CO2-Einsparung vs. individuelle Freiheit der Fortbewegung?

Das Dilemma wird immer offensichtlicher: Das Erdöl wird knapper, die Kraftstoffpreise steigen, die Umwelt erwärmt sich langfristig. Alle würden gern elektrisch fahren, um die Umwelt zu entlasten, aber es darf nicht unangenehmer und teurer sein als bisher. Was also tun? Eine mögliche Teillösung ist die Kraft-Wärme-Kopplung im motorisierten Individualverkehr, wie der folgende Fachbeitrag aufzeigt.

Dieser Beitrag ist zuerst im eMobilJournal 03/2019 erschienen.

 

1. Einleitung

Elektromobile sind nicht nur teuer, sondern im Winter kalt und im Sommer warm, oder sie fahren – auf bisherigem Komfortniveau – kaum 100 km weit [1]. Elektrisch fahren erhöht so die CO2-Emissionen noch auf lange Zeit [2]. Eine Nachladung der Batterie erfordert einen Kraftstromanschluss oder dauert acht Stunden lang [3]. Batterien sind nicht nur schwer, sie wollen verwöhnt werden, im Winter gewärmt, im Sommer klimatisiert, sonst lassen sie schnell in ihrer Leistung nach [4]. Gibt es EINE Lösung für den Erhalt unserer gewohnten individuellen Freiheit der komfortablen motorisierten Fortbewegung? Nein, es gibt sicherlich mehrere. Eine mögliche Teillösung ist die Kraft-Wärme-Kopplung im motorisierten Individualverkehr.

Die wohl effizienteste Form der Energieanwendung ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Zunächst wird der Energieinhalt eines beliebigen Brennstoffes genutzt, um möglichst viel der besonders wertvollen Exergie zu produzieren – die universelle elektrische oder direkt mechanische Energie. Die dabei anfallende Wärmeenergie wird nicht als (Ab-)Wärme vernichtet, indem sie an die Umwelt abgeführt wird, sondern vielmehr nutzbringend eingesetzt (siehe Bild 1). Aus diesem Grund besteht die aktuelle Aufgabe darin, die stationäre KWK bundesweit bis zum Jahr 2020 auf 25 % zu verdoppeln [5], beispielsweise durch den Einsatz von Mini-Blockheizkraftwerken.

 

Bild 2: Elektromobil mit Wärmespeicher, Wärmerückgewinnung aus der Kabinenfortluft und bidirektionaler Hybridkupplung für Wärme/Kälte, Strom und Kommunikation. (Quelle: TI)

Bild 2: Elektromobil mit Wärmespeicher, Wärmerückgewinnung aus der Kabinenfortluft und bidirektionaler Hybridkupplung für Wärme/Kälte, Strom und Kommunikation. (Quelle: TI)

 

Der verbrennungsmotorische Kraftfahrzeugantrieb ist eine unvollkommene KWK-Form. Die anfallende (Ab-)Wärme kann bisher nur im Winter und zur Beheizung des Verkehrsmittels selbst genutzt werden. Deshalb gibt es vermehrt Bestrebungen zur ganzjährigen Nutzung der (Ab-)Wärme, so beispielsweise mit thermoelektrischen Generatoren. Sie sollen aus zehn kW (Ab-)Gas-(Ab-)Wärme das elektrische Bordnetz mit ca. 200 W elektrischer Leistung unterstützen und mindestens elf kg weiteres Fahrzeuggewicht generieren [7]. Wärmebetriebene Kühlaggregate sollen helfen, die (Ab-)Wärme auch im Sommer zu nutzen, um Grundlastkälte zur Verfügung zu stellen [8]. Beiden Verfahren eigen ist, dass die genutzte Antriebswärme, und im Falle von Klimaanlagen zusätzlich die aus der Zuluft entzogene Wärme, letzten Endes über das Fahrzeugkühlsystem an die Umwelt abzuführen ist.

Da es sich um (Ab-)Wärme handelt, war es bisher nicht erforderlich, die Beheizung der Fahrzeugkabine in irgendeiner Form zu optimieren. Weder eine besondere Wärmedämmung der Scheiben noch der Blechhülle sind gebräuchlich. Völlig unüblich ist noch immer eine Wärmerückgewinnung aus der (Ab-)Luft [9]. In der Folge ist heute auch ein besonders hoher energetischer Aufwand für die Kabinenkühlung erforderlich [10], die in den vergangenen 20 Jahren von einer Option zur Notwendigkeit wurde. Beim Übergang zu verbrauchsoptimierten Antriebskonzepten – vom Mildhybridüber das Batteriefahrzeug mit Range-Extender bis hin zum reinen Elektrofahrzeug – sinkt das (Ab-)Wärmedargebot dramatisch. Brennstoffbetriebene und elektrische Heizgeräte sind die Lösung erster Wahl [11]. Brennstoffheizungen stellen ganz offensichtlich einen Anachronismus zum angestrebten Umweltschutzziel „zero emission“ dar. Die Verwendung von Exergie zu Heizund Klimatisierungszwecken verschlechtert die CO2-Bilanz des (Elektro-)Fahrzeugs noch gravierender. Aus dem gleichen Grund wurden im Wohnungsbau Elektro(speicher)heizungen abgelöst [12]. Im Elektrofahrzeug sollten sie vernünftigerweise a priori nicht eingeführt werden.

Man erkennt zusehends, dass das (Elektro-) Mobil neu erfunden werden muss, um in Zukunft nachhaltig unterwegs zu sein [13]. Denn es ist nicht mehr möglich, wie bisher weiter mit immer neuen technischen Mitteln die bestehenden Aufgaben zu lösen. Dies würde zu einer schier endlosen Ansammlung von technischen Teilkomponenten im Fahrzeug führen, die Komplexität würde immer höher [14], ebenso die Fehlerhäufigkeit, die Serviceunfreundlichkeit, schließlich auch das Fahrzeuggewicht und nicht zuletzt der Preis einer solchen Fortbewegungslösung. Nach dem Entwicklungsprinzip des Übergangs von hochgradiger Quantität in eine neue Qualität stehen wir offenbar aktuell vor einem Entwicklungssprung im motorisierten Individualverkehr. Hierfür ist allerdings von allen Beteiligten ein Paradigmenwechsel zu vollziehen [15]. Gesucht sind Fahrzeugkonzepte, die aus volkswirtschaftlicher Sicht energetisch effizienter, damit umweltfreundlicher, einfacher, servicefreundlicher, leichter und daher preiswerter sind, ohne die Mobilität einzuschränken und es ganzjährig an sinnvollem Komfort mangeln zu lassen.

Ein altbekannter Lösungsansatz kann hierzu einen bedeutenden Beitrag leisten und soll deshalb an dieser Stelle in Erinnerung gebracht und vertieft werden – die Kraft-Wärme-Kopplung im motorisierten Individualverkehr [16], [17]

2. KWK im motorisierten Individualverkehr

Zunächst ist zweifellos die erforderliche Energie zu minimieren. Die Schritte zur Reduzierung der benötigten Fortbewegungsenergie sind bekannt: Gewichtsreduktion, minimaler Roll-und Luftwiderstand, Down-Sizing etc. Gewichtsreduktion ergibt sich bei Leichtbau und sinnvollem Verzicht – beispielsweise benötigen Elektromotoren eigentlich keine Getriebe [18].

Der Wärmeund Kältebedarf für die Klimatisierung der Fahrzeugkabine kann – wie im modernen Hausbau auch – durch Wärmedämmung, Wärmerückgewinnung, Luftschleier, Verschattung, Strahlungsreflexion außen, Strahlungsheizung bzw. -kühlung innen und durch eine in der Folge mögliche Reduzierung der Temperaturdifferenzen minimiert werden [19]. Nur sollte dies nicht zu einem gewichtsbedingten Mehrverbrauch führen. Intelligente einfache und kompakte Lösungen möglichst ohne einen Fremdenergiebedarf und selbstregelnd sind hier gefragt. Diese sind grundsätzlich vorhanden und müssen jetzt an die mobile Anwendung adaptiert werden.

Die dann noch für die Fortbewegung erforderliche mechanische (Rest-)Energie muss möglichst effizient und umweltfreundlich gewonnen werden. Wind-, Wasseroder Solarstrom und moderne Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD-Kraftwerke) erfüllen diese Anforderung für Elektrofahrzeuge. Das durch niedrige Speicherdichten heutiger Akkus bedingte Problem beschränkter Reichweiten könnte mit einer effizienten Zusatzerzeugung on-board gelindert werden, nur sollte deren (Ab-)Wärme gleichzeitig nutzbar sein. Dies ist – wie bei herkömmlichen Konzepten auch – nur im Winter möglich. Kleine Stromerzeuger sind zudem im Wirkungsgrad bedeutend schlechter als moderne Großkraftwerke. Mögen sie noch so klein sein, sie erzeugen dennoch Mehrgewicht, Lärm und Abgase und sind dem angestrebten Ziel konträr. Eine Schnellladung oder ein Tausch der Akkus unterwegs [19] wären auch unter diesen Gesichtspunkten wohl die bessere Lösung.

Es bleibt nun, auch die für die Klimatisierung der Fahrzeugkabine erforderliche (Rest-)Energie effizient bereitzustellen. Hierzu wird eine über das Kraftfahrzeug hinausgehende Bilanzbetrachtung erforderlich. Thermische Solarenergie und die bei der fossilen Elektroenergieerzeugung und anderen Prozessen entstehende (Ab-) Wärme sind für die Heizung des Kraftfahrzeugs im Winter prädestiniert. Sie kann in Städten über (Fern-)Wärmeanschlüsse von zentralen Erzeugern oder in Siedlungen über (Nah-)Wärmeanschlüsse auch von dezentralen Erzeugern übernommen werden, bis hin zum Einfamilienhaus mit einem eigenen (Mikro-)Blockheizkraftwerk. Im (Elektro-)Mobil würde es erforderlich, einen vergleichsweise preiswerten Wärmespeicher zu installieren, der in der Lage ist, die für den jeweils avisierten Reiseweg benötigte geringe (Rest-)Wärmemenge aufzunehmen. Über eine (Wärme-)Steckdose [20] kann die Wärme in flüssiger Form in kürzester Zeit zu Hause oder zentral an (Wärme-)Tankstellen übernommen werden (siehe Bild 2).Bild 2: Elektromobil mit Wärmespeicher, Wärmerückgewinnung aus der Kabinenfortluft und bidirektionaler Hybridkupplung für Wärme/Kälte, Strom und Kommunikation. (Quelle: TI)

Bild 2: Elektromobil mit Wärmespeicher, Wärmerückgewinnung aus der Kabinenfortluft und bidirektionaler Hybridkupplung für Wärme/Kälte, Strom und Kommunikation. (Quelle: TI)

Spinnt man den Faden weiter, so ist es nahe liegend, das (Elektro-)Mobil nicht nur als elektrische, sondern auch als thermische Plug-in-Lösung zu nutzen. Das entsprechend ausgerüstete Fahrzeug kann Elektroenergie in Niedertarifzeiten speichern und in Hochtarifzeiten wieder ins smarte Elektronetz zurückspeisen. Zeitweise im „Überfluss“ anfallende Wärme kann im besonders effizient gedämmten Fahrzeugwärmespeicher zwischengeparkt und bei Bedarf im Smart Home genutzt werden. Tagsüber bietet sich dazu die anfallende Solarenergie an, die über Kombisolarmodule in Form von Elektroenergie und Wärme gemeinsam nutzbar gemacht und im abgestellten Fahrzeug bis zur späteren Anwendung, ob zu Hause oder unterwegs aufbewahrt werden kann.

Ebenso kann ein solcher Fahrzeug(wärme)speicher nicht nur ein erwärmtes, sondern für die Klimatisierung auch ein extern gekühltes Wärmeträgermedium aufnehmen. Als effiziente Kältequelle eignet sich besonders eine Wärmepumpe, in Deutschland bereits eine beliebte Form der Heizwärmebereitstellung. Mit rund 55.000 neu installierten Anlagen im Jahr 2009, ca. 8,6 % des deutschen Wärmeerzeugermarktes, stieg der Gesamtbestand auf über 330.000 [21]. Laut aktuellen Studien soll deren Anzahl in Europa bis zum Jahr 2050 auf 100 Millionen ansteigen [22], sodass dann fast jeder zweite Haushalt über eine Wärmepumpe verfügt. Mit der erzeugten Kälte kann in einem mechanischen oder thermischen Transformationsprozess beispielsweise warmes Wasser bereitgestellt werden [23] (siehe Bild 3).

Bild 3: Be-/Entladung eines Elektromobils mit Wärme/Kälte über eine Hauswärmepumpe. (Quelle: TI)

Bild 3: Be-/Entladung eines Elektromobils mit Wärme/Kälte über eine Hauswärmepumpe. (Quelle: TI)

Das sich während der Fahrt bei der Klimatisierung der Kabinen(zu)luft erwärmende Wärmeträgermedium kann anschließend mit der (Ab-) Wärme der Batterie und der Elektromotoren des smarten (Elektro-)Mobils weiter aufgewärmt und im fahrzeugeigenen (Wärme-)Speicher für eine spätere, auch eine externe Nutzung eingelagert werden. Eine bei der Fortbewegung mögliche Vermischung und ein schneller Temperaturausgleich zwischen warmem und gekühltem Wärmeträgermedium sind über gesonderte Einrichtungen im Speicherinneren zu verhindern [24].

Ist diese effiziente Lösung nun ein Abgesang auf den scheinbar so ineffizienten Verbrennungsmotor im Kraftfahrzeug? Keineswegs. Verbrennungsmotoren werden noch auf lange Zeit ihren festen Platz im Automobil haben. So sind beispielsweise (saubere) Dieselmotoren mit einem Wirkungsgrad um 40 % vergleichsweise effizient, zumal sie mit Biodiesel bereits heute mit geringem CO2-Äquivalent betrieben werden können [25]. Für Ottomotoren und Brennstoffzellen gilt gleiches mit Bioalkohol oder mit Wasserstoff. Es spricht für das Konzept einer KraftWärme-(Kälte-)Kopplung im Verkehr, dass mit einem fahrzeuginternen Wärmespeicher auch die anfallende (Ab-)Wärme eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle, ob vorerst fossil oder später CO2-neutral betrieben, für externe Zwecke nutzbar gemacht werden kann. Die anfallende Überschusswärme kann für die Erwärmung des Antriebs und im Winter auch der gedämmten Kabine vor dem nächsten Start aufgespart [26] oder im Winter im Stopp-StartBetrieb Komfort erhöhend eingesetzt werden. Über zentrale (Wärme-)Tankstellen kann diese Wärme aber auch zum Beispiel an Elektrofahrzeuge entgeltlich weitergegeben (siehe Bild 4) oder dezentral zu Hause für die Warmwasserbereitung und Heizung kostensenkend genutzt werden (siehe Bild 5). Man kann also im übertragenen Sinne von einer „Solaranlage im Kofferraum“ sprechen.

  • Ladeinfrastruktur KWK Bild 4

    Bild 4: Erweiterte öffentliche Infrastruktur für die Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung im MIV. (Quelle: TI)

  • Be UndEntladung E Auto Bild 5

    Bild 5: Dezentrale Ent-/Beladung des Wärmespeichers eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor mit einem stationären Hauswär- mespeicher. (Quelle: TI)

    3. Fazit

    So schließt sich der Kreis einer quasi flächendeckenden KWK, die praktisch für alle derzeit vorhandenen und zukünftig denkbaren Formen von Fahrzeugantrieben nutzbar ist. Im Ergebnis sind Energieund CO2-Einsparungen von bis zu 40 % der erforderlichen (Rest-)Energie möglich. Es würde überflüssig, in jedem Fahrzeug autonome Heizund Kälteaggregate zu installieren und millionenfach über Milliarden von Kilometern nur saisonal genutzt zu transportieren und mit schlechtem Wirkungsgrad zu betreiben. Diese würden durch ein neues, zentrales und universelles Element im Thermomanagementsystem des Fahrzeugs zumindest ergänzt bzw. ersetzt werden – den opti-mal gedämmten (Wärme-)Speicher. Ein weiteres Schlüsselelement für den Erfolg der Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung im täglichen Leben ist die, gegebenenfalls mit der elektrischen Steckdose zu kombinierende, notwendigerweise ebenfalls zu standardisierende Thermokupplung [20]

    Und nicht zuletzt würden die heutigen zentral und verkehrstechnisch günstig gelegenen Tankstellen schrittweise einer neuen Bedeutung zugeführt werden, die sie früher oder später durch tausendfache, dezentrale Elektroladestationen zunehmend verloren hätten – der umweltfreundlichen zentralen Wärmeund Kältedistribution. Ergänzt um sinnvolle Elemente, wie beispielsweise verbrennungsmotorisch oder thermisch angetriebene Wärmepumpen, kann hier aus der aufgekauften (Ab-)Wärme von verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen zentral Kälte für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen produziert werden, und dies in stationärem Betrieb mit Anlagen hohen Wirkungsgrads.

    Solaranlagen auf dem Dach ergänzen das Wärmeangebot. In örtlicher Nähe befindliche Wärmesenken und Wärmequellen erweitern den Bilanzkreis vorteilhaft. Gut gedämmte Wärmespeicher halten die (Ab-)Wärme über lange Zeit auf hohem Temperaturniveau vor. Erdsonden sparen die winterliche Kälte für die Klimatisierung im Sommer auf (siehe Bild 4). Diese Techniken sind bekannt, erprobt [27], marktreif und werden damit auch für eine umweltfreundliche Mobilität nutzbar.

    Und welche volkswirtschaftlichen Auswirkungen hat diese KWK für den Verkehrsbereich? Das Ziel der Umweltentlastung durch eine 40%ige CO2-Reduzierung [28] wird auch in diesem Bereich realistischer erreichbar als mit (Elektro-)Mobilen, betrieben aus dem jeweiligen Kraftwerks-Mix und beheizt oder gekühlt mit Elektroenergie. Dieses KWK-System ist flächendeckend einsetzbar. Es ist für alle Fahrzeugkonzepte anwendbar, unter Einschränkungen auch durch Nachrüstung in den bereits existenten Verkehrsmitteln. Es lässt die Fahrzeuge grundsätzlich einfacher und – was noch nachzuweisen ist – auch leichter werden.

    Die deutsche Automobilindustrie kann dieses Konzept weltweit exportieren, sodass durch die einfacheren, leichteren und preiswerteren Fahrzeuge weder Umsatzeinbußen noch Arbeitsplatzabbau zu befürchten sind. Verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge werden mit ihrem größeren Wärmedargebot ihren Teil zum Gelingen des Konzeptes beitragen. Und die Zulieferindustrie kann ihr Know-how im Klimaund Tankanlagenbau in die Großserienfertigung kompakter, effizienter, preiswerter, stationärer, zentraler und dezentraler Wärmepumpenstationen und Wärme-/Kältedistributionspunkte einbringen.

    4.   Nachwort

    Die Idee der KWK im Verkehr reicht bis in die Zeit der Ölkrisen in den 1970er-Jahren zurück. Wesentliche Vorarbeiten für ein nachhaltiges Thermomanagement im Elektrofahrzeug sind 30 Jahre alt. Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2010–2011 und wurde für diese Veröffentlichung bewusst nicht aktualisiert.

    Ergänzend ist auf themenbezogene Veröffentlichungen in der GI – Gebäudetechnik in Wissenschaft & Praxis hinzuweisen, unter anderem zu den Möglichkeiten der Verbesserung der Behaglichkeit durch die (Wärme-)Rückgewinnung aus der Pkw-Kabinenfortluft [29] und zu den Erfahrungen der Umrüstung eines konventionellen Pkw zum Kraft-Wärme-Fahrzeug [30]. Bisher harren diese Konzepte einer Umsetzung in der Serie. Der aktuelle Trend, mit Primärenergie aus der Fahrbatterie die Klimatisierung des Elektrofahrzeugs auf altherkömmliche Art zu gewährleisten, hat diesem erkennbar noch nicht zu einem breiten Durchbruch verholfen.

    Es ist vielmehr ein guter Kompromiss zwischen Batteriegröße und -gewicht, Ladeströmen und einem zeitgemäßen Thermomanagement erforderlich, um Elektrofahrzeuge und zweifellos auch konventionell angetriebene, zunehmend teilelektrifizierte Hybridfahrzeuge komfortabler und erfolgreicher zu machen. Es bleibt zu hoffen, dass die Möglichkeiten und Chancen einer umfänglichen, übergreifenden KWK im Verkehr von den Beteiligten erkannt werden – im Interesse einer nachhaltigen Verkehrswende.

    • Portrtfoto Frank Triesch

      Autor

      Dr.-Ing. Frank Triesch

      Geschäftsführender Gesellschafter Thermo Integral. Konzeption/ Lieferung von Fernwärmekompaktstationen, Frischwassermodulen Waleo, airtainern zur großtechnischen Luftkonditionierung, deutsche/ internationale Patente, Gebrauchsmuster, Marken

       

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