Wärmespeicher-Konzept erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter
Elektroantriebe sind ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu einem klimafreundlichen Verkehrssystem. Eine Herausforderung ist dabei unter anderem der Reichweitenverlust der Fahrzeuge im Winter.
Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben mit DuoTherm ein Konzept entwickelt, in dem ein effizienter Wärmespeicher die Heizleistung im Elektrofahrzeug übernimmt. Das neuartige Energiespeichersystem wurde im Oktober 2017 auf der internationalen SAE – Konferenz „Thermal Management Systems Symposium“ in Detroit in den USA vorgestellt.
Wenn sich im Winter die Temperatur dem Gefrierpunkt nähert, bewegt sich die Hand wie automatisch zur Heizung – so auch im Auto. Kraftstoffbetriebene Fahrzeuge wärmen die Insassen mit Abwärme des Motors, die bei dem Verbrennungsprozess entsteht. Bei Elektroautos hingegen muss dieselbe Batterie für die Wohlfühltemperatur belastet werden, die auch den Antrieb gewährleistet. Folglich verliert die Batterie zusätzlich an Energie und die Reichweite des Autos reduziert sich um bis zu 50 Prozent. Das Konzept DuoTherm, entwickelt von DLR-Wissenschaftlern des Instituts für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart in Kooperation mit dem Institut für Materialphysik im Weltraum am Standort Köln sowie der Audi AG und dem ZAE Bayern, verringert den Einfluss der Heizung auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen bei niedrigen Außentemperaturen durch den Einsatz thermischer Speicher.
Völlig neuartiges Energiespeichersystem
„Durch den Einsatz metallischer Latentwärmespeicher ist uns die Konzeption eines Energiespeichersystems gelungen, das in der Lage ist, Wärme auf einem sehr hohem Energieniveau zu speichern und somit die Antriebsbatterie vom Heizen des Fahrzeuginnenraums zu entlasten“, erklärt Projektleiter und DLR-Wissenschaftler Mirko Klein Altstedde. Metallische Latentwärmespeicher, wie beispielsweise eine Aluminiumsilizium Legierung, bringen nicht nur eine hohe spezifische Energiedichte, sondern zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit sich. Latentwärmespeicher nehmen bei einem Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig sogenannte latente oder verborgene Wärme auf und können diese wieder freigeben. Bekanntes Beispiel dafür sind Taschenwärmer, die Wärmeenergie freigeben, wenn die Flüssigkeit im Inneren erstarrt. Auf einem kleinen Volumen und einer geringen Masse speichern sie mehr Energie als andere Formen von thermischen Speichern und sind somit gut für den platzsparenden Einbau in Elektroautos geeignet
Erhöhung der Gesamteffizienz als Ziel
„Das Projekt geht noch einen Schritt weiter: Wärmespeicher sollen neben der Reichweite und dem Komfort auch die Gesamteffizienz der Fahrzeuge maximieren, indem sie beispielsweise Bremsenergie aufnehmen, Ladeverluste ausgleichen oder die Batterie kühlen. Mit dem Forschungsprojekt DuoTherm soll diese Vision durch die anwendungsorientierte Entwicklung ganzheitlicher Systemlösungen zur Realität werden“, fasst Klein Altstedde die Mission des Forschungsteams zusammen. Um neben der Reichweitenerhöhung auch eine generelle Effizienzerhöhung zu erzielen, reicht der alleinige Einsatz von Hochtemperaturspeichern nicht aus. DuoTherm kombiniert hierzu, wie im Namen angedeutet, einen Hochtemperaturspeicher mit einem Niedertemperaturspeicher. Dadurch kann beispielsweise Verlustwärme, die häufig nur auf niedrigen Temperaturen vorliegt, gespeichert werden. DuoTherm ermöglicht somit eine höhere Gesamteffizienz ohne zusätzliche Ladezeiten für den thermischen Speicher. Zudem ist das System kostengünstiger für Produzent und Endverbraucher als beispielsweise eine Lösung durch einen zweiten Akku.
Nach der Konzeptionierung des Systems soll in den nächsten Jahren die Entwicklung vorangetrieben werden. „Dafür steht zunächst weitere Grundlagenforschung auf dem Gebiet der metallischen Latentwärmespeicher an, um als nächsten Schritt Langzeituntersuchungen im Fahrzeug vornehmen zu können“, so Klein Altstedde. „Wir hoffen in den nächsten zwei bis drei Jahren erste anwendungsorientierte Ergebnisse vorstellen zu können.“
