Klimatisierung im Bahnsektor mit einer CO2-Wärmepumpe
Zwischen Technologien und regulatorischen Auflagen
Der Schienenverkehr setzt zunehmend auf Nachhaltigkeit, um auch in diesem Bereich die Energiewende zu beschleunigen. Eine Entwicklung, die sich bisher in der Effizienz der Züge niedergeschlagen hat, die durch elektrische Akkumulatoren, Wasserstoff oder sogar hybride Lösungen, die Diesel und Batterie kombinieren, angetrieben werden. In diesem Paradigma spielt auch die Klimatisierung eine strategische Rolle und stellt eine technologische und rechtliche Herausforderung für die Anbieter von Kälte-Klima-Wärmepumpenlösungen dar.
Die Wahl des Kältemittels für Heiz- und Kühlsysteme wird sowohl durch Umweltvorschriften wie die F-Gase-Verordnung als auch durch die europäische Norm EN 45545-2:2013 für Brandschutz und Rauchkontrolle bestimmt. Während erstere darauf abzielt, fluorierte Treibhausgase vom Markt zu verbannen, legt letztere Anforderungen für die Bewertung des Brand- und Rauchverhaltens der verwendeten Materialien und Komponenten fest und gilt für verschiedene Bereiche von Fahrzeugen, einschließlich der verwendeten Kühlsysteme und Flüssigkeiten.
Nachhaltiger Fortschritt
Aus der Zusammenarbeit zwischen Frascold und dem Start-up Aircodue – einem Spin-off der Miri-Gruppe, die im Bahnsektor und im Bereich der erneuerbaren Energien führend ist – ging eine Neuentwicklung hervor, die die oben genannten Vorgaben erfüllt: Eine CO2-Wärmepumpe, die sich durch mehrere technologische Innovationen auszeichnet und mit transkritischen Serienverdichtern von Frascold ausgestattet ist. Dabei hatten sich die Partner vier ehrgeizige Ziele gesteckt: Energieeinsparung, begrenzte Umweltauswirkungen, niedrige Wartungskosten und hohe Zuverlässigkeit bei vollständiger Einhaltung der nationalen und internationalen Normen.
Das ARCA-Projekt – Air Source Reversible CO2 Air Conditioner – von Aircodue nutzt patentierte technische Lösungen und ist ein Demonstrator für ein Split-System von etwa 28 kW, ausgerichtet auf die Bedürfnisse eines Eisenbahnwaggons für mittlere Entfernungen, das in Italien weit verbreitet ist. In Zusammenarbeit mit Frascold wurde untersucht, ob es möglich ist, das bestehende System durch eine neue CO2-Wärmepumpe zu ersetzen, die in der Lage ist, entsprechend der bisherigen Konfiguration zu arbeiten und den gesamten Bedarf des Zuges zu decken. Unabdingbare Voraussetzung ist, dass die neue Lösung nicht mehr Strom als das ursprüngliche R134A-System aufnehmen darf, bei dem der statische Konverter Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und alle Bordverbraucher versorgt.
Im Detail besteht die Wärmepumpe aus einer externen Einheit, die die Verdichter des Primär- und Hilfskreislaufs enthält, und einer internen Einheit, dem Belüftungsteil, zur Kühlung und Beheizung des Fahrgastraums.
Um den am besten geeigneten Verdichter für die Anwendung auszuwählen, nutzten die beiden technischen Teams die Software von Frascold, um die Leistung über den gesamten Betriebsbereich zu bewerten, und entschieden sich dann für die TK-Kolbenserie in der Ausführung D-TK für den transkritischen Betrieb. Diese Verdichter, die für hohe Effizienz, Flexibilität und Zuverlässigkeit stehen, sind dank ihrer robusten Bauweise für hohe Drücke im Stillstand von bis zu 100 bar ausgelegt, was eine hohe Sicherheit garantiert. Ein besonderes Merkmal dieser Verdichter-Reihe ist die mechanische CapaFlex-Einstellung, die es ermöglicht, den Kältemittelfluss durch die Einlassöffnungen zu modulieren. Die abwechselnden Öffnungs- und Schließperioden sorgen nämlich für eine korrekte Verteilung zugunsten einer optimalen Belastung des Verdichters, was die On-Off-Zyklen so weit wie möglich reduziert – ein System, das auch in Bezug auf die Leistung einen erheblichen Vorteil bringt.
Die Daten sprechen für sich
Die Leistungsdaten der Wärmepumpe wurden mittels dynamischer Simulation des Heizbetriebs bei verschiedenen Wintertemperaturen mit denen eines herkömmlichen Systems verglichen. Für die Studie wurde eine spezielle Software für die Energiediagnose eines Mittelstreckenwagens verwendet – die Untersuchungen berücksichtigen drei Orte, die für die wichtigsten italienischen Regionen repräsentativ sind, nämlich den Brenner, Rom und Palermo.
Nach der Fertigstellung eines Prototyps wurde eine umfangreiche Testreihe in der Klimakammer durchgeführt, bei der die Leistung sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen überprüft wurde, wodurch die theoretischen Daten bestätigt werden konnten.
Mirco Pasotti, Sales Area Manager von Frascold, erklärt: „Die Ergebnisse der Studie sind bemerkenswert. Die Wärmepumpe ermöglicht in der Tat Einsparungen von 51% bis 58%, je nach Zone, mit einer beträchtlichen Reduzierung der CO2-Emissionen in die Atmosphäre.“ Und Luigi Buttiglione, Technischer Direktor von Aircodue, fährt fort: „Ein Projekt von großer Bedeutung für die Bahnindustrie, wo die Wahl eines natürlichen Kältemittels eine sorgfältige Bewertung des Installations- und Regelungskontexts erfordert.“ Nach Giovanni Paone, Präsident von Aircodue, ist CO2 nicht nur eine gute Lösung für den Ausstieg aus der Verwendung von fluorierten Kältemitteln, sondern entspricht auch den Umwelt- und Sicherheitsvorschriften der wichtigsten Akteure in diesem Sektor. In dieser Hinsicht sei die Unterstützung von Frascold aufgrund deren Fachwissens in diesem Bereich von grundlegender Bedeutung gewesen. Ein langjähriger Partner, mit dem man die Zusammenarbeit fortsetzen möchte, um Technologien der nächsten Generation für eine verantwortungsvolle Entwicklung der Branche weiter voranzutreiben.
