eco2jet - energy-efficient, cost-efficient and eco-friendly HVAC system using R744 through the ÖBB railjet

Ziele/Ideen

Der Transportsektor ist für etwa ein Viertel aller Treibhausgasemissionen in der EU verantwortlich, wovon knapp 75 % durch den Straßenverkehr verursacht werden und diesen zum zweitgrößten Treibhausgasproduzenten nach dem Energiesektor machen (Quelle: http://ec.europa.eu/clima/policies/transport/index_en.htm).
Da der Transport auf der Schiene erheblich zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen beitragen kann, gibt es auf nationaler und europäischer Ebene den klaren politischen Willen in Richtung nachhaltige Verlagerung des Verkehrs von der Straße auf die Schiene, nicht zuletzt im Personenverkehr. Diese angestrebte Verkehrsverlagerung erfordert jedoch zukunftsgerichtete Lösungen, die die Attraktivität der Bahn verbessern und die Akzeptanz durch den Fahrgast entsprechend erhöhen. Dies erfordert die Entwicklung und den Einsatz innovativer Technologien, die das etablierte Image der Bahn als den „grünen und nachhaltigen“ Verkehrsträger stützen und stärken.

Der hohe Energieverbrauch konventioneller Heiz-, Lüftung- und Klimatisierungs-(HLK)-Systeme im Schienenverkehr wird – neben der Kühlung – vor allem durch die elektrische (Widerstands-)Heizung verursacht. Die Integration einer energiesparenden Wärmepumpe für den Heizbetrieb hat hier enorme Vorteile, steckt jedoch für HLK-Anlagen im Schienenverkehrssektor noch in den Kinderschuhen. Zusätzlich kann die Verwendung eines alternativen Kältemittels R744 (chemisch: CO2 - Kohlenstoffdioxid) den Bedarf an den derzeit üblichen FKW-Kältemitteln (Fluorkohlenwasserstoffe) und das damit verbundene Treibhausgaspotenzial wesentlich senken (Die verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe R134a und R407c haben ein enorm hohes Treibhauspotential (GWP) (GWPR134a = 1430; GWPR407c = 1600; dazu im Vergleich GWPR744 = 1).
R744 ist ein natürliches Kältemittel und im Vergleich zu fluorierten Kältemitteln umweltfreundlich und kostengünstig. Es ist nicht brennbar, nicht toxisch und farblos.
Diesen Vorteilen steht allerdings als Herausforderung entgegen,
dass der hohe Betriebs- sowie der erhöhte Stillstandsdruck des Kältemittels R744 bei der Dimensionierung und der Auswahl der eingesetzten Materialien und Komponenten in der Kälteanlage dementsprechend berücksichtigt werden muss.

Zu dieser Herausforderung hat sich ein industrie-getriebenes Konsortium für eco2jet zusammen getan, das relevante, international agierende Partner, die die gesamte notwendige Wertschöpfungskette für die Entwicklung, Integration und Demonstration / Betrieb der entsprechenden HLK-Anlage in einem realen Zug (Betreiber, Systemintegratoren, Tier-X-Lieferanten, Engineering-
Dienstleister und Forschungseinrichtungen) abbilden. Über einen der Top- Eisenbahnbetreiber in Europa (ÖBB) mit jahrzehntelanger Erfahrung mit Kundenwünschen und -anforderungen wird die „Stimme des Kunden“ entlang der gesamten Entwicklungskette bis hin zur Evaluierung maßgeblich in eco2jet eingebracht.

Kurzbeschreibung

Das Heizen, Lüften und Klimatisieren (HLK) von Eisenbahnzügen verbraucht eine große Menge Energie und führt zu entsprechenden Treibhausgasemissionen. Für den Personenverkehr auf der Schiene bedeutet dies bis zu 30 % des gesamten Energieverbrauchs und ist damit - nach dem Antriebssystem - der größte Verbraucher (80 MWh/Jahr).
Passagiere erwarten höchstmögliche Komfort, Bahnbetreiber sind ihrerseits gefordert deutlich reduzierte Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten (-25 %) und eine geringstmögliche Umweltbelastung zu erreichen.
Dazu hat das Konsortium von eco2jet eine innovative und umweltfreundliche HLK-Anlage mit Wärmepumpenfunktion unter Einsatz des natürlichen Kältemittels R744 (chemisch: CO2 ) entwickelt (siehe Bild 1 und 2). Die richtungsweisende Technologie ermöglicht eine Steigerung der Energieeffizienz von HLK-Anlagen im realen Bahnbetrieb um mindestens 30 %, gleichzeitig werden die bei der Energieproduktion emittierten Treibhausgase um 30 % reduziert.

Resultate

TECHNISCHE PROJEKTERGEBNISSE IN HINBLICK AUF UMWELTVERTRÄGLICHKEIT:
Die HLK-Anlage von eco2jet (lfd. Projekt bis August 2021) erzielt nach ersten Abschätzungen im realen Betrieb eine Energieeffizienzsteigerung von ca. 30 %. Um diese Aussage entsprechend zu veranschaulichen und die Energie- und Umwelteffekte darzustellen, sind folgende Rahmenbedingungen bzw. Einsatzszenarien aus dem realen Betrieb bei den ÖBB zu berücksichtigen:
• Ein ÖBB railjet verbraucht pro Einsatz-Tag insgesamt 200 kWh für die Klimatisierung (Heizen und Kühlen) eines Wagens. Die Effizienzsteigerung bewirkt also eine Reduktion des Energieverbrauchs um 60 kWh pro Tag und Wagen.
• Die ÖBB betreibt aktuell 60 siebenteilige railjets (7 Wagen pro Zug), die durchschnittlich 350 Tage im Jahr eingesetzt werden. Damit kommt man allein in dieser Zugkategorie zu einer Energieeinsparung von 8820 MWh pro Jahr.
• Durch die generelle Systemarchitektur der in eco2jet entwickelten HLK-Anlagen ist ein Einsatz aber nicht auf den ÖBB railjet oder ähnliche Zugtypen limitiert, sondern kann auch auf andere Züge im In- und Ausland übertragen werden. Je nach Anzahl der eingesetzten Züge und Zugtypen und ihrer spezifischen Energiedaten erschließt sich somit ein weiteres Potenzial bzgl. Energieeffizienz/-verbrauch.
• Bezogen auf Dieselzüge ist ein weiteres entsprechendes Potential an CO2-Reduktion gegeben, da diese Züge weniger Treibstoff für ihre HLK-Anlagen – sprich Stromerzeugung im Zug für die relevanten Zugkomponenten – benötigen. Dies schlägt sich in einem jährlichen Einsparungspotenzial von ca. 15-25 Tonnen CO2 pro Wagen nieder.
• Rechnet man die Energieeinsparpotentiale über alle Züge der ÖBB zusammen, kann man stark vereinfacht davon ausgehen, dass bei Umsetzung der eco2jet–Projektergebnisse eine Kraftwerksleistung im Umfang von 7 MW (d.h. 60000 MWh pro Jahr) eingespart werden kann/könnte. Dies entspricht z.B. dem halben ÖBB-Kraftwerk Fulpmes!

WIRTSCHAFTLICHE PROJEKTERGEBNISSE:
Die optimierte Steuerung & vorausschauende Wartungs-Funktionalität sowie die Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz, die im Rahmen von eco2jet entwickelt werden, eröffnen ein Kostenreduktionspotential von 25 % im Bereich der Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten von HLK-Anlagen für Bahnbetreiber. Das Potential setzt sich dabei aus folgenden Faktoren zusammen: Reduktion des Stromkosten, Reduktion der Ausfallszeiten der eingesetzten Züge, bessere Planbarkeit von Wartungszyklen durch rechtzeitige Information über den Zustand relevanter HLK-Anlagen-Komponenten und daraus folgende optimierte Steuerung bis zum avisierten Wartungstermin.

Eco2jet ist darauf ausgerichtet die grundsätzliche Markttauglichkeit seiner innovativen Lösungen nachzuweisen. Daher liegt der Fokus auf die Entwicklung marktnaher, massenproduktionstauglicher Komponenten und einer entsprechenden neuartigen HLK-Gesamtanlage, die in einer 1-jährigen Evaluierungsphase in einem ÖBB railjet im Echt-Betrieb getestet, demonstriert und evaluiert werden. Neben dem Nachweis der Markttauglichkeit der eingesetzten Technologien liegen die ökonomischen Vorteile des Projektes in der nachvollziehbaren Darlegung von Kosteneinsparungen für Bahnbetreiber von mindestens 25 % hinsichtlich Investition, Betrieb und Wartung gegenüber herkömmlichen HLK-Anlagen.

Ein SOZIALER MEHRWERT
ergibt sich durch die eco2jet Innovationen in vielerlei Hinsicht:
• Bereits in der Spezifikations- und die Designphase der HLK Anlage wurde auf den spezifischen Kundenbedarf hinsichtlich Komfort und Hygiene, Genderaspekte berücksichtigend, eingegangen. Der Wohlfühlfaktor von Fahrgästen wurde in einer - einen großen Repräsentationsquerschnitt umfassenden - Studie im realen Fahrbetrieb evaluiert
• Durch den prädikativen Wartungseinsatz können zukünftig Fahrplanausfälle und Verschiebungen reduziert werden. Dies spricht für eine bessere Planbarkeit und und somit Akzeptanz für Fahrten mit dem Verkehrsträger Schiene für die Gesellschaft
• Das innovative Design und der damit verbundene Regelalgorithmus bewirkt eine signifikante Reduktion der Geräuschemission. Dies spiegelt sich nicht nur für den Fahrgast sondern auch auf die Umgebung (z.B. bei Stillstand in Siedlungsgebieten, Bahnhöfen, etc.) wieder
• Geringere Kosten des Bahnbetreibers für die Investition und den Betrieb können zukünftig als Preisvorteil dem Kunden weitergegeben werden

Diese Aspekte haben neben den genannten Umweltaspekten ebenfalls Einfluss zu einem positiven "PUSH FROM ROAD TO RAIL" mit den damit verbunden Vorteil für die Gesellschaft, die Schiene als verlässliches, sicheres, grünes und kostengünstiges Transportmittel für den tägliche Verkehr zum Arbeitsplatz aber auch privat zur Verfügung zu haben.

Partner

Liebherr Transportation Systems: Unternehmenspartner, Systemintegrator

Kompetenzzentrum Das virtuelle Fahrzeug F.-GmbH: Wissenschaftlicher Partner, Simulationskompetenz

TU Graz, Institut fuer Wärmetechnik: Wissenschaftlicher Partner, HLK Anlagen Kompetenz