Konvekta: Effizienz ist Trumpf

Im Jahr 2018 äußerte die Konvekta AG in einem hausinternen Seminar gegenüber ausgewählten Busfachjournalisten, dass der Wettbewerb noch mindestens drei Jahre benötigen würde, um den Vorsprung des nordhessischen Pioniers auf dem Gebiet von CO2-Wärmepumpen für Busse aufzuholen. Damals hatten Mercedes-Benz und Solaris gerade angekündigt, die zweite Generation des zu dieser Zeit gerade serienreifen Konvekta-Modells in ihren E-Bussen verbauen zu wollen. Nun, vier Jahre später sind Valeo, Eberspächer oder Thermo King noch immer nicht mit einem Serienmodell am Markt.

Auch wenn dies in nächster Zeit der Fall sein sollte, dann schrumpft der Vorsprung der Schwalmstädter nicht unbedingt. Denn sie können bereits auf einen reichen Erfahrungsschatz zurückgreifen: Mehr als 1.300 Busse und Schienenfahrzeuge befinden sich aktuell mit dem alternativen Kältemittel CO2 im Einsatz. Über 100 Verkehrsbetriebe in mehr als 40 Ländern haben die Konvekta-Systeme der Typen UL 500, 600 und 700 in ihren Busflotten im Einsatz.

Noch bei -20°C erreicht das optimierte Topmodell UL 700 EM CO2 HP mittlerweile einen hervorragenden COP-Wert von 2,02 (COP = Verhältnis von erzeugter Kälte- bzw. Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung) – d.h. je eingesetzter Kilowattstunde wird die doppelte Menge an Heizleistung erzeugt. Das System entnimmt im Schnitt 75 % der Energie der Umweltwärme und nur 25 % aus dem Batteriesystem. So lassen sich bis zu drei Viertel der Energie sparen, die ein herkömmliches Thermomanagementsystem im Bus benötigen würde.

Wärmepumpen mit dem in der Busklimatisierung gängigen Kältemittel R134a können hier nicht ansatzweise mithalten. Unterhalb von 5°C verlieren diese deutlich an Leistung sowie Effizienz und müssen von E-Heizern unterstützt werden, die enorme Energiemengen verschlingen.

Genaue winterliche Daten für Berlin wurden bei einer Vergleichsmessung für verschiedene 12-m-Solos im Februar 2020 bei Temperaturen von bis zu -10°C gesammelt. Die Busse waren mit dem EmCO2s-System von Konvekta ausgerüstet. Dabei ist die CO2-Wärmepumpe eingebettet in ein komplexes Gesamtsystem, zu dem auch das EnergyCollect-Prinzip gehört: das Sammeln von Wärmeenergie vor allem an den Achsen und in der Batterie, um diese vor allem für die Beheizung des Innenraums zur Verfügung zu stellen. Energieeinsparungen von bis zu 20 % sind so möglich.

Bedarfsgerechtes Klima

Herzstück dieses Systems ist die Clever-Control-Steuerung. Die eigens von Konvekta entwickelte Software schafft ein hochmodernes Regelungssystem, das eine große Anzahl von Parametern berücksichtigt: individuelle Wünsche des Fahrzeugherstellers oder Betreibers, Fahrzeuganforderungen (Typ, Größe der Türen etc.), Beschaffenheit der Strecke und Umgebung sowie Liveanalysen aus Sensorikdaten während der Fahrt (z.B. Passagierzahl, Luftgüte, Batterietemperatur und Außentemperatur). Auf diese Weise lässt sich die Klimatisierung bedarfsgerecht auf die Anforderungen anpassen.

Sind zum Beispiel viele Personen an Bord, muss der Innenraum weniger stark beheizt werden, da jede einzelne Person ihre eigene Körperwärme an den Bus abgibt. 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.

Die Stadtbusse in Berlin waren derart ausgerüstet ca. 14 Stunden inklusive einer Pause im Einsatz. Die Fahrtstrecke betrug pro Tag ungefähr 140 km. Die Busse wurden nicht vorkonditioniert. Die Erfassung der Messdaten erfolgte vom Antrieb über die Nebenverbraucher bis hin zu den Klimakomponenten. Die Auswertungen zeigten, dass die Innenraumsolltemperatur von 20°C problemlos über den ganzen Tag erreicht wurde. Die Fahrzeuge mit der EmCO2s-Anlage benötigten dabei im Schnitt 1,58 kWh/km. Der Anteil der reinen Traktion betrug 0,90 kWh/km, die Nebenverbraucher exklusive Heizung beanspruchten 0,30 kWh/km. Für das Thermomanagement selber mussten 0,38 kWh/km aufgewendet werden. Zum Vergleich: Mit einer reinen Elektroheizung an Bord würden solche Busse unter gleichen Bedingungen fast 2,15 kWh/km für Antrieb und Thermomanagementsystem konsumieren. Letzteres würde in solchen Fahrzeugen 
0,90 kWh/km verbrauchen – ein enormer Unterschied zur EmCO2s-Anlage von Konvekta, weit mehr als doppelter Energieeinsatz.

Bare Münze sparen

Auch wenn eine CO2-Wärmepumpe erheblich teurer ist als beispielsweise R134a-Anlagen, kann sie durch ihre Effizienz im Betrieb bare Münze sparen. Denn der Einsatz der Konvekta-Wärmepumpe zahlt sich über die Einsatzjahre eben nicht nur in einer bis zu 60 % erhöhten Reichweite im Winter aus, sondern auch finanziell. Beispielrechnung über ein Jahr für einen in Frankfurt am Main eingesetzten Solobus. Parameter: 150 km gefahrene Strecke und zwölf Einsatzstunden pro Tag bei 300 Betriebstagen pro Jahr und einem Nettostrompreis von 0,15 Euro/kWh:

Tabelle »

Folgende Beispielrechnung lässt sich für den Einsatz im nordostdeutschen Berlin und im alpennahen München aufmachen: Bei Umläufen von 150 km am Tag und 300 Betriebstagen per anno weist sie in der deutschen Hauptstadt einen jährlichen Energiebedarf von 6.167 kWh auf. Zum Vergleich die R134a-Wärmepumpe bzw. -Klimaanlage: 12.069 bzw. 12.955 kWh. Die entsprechenden Werte für München: 6.322 vs. 12.955/13.779 kWh.

Damit erzeugt das Thermomanagement in Berlin/München jährliche Energiekosten von 925/948 Euro (CO2-Wärmepumpe), 1.833/1.981 Euro (R134a-Wärmepumpe) oder 1.966/2.105 Euro (R134a-Klimaanlage). Die gesamten Betriebskosten pro Jahr betragen 1.163/1.187 Euro, 2.331/2.479 Euro bzw. 2.478/2.616 Euro. Der Mehrpreis für die CO2-Wärmepumpe amortisiert sich daher relativ schnell.

Gegenüber der R134a-Wärmepumpe ermöglicht ein mit CO2-Wärmepumpe ausgerüsteter Bus somit eine Reichweitenerhöhung (Berlin/München) von 10/17 %, einen verringerten Energieeinsatz von 50/52 % und eine Reduzierung der Betriebskosten um 1.168/1.292 Euro pro Jahr. Auch die CO2-Emissionen sinken deutlich (um 2.846/3.236 kg).

Das Heiz- und Kühlsystem fällt zudem unter die Förderung von 80 % der Investitionsmehrkosten bei E-Bussen. Mehr dazu unter https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Pressemitteilungen/2021/103-scheuer-foerderung-saubere-busse.html. Daneben gibt es für jedes Bundesland eigene Fördertöpfe, die aber in der Regel nicht kombinierbar sind.

Leicht und kompakt

Weitere Vorteile der CO2-Wärmepumpe von Konvekta: Sie besteht aus einem leichten Basismaterial, das eine hohe isolierende Wirkung besitzt. Dadurch benötigt das System weniger Kältemittel, ist deutlich leichter und servicefreundlicher, z.B. beim Tausch von Filtern. Es gelangt auch weniger Staub und Schmutz in die Systeme. Durch eine gute Leistungsperformance bis 45 kW bieten diese Vollklimasysteme die Möglichkeit von 100 % Frischluftzufuhr und eine hohe Luftaustauschrate – ein nicht unwesentlicher Punkt in Corona-Zeiten.

Aktuell forscht Konvekta an alternativen Heizmethoden – z.B. der Großflächenheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen. All diese Maßnahmen haben zum Ziel, den Wärme- und Kühlbedarf zu senken. Somit können die Klimasysteme kleiner ausgelegt werden. Durch kompaktere Bauweisen werden die Komponenten leichter, Dachanlagen beanspruchen weniger Fläche und sind sparsamer im Energieverbrauch.

Ein weiterer Punkt, um Energiekosten zu sparen, ist die Wärme- und Kälteverteilung innerhalb des Busses. Die kühle Luft, die im Sommer ins Fahrzeuginnere geleitet wird, sollte möglichst gezielt durch einen gut geführten und isolierten Luftkanal mit wenig Druckverlust in den Innenraum geleitet werden.

Zukünftig sind durch diesen methodischen Lufttransport auch neue Konzepte der Zonenklimatisierung möglich. Hierbei wird nicht mehr das gesamte Fahrzeug mit Kälte oder Wärme gleichermaßen beaufschlagt, sondern durch moderne Sensorik sowie eine intelligente Steuerung in Zonen aufgeteilt und der tatsächliche Bedarf ermittelt. Das Thermomanagement fördert nur so viel temperierte Luft, wie in einem oder mehreren exponierten Bereichen benötigt wird. Im Winter hingegen wird die warme Luft am effektivsten in den Bus eingebracht, wenn die wärmeerzeugenden Komponenten möglichst der Breite der Fenster entsprechen, dadurch wird die Fallluft (die durch die Fensterscheiben abgekühlte Luft) besser kompensiert. Somit wird die Kältestrahlung der Fenster weniger intensiv wahrgenommen, und der Fahrgast fühlt sich wesentlich behaglicher.

Im Bereich der Luftzufuhr empfiehlt Konvekta eine vertikale Luftführung. Hierbei strömt die klimatisierte Luft von oben in den Bus ein und wird im Fußbereich abgeführt. Es entsteht ein vertikaler Luftstrom, der Luftverwirbelungen verhindert und Partikel, die z.B. ausgeatmet werden, nach unten drückt und somit auch einer Verbreitung von Viren entgegenwirkt.

Schwächen im Sommer

Natürlich ist für die Zukunft auch bei der Konvekta CO2-Wärmepumpe noch Luft nach oben. Die Nordhessen verbessern ihre Anlage fortwährend und kitzeln noch mehr Effizienz heraus. Eine Herausforderung ist weiterhin die Performance bei sommerlichen Temperaturen, auch wenn an bestimmten Punkten natürlich energetische Grenzen beim Kältemittel CO2 gesetzt sind. So hat Konvekta seine CO2-Wärmepumpen Tests mit Temperaturbereichen bis 47°C ausgesetzt – in der hauseigenen Klimakammer, aber auch bei europaweiten Feldtests. Sie ergaben, dass der COP-Wert bei 35°C eben auch nur noch 2,1 beträgt und daher unwesentlich über dem bei -20°C rangiert.

Nun sind heiße Sommertage in unseren Breiten gerade in Zeiten der Erderwärmung deutlich häufiger als Tage mit strengem Frost. Daher verbrauchen die Konvekta-Anlagen in einem simulierten Modell mit ihm Schnitt leicht über 0,20 kWh/km in den Sommermonaten sogar etwas mehr als im Dezember oder Januar mit knapp 0,20 kWh. Der Vorsprung gegenüber R134a-Geräten schrumpft bei heißen Temperaturen deutlich auf einen geringen Differenzwert. Die wiederum können – wie bereits gesehen – im Winter in keiner Weise mit der CO2-Wärmepumpe mithalten. Es ist daher abzusehen, dass in Zukunft kein Weg mehr an der CO2-Wärmepumpe vorbeigeht. Eine Reihe von Busherstellern von MAN bis Menarinibus (siehe Beitrag in dieser Ausgabe auf S. 42-45) hat bereits angekündigt, in naher Zukunft auf diese Technologie umschwenken zu wollen. ■