten. Das Projekt soll dazu beitragen, dass mehr Verkehrsbetriebe die CO2-Klimatechnik in ihren Fahrzeugen nutzen. Im Jahr 2012/2013 waren die Vorzeichen für natürliche Kältemittel im Fahrzeugbereich alles andere als positiv. Dies hat sich geändert: Mittlerweile beabsichtigen Daimler und VW den Einsatz natürlicher Kältemittel sowohl im Pkw- als auch im Busbereich. Wenngleich bis zur serienmäßigen Ausstattung von Bussen mit CO2-Klimatechnik noch einige Hürden zu nehmen sind, konnten durch die Projektarbeit wichtige Grundlagen für die weitere Marktdurchdringung der innovativen Technik gelegt werden.
<p> <p>Es gibt gute Nachrichten aus der Autobranche: Mercedes-Benz will ab 2017 erste Modellreihen serienmäßig mit CO2-Klimaanlagen anbieten. Seit Jahren setzt sich das UBA dafür ein, dass die Automobilindustrie in Autoklimaanlagen die sichere und umweltfreundliche CO2-Klimatechnik statt des fluorierten Kältemittels R1234yf einsetzt, das sich bei Unfällen an heißen Motorteilen entzünden kann.</p> </p><p>Es gibt gute Nachrichten aus der Autobranche: Mercedes-Benz will ab 2017 erste Modellreihen serienmäßig mit CO2-Klimaanlagen anbieten. Seit Jahren setzt sich das UBA dafür ein, dass die Automobilindustrie in Autoklimaanlagen die sichere und umweltfreundliche CO2-Klimatechnik statt des fluorierten Kältemittels R1234yf einsetzt, das sich bei Unfällen an heißen Motorteilen entzünden kann.</p><p> <p>Wie der Autohersteller Ende Oktober 2015 mitteilte, wird zunächst in der Oberklasse begonnen, mit der S-Klasse (alle Fahrzeuge) und der E Klasse (mit Klimaautomatik). Die CO2-Klimatechnik bietet viele Vorteile. Ein Vorteil wird dem Autofahrer im Sommer sofort auffallen: Das Auto ist schneller auf Komforttemperatur. Mit der Einführung der innovativen CO2-Klimatechnik übernimmt Mercedes-Benz eine Vorreiterrolle. Nun kommt es darauf an, dass weitere Hersteller nachziehen. Im März 2013 hatten sich die deutschen Automobilhersteller darauf geeinigt, CO2-Klimaanlagen voranzutreiben. VW kündigte sogar an, langfristig alle Modelle umzustellen. Konkrete Angaben zum Zeitplan gibt es seitens VW und BMW jedoch bisher nicht.</p> </p><p>Informationen für...</p>
Bei Omnibussen wird jährlich durchschnittlich 23 Prozent der Kältemittelfüllmenge der Klimaanlage in die Atmosphäre freigesetzt. Serienklimaanlagen mit dem Kältemittel R134a leisten somit einen beachtlichen Beitrag zur direkten Emission von Treibhausgasen, der durch die Verwendung des alternativen Kältemittels CO2 vermieden werden könnte. Der so genannte indirekte Beitrag einer Klimaanlage an der Emission von Triebhausgasen entsteht durch den Kraftstoffmehrverbrauch zum Antrieb der Anlage. Somit wäre bei einer Optimierung einer CO2-Klimaanlage auch eine Reduzierung der indirekten Emission von Treibhausgasen möglich. Im Rahmen des geförderten (Gesamt-) Projekts wird daher erstmals untersucht, wie durch Verwendung eines Ejektors eine COP-Verbesserung für eine CO2-Omnibus-Klimaanlage erzielt, und ein entsprechender CO2-Ejektorkreislauf für Busklimaanlagen optimiert werden kann. Durch das Vorhaben konnte grundsätzlich gezeigt werden, dass durch den Einsatz eines Ejektors eine Erhöhung des COPs einer CO2-Omnibusklimaanlage möglich ist. Systemsimulationen für verschiedene Verschaltungen haben verdeutlicht, dass der Ejektor insbesondere bei Mehrverdampferanlagen vorteilhaft ist, da er dort eine geschickte Kopplung der Teilströme ermöglich. Durch den Einsatz des Ejektors ließen sich CO2-Klimaanlagen realisieren, die in ihrer Energieeffizienz mit modernen und hocheffizienten R134a-Anlagen vergleichbar sind. Zudem ist eine weitere deutliche Effizienzsteigerung der CO2-Ejektor-Klimaanlage möglich, wenn alle Anlagenkomponenten für die gewählte Verschaltung optimiert werden. Würde man in allen Omnibussen in Deutschland die R134a- durch CO2-Ejektor-Anlagen ersetzen, ließe sich die direkte Emission des Treibhausgases R134a um mindestens (76-83,6) t/a reduzieren, ohne dass die indirekte Emission durch den Kraftstoffverbrauch zum Antrieb der Klimaanlage zunehmen würde. Allerdings sind derzeit bei den Kunden der Konvekta AG nicht mehr reine Klimaanlagen, sondern vielmehr umschaltbare Kreisläufe gefragt sind, die im Sommer als Klimaanlagen, im Winter jedoch als Wärmepumpen betrieben werden können. Es wird daher erforderlich sein, die im Projekt gewonnen Erkenntnisse zur optimalen Integration eines Ejektors und zu dessen optimaler Gestaltung auf diesen Anwendungsfall zu übertragen und zu überprüfen. Die Anlagenkomponenten sind dann auch für diese Anwendung zu optimieren.
Das Umweltbundesamt (UBA) empfiehlt auch nach neueren technischen Untersuchungen, künftig in Fahrzeugklimaanlagen Kohlendioxid einzusetzen. Das von der Automobilindustrie favorisierte Kältemittel Tetrafluorpropen - chemisch abgekürzt als HFKW-1234yf - hält zwar die neuen EU-Vorgaben ein, ist aber gleichwohl klimaschädlicher als das Kältemittel CO2.
Auf dem 79. Genfer Autosalon - vom 5. bis 15. März - weisen zahlreiche Minis, Hybrid- und Elektroautos auf den Trend der Zukunft: Weniger Emissionen und geringerer Verbrauch - die Automobilindustrie reagiert auf die Kundenwünsche. Vergeblich jedoch sucht der Kunde nach einem Pkw mit umweltfreundlicher Klimaanlage. Immerhin entweichen in Deutschland jährlich rund drei Millionen Tonnen Treibhausgase aus Pkw-Klimaanlagen. „Die Industrie muss mit Hochdruck an der Serieneinführung der CO2-Klimaanlagen arbeiten, sie ist ein hervorragendes Beispiel für Klimaschutz mittels Innovation”, sagt Prof. Dr. Andreas Troge, Präsident des Umweltbundesamtes (UBA). „Die Serieneinführung zu verzögern, bedeutete einen Verlust an Expertenwissen und Marktchancen. Das schwächt die internationale Position der europäischen Automobil- und Zulieferindustrie”, so Troge.
Dass die bisher in Autoklimaanlagen enthaltenen synthetischen Kältemittel unser Klima schädigen, ist inzwischen weltweit anerkannt. Im Juni beraten Experten auf zwei internationalen Treffen in den USA erneut über Alternativen zu den bisher in Klimaanlagen verwendeten klimaschädlichen Kältemitteln. Die klimafreundlichste Lösung ist aus Sicht des Umweltbundesamtes (UBA) der Ersatz der synthetischen Kältemittel - wie R134a - durch das natürliche Kältemittel Kohlendioxid (R744). „Um die Atmosphäre wirksam zu entlasten, reicht eine europäische oder gar deutsche Insellösung mit Kohlendioxid nicht aus. Wir müssen weltweit handeln”, betont UBA-Präsident Prof. Dr. Andreas Troge. Das UBA unterstützt diese klimaschonende Technik, indem es ein Fahrzeug mit einer R744-Klimaanlage ausrüsten lässt, um die Praxistauglichkeit der innovativen Technik zu demonstrieren.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Stadtbusse haben aufgrund der hohen Luftwechselraten - bedingt durch sich permanent öffnende Türen - einen besonders hohen Heizwärmebedarf, der insbesondere durch die moderne effiziente Dieselmotoren-technik nicht mehr ausreichend durch das Kühlwasser gedeckt werden kann. Deshalb werden fast 100% der neu ausgelieferten Stadtbusse in Deutschland mit einem Zusatzheizsystem ausgeliefert, welches im Allgemeinen aus einem mit Diesel oder Heizöl betriebenen Heizbrenner besteht. Zusätzlich sind ca. 50% der Stadtbusse in Deutschland mit einer HFKW-134a Klimaanlage ausgestattet. Ziel dieses Forschungs-vorhabens ist deshalb die Klimaanlagen von Stadtbussen durch den Einsatz von CO2 als Kältemittel in den Wärmepumpenbetrieb umschaltbar zu machen, um damit den Zusatzbrenner einzusparen und durch eine höhere energetische Effizienz CO2 -Emissionen zu vermeiden. Es wird erwartet, dass bei vergleichbaren Investitionskosten jährlich ca. 350 Liter Kraftstoff pro Stadtbus weniger verbraucht werden. Darüber hinaus können erhebliche Mengen des klimawirksamen Kältemittels HFKW-134a eingespart werden. Fazit: Die im Rahmen dieser Studie durchgeführte Untersuchung ergab, dass durch die Verwendung einer um-schaltbaren R744 Wärmepumpe fast 50% des für die konventionelle Heizung anfallenden Diesel-verbrauchs eingespart werden können. Bei einem typischen Jahresverbrauch für eine konventionelle An-lage von 625 Litern ergibt sich eine jährliche Einsparung von rund 295 Litern. Würden alle Stadtbusse in Deutschland mit einer R744 Wärmepumpe beheizt, könnten 21.107 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr eingespart werden. Hinzu käme eine zusätzliche Emissionsreduktion durch den Ersatz des HFKW-134a durch das natürliche Kältemittel R744. Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung über einen Zeithorizont von 10 Jahren ergibt, dass unter Berücksichtigung des aktuellen Dieselpreises bei Verwendung einer R744-Klimaanlage die zusätzlichen Gesamtkosten für den Einbau und Betrieb der Wärmepumpe um 20 bis 50% niedriger liegen als für ein herkömmliches System mit Brennstoffzuheizer. Damit ist dieses System nicht nur ökologisch sondern auch ökonomisch sinnvoll.
Pkw-Klimaanlagen enthalten heute ein Kältemittel, das einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Treibhauseffektes leistet. Derzeit stammen etwa 30 % der weltweiten Emissionen teilfluorierter Kohlenwasserstoffe aus Pkw-Klimaanlagen [UNEP 2009]. Deshalb ist in Europa nach der Richtlinie 2006/40/EG über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen dieses Kältemittel, beginnend ab dem Jahr 2011, durch einen weniger klimaschädlichen Stoff zu ersetzen. Veröffentlicht in Hintergrundpapier.
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