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Eco Tram II – Energieoptimierung der thermischen Fahrzeugsysteme bei Schienenfahrzeugen – Evaluierung

Projektinhalt ist die Erstellung eines nichtkommerziellen Prototyps eines Schienenfahrzeugs (ULF) mit energieeffizienten thermischen Fahrzeugkomponenten. Umbaumaßnahmen am Fahrzeug, an den Heizungs-Klima-Lüftungsgeräten sowie ein neues Regelkonzept sollen wesentliche Einsparungen bringen. Anhand von Messungen im Klima-Wind-Kanal und im Passagierbetrieb sollen die erreichten Einsparungen erfasst und dargestellt werden.

Um diese Ziele messbar zu machen, wurden folgende Hauptziele festgelegt:

Erreichte Energieeinsparungen sind dargestellt
Das Gesamtpotenzial der Maßnahmen ist erfasst
Ein nichtkommerzieller Prototyp ist umgerüstet
Detaillierte Messergebnisse zur Energieeffizienz liegen vor
Ein modellprädiktiver Regler ist entwickelt
Neue Technologien sind verfügbar

Ausgangssituation

Das Verkehrsaufkommen in den Städten der Welt erhöht sich kontinuierlich. Um dem Verkehrsinfarkt zu entgehen wird versucht den Verkehr auf die öffentlichen Verkehrsmittel zu verlagern. Dazu muss den Konsumenten der Öffentliche Personennahverkehr schmackhaft gemacht werden. Neben kurzen Fahrzeiten, einem dichten Taktfahrplan und kurzen Umsteigewegen ist der Komfort im Fahrzeug ein entscheidender Bestandteil, um Autofahrer zum Umsteigen auf öffentliche Verkehrsmittel zu bewegen. Aus technischer Sicht stellt das Erreichen eines gewissen Grades an thermischem Komfort keine Herausforderung dar. In den letzten Jahrzenten wurde Stück um Stück etabliertes Wissen aus der Gebäudetechnik auch auf Schienenfahrzeuge angewendet. Die Zuluft, die von einer Klimaanlage ins Wageninnere geblasen wird, wird zuerst gefiltert, abgekühlt und entfeuchtet oder angewärmt, um dem Konsumentenwunsch so gut wie möglich zu entsprechen. Die technischen Einrichtungen dazu benötigen einerseits Energie für den Betrieb und andererseits erhöhen sie das Gewicht des Fahrzeugs und damit auch die notwendige Antriebsenergie. Während bei der Antriebstechnik zur Energierückgewinnung schon großer technischer Aufwand betrieben wird, gibt es bei der Optimierung des Energieverbrauchs der Fahrzeugklimatisierung noch großes Potenzial – die notwendige Energie für die Klimatisierung des Fahrzeugs kann bis zu 40% des gesamt Energieverbrauchs ausmachen.

Projektverlauf

Folgende Methoden wurden eingesetzt um die Hauptziele des Projekts zu erreichen:

Erweiterung des daten-getriebenen Simulationsmodells des thermischen Wagenkastens um Zusätzliche Stell- und Störeingänge unter Verwendung von thermodynamischen Energie- und Massenbilanzen.
Modellierung der Klimaanlage mittels thermodynamischen Grundgleichungen
modellbasierte prädiktive Regelung (model predictive control – MPC) die die Klimaanlage unter Einhaltung technische Grenzen energieoptimal regelt
Konstruktion der modifizierten Klimaanlage mittels 3D CAD
Klima-Wind-Kanal Messungen zur Validierung der umgesetzten Maßnahmen
Vor-Ort Messungen in der Straßenbahn zur Validierung der umgesetzten Maßnahmen im Passagierbetrieb

Ergebnisse

Für das Projektteam: im Zuge der Entwicklung und Umbauarbeiten auf das neue System sind zusätzliche Möglichkeiten aufgefallen, durch die man weiter Energie sparen könnte. Abgesehen von den ohnehin bekannten Einschränkungen (unveränderliche Schnittstellen und Baugrößen) hätten Maßnahmen wie feinere Regelungsmöglichkeiten des Kondensatorlüfters, Nutzung von Abwärmen und verfeinerte Regelalgorithmen der Steuerung weiter großes Einsparpotential. Diese Möglichkeiten haben sich erst im Laufe des Projektes ergeben und konnten weder zeitlich noch finanziell im EcoTram-Projekt noch untergebracht werden.

Generell wurde die Erkenntnis gewonnen, dass mit den Maßnahmen im Zuge des Projektes EcoTram die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft sind und noch weitere Potentiale zur Energieeinsparung zur näheren Erprobung bereit stehen.

Zumindest für VKA als HKL-Lieferant werden die Ergebnisse aus EcoTram verwendet, um künftige Anfragen nach Wärmepumpen mit handfesten Zahlen hinterlegen zu können bzw. Kunden von der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen zu überzeugen.