Wärmespeicher erhöht Reichweite von Elektrofahrzeugen

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 haben mit Duo­Therm ein Konzept ent­wickelt, in dem ein effi­zi­enter Wärme­speicher die Heiz­leistung im Elektro­fahrzeug über­nimmt.

Kraftstoffbetriebene Fahrzeuge wärmen die Insassen mit Abwärme des Motors, die beim 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 fünfzig Prozent. Das Konzept Duo­Therm, ent­wickelt von DLR-Wissen­schaftlern in Koopera­tion mit 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.

„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 Mirko Klein Alt­stedde vom DLR. 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, latente 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

„Thermische Speicher werden zukünftig Bestandteil eines jeden Elektro­fahr­zeuges sein. 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.“

DLR / RK