EmCO2s 2.0 - mehr Reichweite für den e-Bus mit dem neuen Heiz- und Klimasystem
EmCO2s 2.0 (sprich: „Emcos“) ist das neue Heiz- und Klimasystem für Elektrobusse mit CO₂-Wärmepumpe und dem Kältemittel R744.Mit Wärmepumpenfunktion und dem alternativen Kältemittel CO2 benötigt das System deutlich weniger Energie im Vergleich zu einem System mit elektrischem Heizer.
Die technologischen Herausforderungen, die mit der Umstellung zur Elektromobilität einhergehen, insbesondere im Bereich der Heiz- und Klimatisierungssysteme, sind erheblich. Der Antrieb von Elektrobussen erzeugt keine Abwärme um das Fahrzeug zu heizen, auch ist das Aufgabenfeld der Klimakomponenten sehr stark gewachsen. Das heißt, neben dem Antrieb ist das Klimanetzwerk der Hauptenergieverbraucher. Daher erfordern Elektrobusse Thermomanagementlösungen, die Klimakomfort und Energiebedarf aufeinander abstimmen.
Einen Elektrobus effizient und sparsam zu betreiben, um Kosten zu sparen oder an Reichweite zu gewinnen, ist nur mit einer effizienten Heizung und Kühlung möglich. Ein konventionelles Thermomanagement mit elektrischer Zusatzheizung benötigt bis zu 50% der einem e-Bus zur Verfügung stehenden Energie.
So viel wie nötig – so sparsam wie möglich
EmCO2s – Ecological Mobile CO2 System – ist ein speziell für den Elektrobus entwickeltes Klimanetzwerk. Dieses System bietet eine effiziente Lösung zur Temperaturkontrolle , sowohl im Bereich des Fahrers, der Fahrgastzonen als auch der temperatursensiblen Komponenten des Busses, wie Batterie oder Elektrobauteilen.
Die Besonderheit des EmCO2s-Systems 2.0 liegt in seinem fortschrittlichen Ansatz zum Thermomanagement. Es nutzt eine CO2-Wärmepumpe mit der patentierten Kältemittel-Verlagerungs-Technologie, die sowohl für die Beheizung als auch für die Kühlung des Fahrzeuginnenraums und der kritischen Komponenten eingesetzt wird. Diese Technologie ermöglicht eine signifikante Reduktion des Energieverbrauchs, indem sie bis zu 75 % der benötigten Wärme aus der Umgebungsluft bezieht. Des Weiteren sammelt das EmCO2S 2.0 -System nicht benötigte Wärme im Bus und speichert diese in zwei Energieträgermodulen.
Bei Bedarf wird die Wärme zurück in das System geführt, direkt an die Stellen im Businnenraum, an denen sie gerade benötigt wird. Das kann zum Beispiel die Abwärme der Achsen oder die der Batterie sein, welche das System aufnimmt und zwischenspeichert, um später den Fahrzeuginnenraum damit zu Heizen.
Patentierte Technologie für verbessertes Thermomanagement
Die patentierte Kältemittel-Verlagerungs-Technologie besteht aus zwei Kreisläufen – einen zum Heizen und einen zum Kühlen. So steigt beispielsweise bei dem energieintensiven Heizbetrieb der Bedarf an Kältemittel. Der inaktive Kreis – der Kühlkreislauf – fungiert jetzt als Ressourcenquelle und stellt dem aktiven Kreis die fehlende Menge Kältemittel zur Verfügung. Die Kältemittel-Verlagerungs-Technologie unterstützt im Heizbetrieb eine höhere Heizleistung, indem sie die verfügbare Kältemittelmenge bedarfsgerecht zwischen den Kreisläufen verteilt. Ein weiterer Vorteil der Kältemittelverlagerung ist, dass durch die gezielte Steuerung des Füllstands, das System immer in einem optimalen Bereich arbeitet und die Belastung der Komponenten im Gesamtsystem verringert wird. Dadurch wird die Lebensdauer des Systems verlängert und der Wartungsaufwand vermindert.
Energieeffizienz durch Clever Control und AES-Mode
Des Weiteren setzt sich das System aus vielen eigens entwickelten Bausteinen zusammen, die in Summe eine über 50 %ige Energieersparnis bewirken. Einer dieser Bausteine ist die innovative „Clever Control“-Steuereinheit und das Erweiterungsmodul AES von Konvekta. Sie ermöglichen eine dynamische Anpassung der Systemleistung basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen durch Sensoren im gesamten Bus. Echtzeitdaten über Passagierzahl, Luftgüte, Batterietemperatur, Außentemperatur und weitere Einflussfaktoren werden erfasst, um die Systemleistung bedarfsgerecht anzupassen. Sind z. B. viele Personen im Fahrzeug, muss der Innenraum weniger stark beheizt werden, da jede einzelne Person durch die eigene Körperwärme den Bus mit aufwärmt. Sind wenige Personen im Fahrzeug, muss der Innenraum stärker beheizt werden. Durch diese individuelle Reglung, die sich automatisch jeder Situation anpasst werden unnötige Energieverluste vermieden.
Komponententräger
Zusätzlich wurde ein Komponententräger entwickelt, der die Energieträgermodule (für warmes und kaltes Wasser), den Kompressor, den Booster und das Batterietemperaturmanagement beinhaltet. Das Besondere an diesem System ist die Synergie der einzelnen Elemente, deren Zusammenspiel auf einen möglichst geringen Energiebedarf des Gesamtsystems ausgelegt ist. Trotz dieser daraus resultierenden hohen Einsparungen kann der Klimakomfort für Fahrer und Fahrgäste sichergestellt werden.
Um ein Höchstmaß an Effizienz zu erzielen, arbeitet das System mit dem natürlichen Kältemittel CO2 (R-744 / Kohlenstoffdioxid). Im Vergleich zu R134a mit einem GWP von 1.430 weist R744 (CO₂) mit einem GWP von 1 ein deutlich geringeres Treibhauspotenzial auf. Neben den ökologischen Vorteilen zeichnet sich CO2 durch seine hohe Energieeffizienz aus, besonders in kälteren Klimazonen – im Heizbetrieb entfaltet sich das ganze Potential.
Feldmessung zum Energieverbrauch des EmCO₂s-Systems 2.0
Im Zeitraum von Dezember 2022 bis Dezember 2023 stellt eine Feldmessung, in einem Verkehrsbetrieb in Mitteldeutschland an zwei baugleichen Elektrobussen, die Vorteile des EmCO2s-Systems 2.0 eindrucksvoll unter Beweis. Während der Bus mit einem EmCO2s-System 2.0 nur 14.877 kWh verbrauchte, benötigte der E-Bus mit konventioneller Heizung und Klimatisierung 35.923 kWh.
Einflussfaktoren wie Fahrer, Einsatzzeiten, etc. führen zu teilweise abweichenden Betriebsbedingungen, doch insgesamt resultierte die Nutzung des EmCO2s-Systems 2.0 in einer Energieersparnis von 21.064 kWh (bei 15 ct/kWh ist das eine Ersparnis von 3.160 € pro Jahr und e-Bus),
was den gemessenen Verbrauchsvorteil und das daraus resultierende Einsparpotenzial verdeutlicht. Die Untersuchung zeigte nicht nur die hohe Effizienz des Systems, sondern auch, dass die gewünschten Parameter sowohl im Winter als auch im Sommer zuverlässig erreicht wurden. Sowohl Fahrer als auch Fahrgäste profitierten von einem angenehmen Klima im Fahrzeug, was das Wohlbefinden auf allen Fahrten sicherstellte.
Durch das Zusammenspiel dieser Technologien werden herkömmliche Heizsysteme, wie Elektroheizer oder eine Diesel-Zusatzheizung, nicht mehr benötigt.
Mit dem Fortschritt in der Elektromobilität und Lösungen wie dem EmCO₂s-System 2.0 leistet Konvekta einen Beitrag zur weiteren Elektrifizierung und Effizienzsteigerung des städtischen Nahverkehrs.
Betrachtet man ausschließlich den Verbrauch der beiden Heizsysteme, spart das EmCO2s 2.0 System sogar 57 % der Energie ein verglichen mit einer rein elektrischen Beheizung.