Heat2Power

„Effizienzsteigerung und Abwärme – Veredelung bei Brennstoffzellen in Schienenfahrzeugen“

Projektzeitraum: Dez 2019 – Mär 2022 | Verbundpartner:  WÄTAS und ILK Dresden

Im Vorhaben „Heat2Power“ sollen unter Beibehaltung eines konstant guten Passagierkomforts, Möglichkeiten für die Minimierung des Energiebedarfs von Klimatisierungssystemen erforscht werden. Gleichzeitig wird die Anbindung an die Brennstoffzellenabwärme beleuchtet, um Einsparpotenziale aufzudecken und bauliche Anpassungen (bspw. Mehrgewicht, Platzbedarf etc.) zu bewerten. Hierbei werden zusätzliche thermische Trägheiten und eine dezentrale bedarfsgerechte Raumkonditionierung untersucht.

Ein wesentlicher Ansatz ist dabei die Veredelung der Brennstoffzellenabwärme mittels eines Energiewandlungssystems in elektrische Leistung, um unabhängig vom jeweiligen Fahrzeug-Klimatisierungsbedarf die anfallende thermische Leistung einer möglichst universellen Nutzung auf dem Fahrzeug zuzuführen. Des Weiteren soll der Primärenergiebedarf der Fahrzeugklimatisierung durch eine Kopplung der fluktuierenden Wärmeabgabe der Brennstoffzelle mit der Innenraumheizung unter Nutzung eines dezentralen Systems aus Wärmespeichern und Wärmeübertragern wesentlich verringert werden.

 

Gefördert durch:

Heat2Comfort

Abwärmebasierte Klimatisierung von Brennstoffzellen–Triebzügen

Projektzeitraum: Mär 2021 - Feb 2024 | Projektpartner: WätaS – Wärmetauscher Sachsen GmbH, ILK – Institut für Luft– und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, DB Systemtechnik GmbH (assoziiert), EAW – Energieanlagenbau GmbH Westenfeld (assoziiert)

Durch einen neuen Ansatz in der Abwärmenutzung für die Fahrzeugklimatisierung soll im Forschungsvorhaben die Mindestreichweite von Brennstoffzellen-Triebzügen um 20% erhöht werden. Der Komfort der Reisenden soll dabei sowohl aus thermischer als auch aus akustischer Sicht gesteigert werden.

Zentraler Ansatzpunkt für die Abwärme-Nutzung und Energieeinsparung ist die thermische Aktivierung von Komponenten im Innenraum des Fahrzeugs, um deren Strahlungstemperatur zur Generierung der thermischen Behaglichkeit zu nutzen. Es entfällt damit energieintensives Überhitzen und Unterkühlen der Zuluft. Das Erwärmen wie auch das Abkühlen der Innenraum-Komponenten sollen dabei durch die Abwärme der Brennstoffzelle erfolgen. Als weiterer Forschungspunkt ergibt sich daraus zum einen die Untersuchung eines energieoptimalen Wärmetransports von der Brennstoffzelle in den Innenraum im Falle des Heizbetriebs. Zum anderen soll die für das Herabkühlen der Innenraum-Komponenten benötigte Leistung mit Hilfe der Brennstoffzellen-Abwärme erzeugt werden. Die Brennstoffzelle dient als primäres Energiewandlungssystem des Fahrzeugs für Traktion und Nebenbetriebe. Die Bereitstellung der Abwärme kann somit nicht primär auf den Wärmebedarf abgestimmt werden, weshalb die Einbindung eines thermischen Speichers notwendig ist. Aufgrund dieses neuartigen Klimatisierungskonzeptes und des hohen Komplexitätsgrades soll ein neuartiges Regelungskonzept implementiert werden, welches sich einer Vielzahl von Umgebungsinformationen bedient und gleichzeitig eine deutlich höhere Anzahl von Stellgrößen aufweist als heutige Regelalgorithmen. Zudem soll mithilfe des Maschinellen Lernens eine stetige Lernfähigkeit und damit eine Optimierung der Regelungssoftware im Betrieb ermöglicht werden.

 

Gefördert durch:

H2-Tram

Innovative Straßenbahnen mit Brennstoffzellenantrieb

Projektzeitraum: Dez 2020 - Nov 2022 | Projektpartner: HeiterBlick GmbH, Flexiva Automation & Robotik GmbH, CVAG – Chemnitzer Verkehrs – Aktiengesellschaft (assoziiert), AVG - Albtal-Verkehrs-Gesellschaft mbH (assoziiert)

Im Fördervorhaben erfolgt die ganzheitliche Erforschung einer mit Wasserstoff zu betreibenden Straßenbahn. Dabei werden notwendige brennstoffzellenrelevante Einzelsysteme forschungsseitig ausgelegt und zu einer hocheffektiven Fahrzeuggesamtheit vereint. Gegenüber praktizierten Fahrzeuggestaltungen auf Basis bestehender Konstruktionen sollen durch das neuartige ganzheitliche Straßenbahngesamtkonzept die  Reichweite erhöht sowie die Masse und der notwendige Bauraum der Systemkomponenten reduziert werden. Die ganzheitliche, von der Brennstoffzelle ausgehende Fahrzeugkonzipierung, umfasst dabei komplexe Lösungen für die übergreifenden Systeme Energiemanagement, Fahrzeugsteuerung und Fahrzeugdesign. Für die Teilsysteme Brennstoffzellen- und Batteriesystem, Prozessluftreinigungs- und Bereitstellungssystem, Brennstoffzellenkühlsystem und Traktionssystem werden neuartige funktionale Lösungen erarbeitet.

Durch den Einsatz dieser neuartigen Brennstoffzellen – Straßenbahnen soll für Verkehrsbetriebe die Möglichkeit entstehen, zukünftig nachhaltig und schadstofffrei neue Stadtgebiete unabhängig von einer vorhandenen Bahnstrominfrastruktur mit Schienenfahrzeugen anzubinden und in bestehende Verkehrsknoten bzw. künftig einzurichtenden Mobilitätspunkten zu  integrieren.

 

Gefördert durch:

Eco-CC

Entwicklung eines wirtschaftlichen und zuverlässigen Mess- und Regelungskonzeptes für automotive Brennstoffzellensysteme

Projektzeitraum: Jan 2019 – Dez 2021 | Verbundpartner:  Continental, LSA, TU-Chemnitz, Fraunhofer IWU

Das Project EcoCC beschäftigt sich im Rahmen der HZwo-Initiative mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und zuverlässigen Mess- und Regelungskonzepts für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen in Automobilanwendungen. Eine Kombination von Daten bestehender, herkömmlicher Sensoren mit regelungstechnischen dynamischen Modellen erlaubt eine verbesserte Zustandsüberwachung des Systems, wobei auf die Entwicklung neuer und teurer Hardware verzichtet werden kann. Zudem bietet eine derartige mathematische und softwarebasierte Herangehensweise die Möglichkeit, Fehler zu detektieren oder fehlende Daten aus anderen Messungen zu rekonstruieren. Dadurch könnten potentiell sogar bestehende Sensoren durch virtuelle ersetzt werden. Professor Streif, Leiter der Professur für Regelungstechnik und Systemdynamik, sieht daher in den "Methoden der Regelungstechnik und der Zustandsschätzung ein enormes Potential zur Kosteneinsparung sowie einem sichereren und effizienteren Betrieb moderner Brennstoffzellensysteme".

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