CO2-Wärmepumpe steigert Effizienz von Elektrofahrzeugen
Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) hat in den letzten Jahren eine rasante Dynamik erfahren, wobei die Reichweite und die Energieeffizienz nach wie vor zentrale Herausforderungen darstellen – besonders in kalten Klimazonen. Während moderne Elektrofahrzeuge in sommerlichen Bedingungen beeindruckende Leistung und Reichweite bieten, zeigen sich im Winter oft erhebliche Einbußen, hauptsächlich aufgrund des erhöhten Energiebedarfs für die Kabinenheizung. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die durch Abwärme eine natürliche Heizquelle darstellen, müssen Elektrofahrzeuge auf elektrische Zusatzheizungen zurückgreifen, die direkt aus der Hochvoltbatterie gespeist werden. Dies führt zu einem erheblichen Verlust an nutzbarer Reichweite, was bei vielen Nutzern als „Reichweitenangst“ bekannt ist.
Ein neu veröffentlichtes Forschungsprojekt aus China könnte diese Hürde nun überwinden. Wissenschaftler der Jilin University in Zusammenarbeit mit Ingenieuren von Wuhu Chery Technology und Ethernal Automotive Technology haben ein CO2-basiertes Wärmepumpensystem entwickelt und in realen Fahrtests unter extremen Winterbedingungen validiert. Die Ergebnisse zeigen nicht nur, dass das System bei Außentemperaturen von bis zu -23 °C zuverlässig und effizient arbeitet, sondern auch, dass es im Vergleich zu herkömmlichen R134a-Wärmepumpen mit PTC-Heizung deutlich weniger Energie verbraucht. Diese Innovation könnte einen Paradigmenwechsel in der Klimatisierungstechnik von Elektrofahrzeugen einleiten.
Das Herzstück der neuen Technologie ist der Einsatz von Kohlendioxid (CO2, auch als R744 bezeichnet) als natürliches Kältemittel. Im Gegensatz zu synthetischen Kältemitteln wie R134a, die ein hohes Treibhauspotenzial (GWP) von etwa 1300 aufweisen, hat CO2 ein GWP von nur 1 und trägt somit nahezu nichts zum Klimawandel bei, falls es austritt. Zudem ist es nicht brennbar, ungiftig und in der Natur reichlich vorhanden. Bereits seit einigen Jahren wird CO2 in industriellen Kälteanlagen und in der europäischen Supermarktbranche erfolgreich eingesetzt. Die Übertragung dieser Technologie auf den Automobilbereich war jedoch aufgrund der hohen Betriebsdrücke und der komplexen Regelungstechnik eine technische Herausforderung.
Die Forschungsgruppe hat ein vollständig funktionstüchtiges Wärmepumpensystem entwickelt, das sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus arbeitet. Im Heizmodus wird die Wärme aus der kalten Außenluft durch den CO2-Kreislauf aufgenommen, verdichtet und anschließend über einen Innenraumwärmetauscher (Innenkondensator) an die Fahrzeugkabine abgegeben. Aufgrund der besonderen thermodynamischen Eigenschaften von CO2 arbeitet das System im sogenannten transkritischen Bereich, was bedeutet, dass der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand nicht über eine klassische Kondensation erfolgt, sondern über einen sogenannten Gaskühler. Dieser Prozess ermöglicht eine besonders effiziente Wärmeabgabe, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, wo traditionelle Systeme an ihre Leistungsgrenzen stoßen.
Die durchgeführten Fahrversuche wurden unter realen Bedingungen durchgeführt, was die Aussagekraft der Ergebnisse erheblich erhöht. Die Tests fanden bei Außentemperaturen von -15 °C und -23 °C statt, wobei die Fahrzeuge sowohl im Fahrbetrieb als auch im Leerlauf (Standheizung) bewertet wurden. An strategisch wichtigen Stellen im Fahrzeuginnenraum, insbesondere an den Fußpositionen der Insassen, wurden präzise K-Typ-Thermoelemente installiert, um die Luft- und Oberflächentemperaturen kontinuierlich zu erfassen. Die Messungen erfolgten sowohl an den Luftaustritten der Klimaanlage als auch direkt im Bereich der Füße, um ein realistisches Bild des thermischen Komforts zu erhalten.
Die Ergebnisse waren beeindruckend. Bei einer Außentemperatur von -15 °C erreichte die Austrittslufttemperatur am Fahrerfußbereich innerhalb der ersten fünf Minuten nach Fahrzeugstart eine Steigerungsrate von durchschnittlich 0,2 °C pro Sekunde. Nach 30 Minuten Fahrbetrieb und 10 Minuten Leerlauf stabilisierte sich die Austrittstemperatur bei etwa 50,5 °C, während die tatsächlich gemessene Fußtemperatur bei 33,1 °C lag – ein Niveau, das als angenehm und komfortabel gilt. Der Beifahrerfußbereich erreichte sogar 57,9 °C Austrittstemperatur und 41,5 °C Oberflächentemperatur. Alle gemessenen Werte lagen deutlich über den festgelegten Fahrzeugtechnischen Spezifikationen (VTS), was die hohe Leistungsfähigkeit des Systems belegt.
Noch bemerkenswerter waren die Ergebnisse bei einer Außentemperatur von -23 °C. Hier stieg die durchschnittliche Austrittstemperatur am Fußbereich um etwa 2,86 % im Vergleich zum Test bei -15 °C an. Der Fahrerfußbereich erreichte stabil 54 °C, der Beifahrerfußbereich 62 °C. Diese leichte Steigerung der Heizleistung bei sinkenden Außentemperaturen ist ein charakteristisches Merkmal von CO2-Wärmepumpen und steht im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Systemen, die bei extremer Kälte an Effizienz verlieren. Dieses Verhalten erklärt sich aus der hohen Wärmeaufnahmefähigkeit von CO2 aus kalter Luft, die es ermöglicht, auch bei sehr niedrigen Temperaturen noch ausreichend Wärme aus der Umgebung zu extrahieren.
Um den tatsächlichen Nutzen der neuen Technologie zu quantifizieren, wurde das CO2-System direkt mit einem herkömmlichen R134a-Wärmepumpensystem verglichen, das zusätzlich eine elektrische PTC-Heizung (Positive Temperature Coefficient) zur Unterstützung nutzt. Der Vergleichstest wurde bei etwa -22 °C Außentemperatur unter gleichen Fahrbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine klare Überlegenheit des CO2-Systems auf mehreren Ebenen.
Zunächst einmal erwärmte sich die Kabine mit dem CO2-System schneller. In den ersten 300 Sekunden lag die durchschnittliche Aufwärmrate am Fahrerfußbereich bei 0,21 °C pro Sekunde, was eine Steigerung von 9,52 % gegenüber dem R134a-System mit PTC-Unterstützung (0,19 °C/s) darstellt. Auch in den nachfolgenden Phasen blieb die Aufwärmrate des CO2-Systems höher, was auf eine stärkere und stabilere Heizleistung hindeutet.
Der entscheidende Vorteil liegt jedoch in der Energieeffizienz. Während das R134a-System zu Beginn auf die PTC-Heizung angewiesen war, die kurzzeitig eine elektrische Leistung von bis zu 8,5 kW aufnahm, arbeitete der Kompressor des CO2-Systems mit einer Spitzenleistung von 4,2 kW, die sich schnell auf etwa 3,2 kW stabilisierte. Der Kompressor des R134a-Systems verbrauchte zusätzliche 1,2 kW, sodass die Gesamtleistungsaufnahme (Kompressor + PTC) bei etwa 4,4 kW lag. Im direkten Vergleich verbrauchte der CO2-Kompressor somit etwa 28,6 % weniger Leistung als die kombinierte Leistungsaufnahme des R134a-Kompressors und der PTC-Heizung.
Dieser Effizienzvorteil summieren sich über die Fahrtdauer. Die kumulative Energieaufnahme des CO2-Systems war im gesamten Testverlauf um durchschnittlich 35,4 % geringer als die des R134a-Systems. Für den Endverbraucher bedeutet dies eine erhebliche Entlastung der Batterie und damit eine signifikante Verlängerung der nutzbaren Reichweite im Winter. Eine Fahrzeugbatterie, die bei Verwendung einer herkömmlichen Heizung bis zu 40 % ihrer Reichweite in kalten Bedingungen verlieren kann, könnte mit einem CO2-Wärmepumpensystem diesen Verlust auf unter 25 % reduzieren. Dies entspricht einer Reichweitenverbesserung von mehreren Dutzend Kilometern auf einer typischen Winterfahrt.
Die Vorteile des CO2-Systems gehen über die reine Energieeinsparung hinaus. Die Verwendung eines natürlichen Kältemittels mit minimalem Umweltimpact ist ein entscheidender Schritt in Richtung Nachhaltigkeit. Mit der zunehmenden Regulierung hochgradig klimaschädlicher Kältemittel im Rahmen internationaler Abkommen wie dem Kioto-Protokoll und dem Kigali-Abkommen gewinnt die Umstellung auf umweltfreundliche Alternativen an Bedeutung. CO2 stellt hier eine zukunftssichere Lösung dar, die nicht nur die heutigen, sondern auch zukünftige Umweltstandards erfüllt.
Ein weiterer Vorteil ist die verbesserte Systemstabilität. Die Messungen zeigten, dass die Leistungsaufnahme des CO2-Kompressors sehr gleichmäßig verlief, mit minimalen Schwankungen nach der Anlaufphase. Im Gegensatz dazu zeigte das R134a-System mit PTC-Heizung starke Leistungsspitzen und eine instabilere Betriebsweise, was nicht nur die Effizienz beeinträchtigt, sondern auch zusätzliche Belastungen für die elektrische Fahrzeugarchitektur darstellt. Die konstante und vorhersehbare Leistungsaufnahme des CO2-Systems erleichtert die Integration in das Gesamtenergiemanagement des Fahrzeugs.
Die Forscher betonen, dass die Leistung des Systems nicht allein auf das Kältemittel zurückzuführen ist, sondern auch auf eine sorgfältige Systemintegration und intelligente Regelungsstrategien. Der Einsatz eines internen Wärmetauschers (IHX) zur internen Wärmerückgewinnung zwischen Hoch- und Niederdruckseite des Kreislaufs trägt erheblich zur Effizienzsteigerung bei. Zudem ermöglichen elektronische Expansionsventile eine präzise Steuerung des Kältemittelflusses, was die Anpassung an wechselnde thermische Lasten und Umgebungsbedingungen optimiert.
Aus Sicht der Serienfertigung stellt die Umstellung auf CO2-Systeme zwar Herausforderungen dar, insbesondere hinsichtlich der höheren Betriebsdrücke, die robustere Komponenten und dichtere Verbindungen erfordern. Dies kann zu höheren Material- und Fertigungskosten führen. Allerdings deuten Erfahrungen aus anderen Branchen darauf hin, dass diese Kosten mit zunehmender Serienreife und Skalierung deutlich sinken werden. Die langfristigen Vorteile – höhere Reichweite, geringerer Energieverbrauch, verbesserte Umweltbilanz und regulatorische Zukunftssicherheit – überwiegen die anfänglichen Investitionen bei weitem.
Darüber hinaus eröffnet das CO2-Wärmepumpensystem neue Möglichkeiten für ein integriertes thermisches Fahrzeugmanagement. Moderne Elektrofahrzeuge erzeugen Wärme in der Batterie, den Leistungselektroniken und den Elektromotoren, die gekühlt werden müssen. Ein CO2-basiertes System könnte dieses Abwärme nutzen und gezielt in die Kabine leiten, um die Heizleistung weiter zu erhöhen. Zukünftige Systeme könnten sogar in der Lage sein, die Batterie während kalter Starts aktiv zu erwärmen, während gleichzeitig die Kabine beheizt wird – eine Funktion, die die Leistung, Lebensdauer und Reichweite von EVs in kalten Klimazonen erheblich verbessern würde.
Die durchgeführten Langzeitfahrtests unter extremen Bedingungen zeigten zudem eine hohe Zuverlässigkeit und Stabilität des CO2-Systems. Es traten keine nennenswerten Leistungseinbußen oder technische Probleme auf, was die Tauglichkeit für den Serieneinsatz unterstreicht. Die präzise Temperaturregelung und der geringe Temperaturgradient zwischen den verschiedenen Sitzplätzen tragen zu einem hohen Maß an thermischem Komfort für alle Insassen bei.
Für die Automobilindustrie markieren diese Ergebnisse einen wichtigen Meilenstein. Sie liefern belastbare, realitätsnahe Daten, die die Überlegenheit von CO2-Wärmepumpen im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen unter Beweis stellen. Die Studie, die auf umfangreichen Fahrversuchen basiert, bietet eine solide Grundlage für die Entwicklung und Serienreife dieser Technologie. Sie zeigt, dass CO2 nicht länger nur eine theoretische Alternative ist, sondern eine praktikable und leistungsstarke Lösung für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen.
Die Implikationen dieser Forschung sind weitreichend. Sie adressiert eine der letzten verbleibenden Schwachstellen der Elektromobilität – die winterliche Reichweite – und bietet eine technisch ausgereifte, umweltfreundliche und wirtschaftlich sinnvolle Lösung. Für Verbraucher bedeutet dies mehr Freiheit, mehr Zuversicht und eine bessere Nutzung ihres Fahrzeugs über das ganze Jahr hinweg. Für die Hersteller eröffnet es die Möglichkeit, ihre Produkte durch eine entscheidende Verbesserung der Effizienz und des Komforts weiter von der Konkurrenz abzuheben.
In einem Markt, der zunehmend von Effizienz, Nachhaltigkeit und technologischer Führerschaft geprägt ist, könnte die CO2-Wärmepumpe zu einem entscheidenden Differenzierungsmerkmal werden. Die Ergebnisse dieser Studie liefern den notwendigen wissenschaftlichen und praktischen Nachweis, dass die Technologie bereit für die Serienreife ist. Die Zukunft der Elektromobilität ist nicht nur elektrisch, sondern auch intelligent in der Nutzung von Energie – und CO2 könnte dabei eine zentrale Rolle spielen.
Von Lou Hui (Wuhu Chery Technology Co., Ltd.), Wang Jun (Ethermal Automotive Technology (Changshu) Co., Ltd.), Teng Haixu, Liu Guidan, Li Xiaotong, Li Bin (State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University). Erschienen in Chinese Journal of Refrigeration Technology, DOI: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.04.206