„Gigantischer vermeidbarer Treibstoffverbrauch“

Standkühlung für LKW-Kabinen - ITW Stuttgart entwickelt klimaneutralen Prototyp für HAPPICH
► Interview mit Dr. Ing. Henner Kerskes, Leiter Thermische Energiespeicher am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart
31.08.2016

Stuttgart/Wuppertal, Juli 2016.

► Herr Dr. Kerskes, das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart hat vor zwei Jahren durch den international führenden Innenausstatter für Nutzfahrzeuge, die HAPPICH GmbH, den Auftrag erhalten, ein klimaneutrales Verfahren für die Standklimatisierung von LKW-Kabinen zu entwickeln. Sie und Ihre Mitarbeiter haben jetzt einen Prototyp konstruiert und in Betrieb genommen. Warum ist die Standklimatisierung von LKW-Kabinen überhaupt ein Thema für die Forschung?

Dr. Kerskes: Ausgangspunkt ist, dass die herkömmliche Standkühlung einer LKW-Fahrerkabine auch heute immer noch auf mehr oder weniger klimaschädlichen Kältemitteln basiert (FCKW oder heute C0² u. a.) und häufig noch durch den im Stand laufenden Verbrennungsmotor betrieben wird. Rund 4 Liter Treibstoff pro Stunde – meist Diesel – werden hierbei verbraucht. Nicht nur in warmen, tropischen Ländern, auch in gemäßigten Klimazonen wie in Mittel- und Nordeuropa zur Sommerzeit, findet hier ein gigantischer, aber vermeidbarer Treibstoffverbrauch statt. Schon deshalb leuchtet es ein, dass unser Projekt zur Entwicklung einer klimaneutralen Standkühlung für LKW-Kabinen von Bedeutung ist. Dieses enorme Entlastungspotenzial hat auch das Wissenschaftsministerium des Landes NRW gesehen, das den Antrag auf Forschungsförderung unseres Auftraggebers, der HAPPICH GmbH, hierfür bewilligt hat.

Wie kam die HAPPICH GmbH dazu, Sie als Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik mit der Entwicklung zu beauftragen?

Die HAPPICH GmbH trat an uns mit der Idee heran und hat in uns den passenden Partner für die Entwicklung einer innovativen, ressourcenschonenden Technologie zur Standkühlung von LKW-Kabinen erkannt. Unser Institut hat über Jahrzehnte eine hohe Expertise entwickelt. So konnten wir die Entwickler von HAPPICH überzeugen, dass wir eine funktionierende Standkühlung von LKW-Kabinen nicht nur prototypisch aufbauen, sondern dabei auch basierend auf theoretischer und praktischer Forschung verwertbare Grundlagen für die beabsichtigte Serienreife zur Ausstattung künftiger LKW-Flotten erarbeiten.

Wie lauten die Vorgaben? Welchen Anforderungsmerkmalen soll die neue Standklimatisierung für LKW-Kabinen genügen?

Die Kälteerzeugung soll unabhängig vom Motorbetrieb, insbesondere bei Motorstillstand, erfolgen und ohne zusätzlichen Energieaufwand entstehen, etwa nur durch Nutzung der Umgebungs- und Abgaswärme. Das angestrebte und jetzt prototypisch realisierte Konzept ist ein sehr billiges und simples Verfahren, das sich einen einfachen physikalischen Prozess zu Nutzen macht. Zudem basiert das Verfahren auf unbedenklichen und unproblematischen Stoffen: Wasser und Zeolithe. Und durch den Verzicht auf zusätzliche Energie ist diese Standklimatisierung vollkommen emissionsfrei und klimaneutral. Da keine bewegten Teile benötigt werden, ist diese Anlage auch extrem wartungsarm. Diese Standkühlung kann sogar in vorhandene Klimatisierungsanlagen integriert oder als eigenständiges, unabhängiges System nachgerüstet werden.

Das müsste für LKW-Hersteller sehr attraktiv sein. Wie muss man sich das vorstellen? Bei der neuen klimaneutralen Kühlung von LKW-Kabinen spielen Wasser und Zeolithe eine wichtige Rolle. Wie ist die Funktionsweise?

Im Stand, bei ausgeschaltetem Motor, kühlen wir die LKW-Kabine durch Adsorptionskälte, die wir dadurch gewinnen, dass wir Wasser in einem geschlossenen Vacuumsystem bei geringer Temperatur zum Verdampfen bringen. Die dazu notwendige Energie entnehmen wir der warmen Luft aus der LKW-Kabine. Wasser wird kapillar in einen Verdampfer gezogen, wodurch die benötigte Verdampfungskälte entsteht, die zur Kühlung direkt in die LKW-Kabine geleitet wird.

Parallel speichern wir den Wasserdampf, der bekanntlich das 1000-fache Volumen des flüssigen Wassers einnimmt, auf äußerst platzsparende Weise in Zeolithen. Diese ursprünglich vulkanischen Minerale (Aluminosilikate) in Form hoch poröser Kügelchen besitzen eine fantastische Adsorptionsfähigkeit: Nur 1 Gramm ergibt ausgebreitet eine Oberfläche von 1.000 Quadratmetern! Während der Kühlphase saugt das Zeolith den Wasserdampf allmählich auf, bis die gesamte Wassermenge zwischengespeichert ist.

Befindet sich der LKW wieder im Fahrbetrieb, wird die Abgaswärme des Verbrennungsmotors genutzt, um das mit Wasser gesättigte Zeolith zu erwärmen und es so wieder vollständig zu dehydrieren (Desorption). Das Wasser im Zeolith entweicht als Dampf, verflüssigt sich in einem Kondensator und fließt in den Wasserbehälter zurück – bereit für die nächste Standkühlung.

Übrigens: Zeolith und Wasser liegen unverbraucht und unverändert vor und können beliebig oft zur Adsorption bzw. Desorption genutzt werden.

Wie leistungsfähig ist denn diese klimaneutrale Standklimatisierung?

Der derzeitige Prototyp ist ausgelegt für eine Leistung von 1,3 kW für die erste Stunde und dann für ca. 500 Watt für weitere 7 Stunden, um die abgekühlte Luft auf der Zieltemperatur zu halten – in Abhängigkeit vom Kühlbedarf der Kabine. Die Kühlkapazität beträgt ca. 6 bis 8 kWh.

Sind Sie die einzigen, die sich forschend mit der Standklimatisierung von LKW-Kabinen beschäftigen?

Mit alternativen Kühlverfahren von LKW-Kabinen während des Stands beschäftigen sich eine Reihe von Unternehmen und Institutionen, LKW-Hersteller selbst wie auch forschende Fachkollegen. Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Adsorptionskälte durch Einsatz von Wasser und Zeolith ist – mit Abweichungen – beispielsweise in der Hausklimatechnik bereits auf dem Markt. Bei dem von uns für HAPPICH entwickelten Prototyp ist weniger das auf Zeolith und Wasser basierende Adsorptionskälte-Verfahren neu, als vielmehr sein Einsatz zur Kühlung in LKW-Kabinen. Diesen eingegrenzten, wenn auch vom Marktvolumen sehr bedeutsamen Anwendungsbereich, hat HAPPICH bereits zum Patent angemeldet.

Wo liegen jetzt die weiteren Herausforderungen? Was sind die nächsten Entwicklungsschritte?

Als Universität ist es unser primäres Ziel, neues Wissen zu generieren. Wir setzen uns experimentell und praktisch mit den physikalischen Prozessen auseinander. Deshalb arbeiten wir daran, die gesamten Prozesse und Funktionen bis ins Detail numerisch abzubilden und mathematisch zu beschreiben. Durch Inbetriebnahme des Prototyps wissen wir jetzt, dass das Grundprinzip wie erwartet funktioniert. Das müssen wir jetzt noch im Langzeitbetrieb absichern. Ebenso ist die verlässliche Regelbarkeit des Systems ein Entwicklungsschritt an dem wir arbeiten.

Die nächste Herausforderung ist eine Leistungssteigerung der Klimatisierung bei gleichzeitiger Reduzierung der Baugröße. Dies ist ein besonders wichtiger Schritt, da hierdurch die Integration der Anlage in die Fahrzeugperipherie einfacher wird. Danach wird es in die nächste Langzeiterprobungsphase unter Realbedingungen gehen, nicht zuletzt am fahrenden LKW.
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