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Heat2Power

SAB

12/2019-11/2021

R. Noack

+49-351-4081-5219

HÖRMANN Vehicle Engineering, WätaS Wärmetauscher Sachsen

Veredlung der Abwärme von Brennstoffzellen

Projektzielstellung

Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens ist die Analyse der Einsatzmöglichkeiten einer Brennstoffzelle mit Rekuperation in einem Schienenfahrzeug. Der Fokus liegt auf der Erschließung von Rekuperationspotentialen aus den Abwärmeströmen innerhalb des Schienenfahrzeuges und dort speziell des Brennstoffzellenantriebes. Die nicht direkt nutzbare Abwärme soll in elektrische Energie gewandelt werden. Durch die teilweise Substitution der Antriebsenergie für Klimaanlagen (Lüfter, Kältemittelverdichter) soll die Reichweite der Fahrzeuge erhöht werden.

Lösungsansatz:

Rekuperation über ORC/Kalina Prozess

Bekannte Problemstellen:

geringe Energieeffizienz des ORC-Prozesses bei gegebenen Temperaturniveaus

Forschungsaufgaben:

wirtschaftlicher Einsatz dieser Technologie bedeutet:

  • Kostenverhältnis muss in Relation zur Reichweitenerweiterung stehen Vergleichsbasis H2-Verbrauch eines Brennstoffzellenzuges ohne Rekuperation
  • geringes Zusatzgewicht – Energieertrag muss deutlich größer sein, als der Energiebedarf der durch das Zusatzgewicht des ORC-Rekuperators entsteht
  • keine zusätzliche Umweltbelastung durch Arbeitsstoff
  • kein erhöhtes  Gefährdungspotential durch eingesetzte Technologie

Projekthintergrund

Die aktuellen Klimaschutzziele und die daraus entstandenen Verpflichtungen zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeitsforderungen erfordern in allen Lebens- und Arbeitsbereichen Umdenkprozesse.


Aus der globalen Vernetzung und der daraus resultierenden Mobilität von menschlichen Ressourcen und dem Transport von materiellen Gütern, entsteht eine enorme Umweltbelastung, die durch die Wahl besser geeigneter Energieträger vor einem Wandel steht.

Das zu erwartende Verbot der Verbrennung von fossilen Brennstoffen forciert Entwicklungskonzepte basierend auf elektrischen Antrieben. Ein Hauptproblem ist die Speicherung des Energieträgers. Es gibt Konzepte zur Nutzung von Elektroenergiespeichern (Batterien, Akkumulatoren). Ein anderer Weg ist der Energiebezug über Ober- oder Unterflurleitungen. Dies setzt allerdings eine vorhandene Infrastruktur voraus, die sich nicht in allen Gebieten wirtschaftlich errichten lässt.    
Der Umweg über Flüssigkeiten mit hohen Energiedichten, wie beispielsweise Treibstoffe (Benzin, Diesel, Methanol) ist aktuell der meist praktizierte Weg.    
Regenerativ erzeugbare Energieträger, wie beispielsweise Wasserstoff bieten trotz hoher sicherheitstechnischer Anforderungen zunehmend eine Alternative.


Unter diesen Randbedingungen soll ein Schienenfahrzeug entwickelt werden, welches in Regionen  eingesetzt werden soll, die sich hinsichtlich der geografischen und klimatischen Bedingungen an Nord- bzw. Mitteleuropa orientieren. Der Einsatz soll auf Strecken erfolgen, die sich wirtschaftlich nicht sinnvoll elektrifizieren lassen.    

Die Nutzung eines ORC- / Kalina-Prozesses zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Nutzenergie im Schienenfahrzeug stellt eine besondere Herausforderung dar, da sich nur geringe Wirkungsgrade bei dem nutzbaren Temperaturniveau erzielen lassen.
Projektziel ist der Nachweis der Einsatzfähigkeit dieser Technologie. Dabei sollen wirtschaftliche Einsatzaspekte berücksichtigt werden.


Es soll die Steigerung der Reichweite eines von Brennstoffenzellen angetriebenen Schienenfahrzeuges nachgewiesen werden, welche durch Rekuperation der- Brennstoffzellenabwärme erreicht wird.


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