Fachhochschule Nordwestschweiz Hochschule für Technik

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Das Auto als mobile Energiestation

6. Semester , Energie- und Umwelttechnik, Vertiefung Energiesysteme

Auftraggeber: Max Lenz

Ansprechperson / Projektcoach: Prof. Dr. Nicola Schulz

Studierender: Patrick Stebler

Experte: Gianfranco Guidati

Abgabedatum: 14. August 2014

Dokumentenname: Projektdokumentation

Projektnummer: 35

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Management Summary

Elektroautos sind sparsam, haben keine direkten Emissionen und sind im Betrieb nahezu lautlos.

Trotz dieser offensichtlichen Vorteile haben sie auf dem Markt bisher einen schweren Stand. Die schwerwiegendsten Nachteile sind die hohen Kosten und die, vor allem im Winter, geringe

Reichweite. Am Ende des Jahres 2013 waren in der Schweiz gerade einmal 2‘683 Elektrofahrzeuge registriert. Dies entspricht 0.6 ‰ des Schweizerischen Bestands an Personenwagen.

Die vorliegende Dokumentation beschäftigt sich mit dem Thema, ob die Nachteile der

Elektrofahrzeuge mit einem neuen Konzept verkleinert oder sogar behoben werden können. Dazu soll in einem Elektrofahrzeug das Blockheizkraftwerk (BHKW) ecoPower 1.0 inkl. Gastank mitgeführt werden. Während der Autofahrt werden im BHKW, durch die Verbrennung des Gases, Wärme und Strom erzeugt. Das Konzept sieht vor, diese Energien dazu einzusetzen, die Reichweite des

Fahrzeugs zu erhöhen. Zusätzlich sollen Wärme und Strom an ein Gebäude abgegeben werden können, wenn das Fahrzeug parkiert ist.

Aufgrund der Annahme, dass dieses mobile Heizungs- & Fahrzeugsystem in einem Neubau

umgesetzt wird, wurden konventionelle Varianten mit Wärmepumpe (WP), Dieselfahrzeug, BHKW und Elektrofahrzeug mit identischem Nutzen gebildet und mit dem neuen Konzept verglichen. Es wurde untersucht, ob das Konzept technisch, wirtschaftlich oder ökologisch Vorteile bringt.

Auf der Basis von getätigten Berechnungen kann ausgesagt werden, dass mit dem mobilen Konzept die Winterreichweite des Elektrofahrzeugs etwa auf dessen Sommerreichweite verbessert werden kann. Dies entspricht einer Erhöhung der Winterreichweite um rund 30 % und ist sicherlich nicht unerheblich. Eine Lösung des Reichweiten-Problems ist es jedoch nicht. Die Sommerreichweite kann mit dem Konzept nicht erhöht werden.

Erschwerend kommt hinzu, dass diese zusätzliche Reichweite im Winter sehr teuer erstanden werden muss. Der Nettobarwert des mobilen Konzepts ist auf einen Zeitraum von 15 Jahren rund CHF 41‘000.- höher, als der einer vergleichbaren Variante mit Dieselfahrzeug und WP.

Es kann also vielmehr von einer Entschärfung des einen (Reichweite) und einer Verschärfung des anderen (Kosten) Nachteils gesprochen werden. Wirklich gelöst ist durch die Variante keiner der beiden Haupt-Nachteile.

Zusätzlich entstehen durch die mobile Variante neue technische Herausforderungen: Das

Blockheizkraftwerk muss für den Betrieb an ein Stromnetz angeschlossen sein. Bei der Fahrt muss deshalb ein solches Netz künstlich generiert werden. Würde dies gelingen, muss eine Lösung gefunden werden, wie die produzierte elektrische Energie in den Fahrzeugkreislauf eingespiesen werden kann. Elektrofahrzeuge besitzen eine Software, welche die Stromflüsse reguliert und dies somit verhindert. Ausserdem wird das Bewilligungsverfahren beim Strassenverkehrsamt einige Zeit in Anspruch nehmen und es entstehen diverse Komfort Einbussen.

Wären all diese Hürden gemeistert, fehlt aber immer noch die nötige Infrastruktur in Gebäuden um mit solchen Fahrzeugen überhaupt arbeiten zu können. Die nötigen baulichen Massnahmen, damit eine sinnvolle Anzahl an Gebäuden die Wärme und den Strom einer solchen mobilen Energiestation überhaupt aufnehmen könnte, wären schlicht gigantisch.

Mit Hilfe einer Ökobilanz wurde errechnet, dass, wenn das Konzept optimal umgesetzt wird, es dennoch eine höhere Umweltbelastung als andere Varianten aufweist. Die geringste

Umweltbelastung verursacht die Variante mit Dieselfahrzeug und BHKW. Erweitert man gedanklich die Systemgrenze und überlegt sich, welche Umweltbelastung beim Erstellen der notwendigen Infrastruktur für das mobile Konzept entstehen würde, ist sie sogar alles andere als ökologisch.

Es gibt interessante Alternativen zum mobilen Konzept. Mit einer 1.9 kg leichten Bioethanol- Heizung von Webasto könnte ein ähnlicher Effekt, wie mit der mobilen Energiestation, erzielt werden. Dies mit viel geringerem baulichem, finanziellem und zeitlichem Aufwand.

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ...1

2. Theoretische Grundlagen ...2

2.1. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) / Blockheizkraftwerk (BHKW) ... 2

2.2. Elektrofahrzeuge ... 7

2.3. Wärmepumpen (WP) ... 12

2.4. Ökobilanzierung ... 13

2.5. Batterien & Akkumulatoren ... 15

3. Das Auto also mobile Energiestation ... 17

3.1. Konzeptbeschreibung ... 17

3.2. Modell ... 18

3.3. Technischer-Vergleich & allgemeine Überlegungen ... 21

3.3.1. Ergebnis ... 34

3.4. Wirtschaftlichkeits-Vergleich ... 35

3.4.1. Ergebnis ... 43

3.4.2. Sensitivitätsanalyse ... 46

3.5. Ökologischer-Vergleich ... 49

3.5.1. Ergebnis ... 55

3.6. Gesamt-Fazit... 57

4. Variantenvergleich ... 58

4.1. Ergebnis ... 60

5. Alternativen zum Konzept ... 63

6. Schlusswort ... 78

7. Reflexion ... 79

A. Anhang ... 80

A-1 Plakat ... 80

A-2 Glossar ... 81

A-3 Ehrlichkeitserklärung ... 83

B. Daten-DVD ... 84

C. Verzeichnisse ... 85

C-1 Literatur... 85

C-2 Abbildungsverzeichnis ... 90

C-3 Tabellenverzeichnis ... 91

1. EINLEITUNG

Sie sind sparsam, produzieren keine direkten Emissionen und sind dazu noch leise. Die Vorteile von Elektrofahrzeugen scheinen offensichtlich. Sie besitzen jedoch auch Nachteile wie eine geringere Reichweite und sind teurer in der Anschaffung als herkömmliche Fahrzeuge. Auch, oder gerade deshalb, haben Elektrofahrzeuge einen schweren Stand auf dem Markt. Am Ende des Jahres 2013 waren in der Schweiz gerade einmal 2‘683 Elektrofahrzeuge registriert¹.

Ein weiterer Nachteil bei Elektrofahrzeugen stellt im Winter² die Fahrzeugheizung dar. Die Beheizung des Fahrzeugs muss entweder elektrisch erfolgen, was sich negativ auf die Reichweite auswirkt oder es muss ein zusätzlicher Verbrennungsmotor mit fossilen Brennstoffen eingesetzt werden. Bei verschiedenen Fahrzeugen wird heute bereits ein Verbrennungsmotor mit Generator eingesetzt, welcher bei schwacher Batterie aktiviert wird, um die Batterie aufzuladen und die Reichweite zu erhöhen („Range-Extender“). In einem solchen Fall kann die Abwärme zur

Fahrzeugheizung genutzt werden. Diese Verbrennungsmotoren werden aber zeitlich nicht optimal genutzt.

Im Rahmen dieses Projekts soll untersucht werden, ob mit Hilfe eines Blockheizkraftwerks (BHKW) die Nachteile der Elektrofahrzeuge aufgehoben und die Vorteile ausgebaut werden können. Das Konzept sieht vor, dass ein Verbrennungsmotor und gleichzeitig Generator in Form eines BHKWs (Gas, Benzin oder Diesel) mit dem Fahrzeug mitgeführt wird. Das BHKW soll im Gegensatz zum herkömmlich eingebauten Verbrennungsmotor nicht nur beim Fahren genutzt werden, sondern auch dann, wenn das Fahrzeug nicht bewegt wird und ein Anschluss an ein Wärme- und Elektronetz vorhanden ist.

Die während der Fahrt produzierte elektrische Energie könnte genutzt werden, um eine Vergrösserung der Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erzielen. Die thermische Energie wird gleichzeitig zum Beheizen des Fahrerabteils genutzt und um die Batterie auf „Sommertemperatur“

zu halten, was ebenfalls einen positiven Effekt auf die Reichweite hat.

Während das Elektrofahrzeug parkiert ist, kann die Wärme an ein Gebäude abgegeben und der Strom ins elektrische Netz gespiesen werden. Des Weiteren soll die Möglichkeit vorhanden sein, das BHKW im Sommer vom Fahrzeug zu trennen respektive auszuladen, um so die Fahrzeugmasse zu reduzieren und die Ladefläche des Fahrzeugs nutzen zu können.

Im Rahmen des Projekts wird ein solches Konzept beschrieben und auf Vor- und Nachteile geprüft.

Es werden Fragen zur Wirtschaftlichkeit, Ökologie und technischen Machbarkeit beantwortet, eine praktische Umsetzung ist nicht vorgesehen.

In einem nachfolgenden Projekt könnte man eine praktische Umsetzung anstreben und ein Konzept entwerfen, wie der, beim Trennen des BHKWs vom Fahrzeug entstehende Leerraum, optimal genutzt werden kann. Beispielsweise durch ein ausziehbares Solarpanelrack.

Im nachfolgenden Bericht wird zuerst auf theoretische Aspekte, die Methodik und das Vorgehen des Projektes eingegangen. Anschliessend sind die Resultate und deren Interpretationen

festgehalten.

1 Vgl. (Bundesamt für Statistik BFS, 2014)

2 Vgl. (Sedlak, kein Datum)

2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN

In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen, welche wichtig für das Verständnis der Projektdokumentation sind, erklärt. Für detailliertere Informationen können die angegebenen Quellen oder weitere Fachliteratur konsultiert werden.

2.1. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) / Blockheizkraftwerk (BHKW)

Die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme bezeichnet man im generellen als Wärme- Kraft-Kopplung (WKK). Baut man eine solche WKK-Anlage in kompakter Form, spricht man von einem Blockheizkraftwerk. Blockheizkraftwerke sind also kompakte Energieerzeugungseinheiten welche dazu eingesetzt werden Wärme und Strom aus einem Brennstoff zu erzeugen.

Funktionsweise

Ein Verbrennungsmotor wird mit einem Brennstoff (Gas, Heizöl etc.) und Verbrennungsluft aus dem Raum versorgt. Die so zugeführte Energie wird in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt um mit einem Motor mechanische Energie zu generieren. Aus dieser mechanischen Energie kann mittels Generator elektrische Energie erzeugt werden, welche dezentral genutzt oder dem

Stromnetz zugeführt werden kann. Die beim Verbrennungsvorgang des Brennstoffs und im Motor freigesetzte Wärme, wird in einem inneren Kühlkreislauf gesammelt und kann so dem

Heizungssystem eines Gebäudes mit Vorlauftemperaturen von bis zu 90° Celsius zur Verfügung gestellt werden.

Das oben beschriebene Funktionsprinzip ist in Abbildung 1³ schematisch dargestellt.

Der exergetische Wirkungsgrad steigt, weil sowohl Nutzwärme als auch Arbeitsleistung gleichzeitig entstehen. Damit ist der Brennstoff exergetisch besser ausgenutzt, als wenn er für eine getrennte Produktion von Wärme und Arbeit genutzt würde. Die Voraussetzung ist jedoch, dass die beiden Energieformen gleichzeitig abgenommen bzw. verwendet werden können.

3 Vgl. (Kimmerle, 2014)

Abbildung 1 Funktionsprinzip BHKW

Der Nutzungsgrad einer solchen Anlage ist folgendermassen definiert:

Qab ist dabei der nicht genutzte Anteil der zugeführten Energie. Somit werden im Nutzungsgrad die beiden Energieformen (Wärme und Arbeit) als gleichwertig betrachtet. Im Idealfall wäre der Nutzungsgrad einer Anlage 100 %⁴. Mit elektrischen Wirkungsgraden (abhängig von der

Anlagengrösse) um 25-38 % und der thermischen Nutzung des Brennstoffs können Nutzungsgrade von bis zu 95 % erreicht werden.

Im Rahmen einer Studie hat sich das Bundesamt für Energie mit WKK- resp. BHKW-Anlagen

auseinandergesetzt um zu entscheiden, ob solche Anlagen in Zukunft vom Staat gefördert werden sollen oder nicht. Aus diesem Dokument wurden untenstehend die Vor- / Nachteile entnommen und aufgelistet.

Vor- und Nachteile von WKK

„Fossile WKK-Anlagen verfügen über folgende Vorteile:

o Hohe Brennstoffausnutzung durch gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme

Wesentliches Merkmal der WKK ist, dass durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme der Brennstoffausnutzungsgrad im Vergleich zur getrennten Erzeugung wesentlich erhöht werden kann und somit der erforderliche Primärenergieeinsatz verringert wird.

o Dezentrale, verbrauchernahe Erzeugung von Strom und Wärme

In der Regel werden WKK-Anlagen in der Nähe des Wärmebedarfs platziert und erzeugen somit verbrauchernah Strom und Wärme. Dadurch können Übertragungsverluste gering gehalten werden.

o Bedarfsgerechte Stromproduktion möglich

Aufgrund der Anlagencharakteristik ist bei hohem Wärmebedarf eine regelbare

Stromproduktion möglich. Damit können die WKK-Anlagen im Winter Elektrizität erzeugen, wenn aus Wasserkraft und Sonnenenergie geringer ist.

o Hohe Akzeptanz und kurze Realisierungsdauer

Da die WKK-Anlagen keine sichtbaren Auswirkungen auf Natur und Landschaft haben, ist die soziale Akzeptanz dieser Stromproduktionsanlagen hoch.

o Ausgereifte und zuverlässige Technologie

Die Technologie der Verbrennungsmotoren und jene der Gas- und Dampfturbinen sind ausgereift und zuverlässig. Gewisse Verbesserungen beim Wirkungsgrad und den Luftschadstoffemissionen sind noch möglich, z.B. bei den Stirling-Motoren oder Brennstoffzellen.

4 Vgl. (Stuber & Gossweiler, S. 30-31)

zu ab

Q Q Energie

zugeführte Wärme Arbeit



 

 1



o Einsatz erneuerbarer und fossiler Energieträger möglich

WKK-Anlagen ermöglichen grundsätzlich den Einsatz fossiler als auch erneuerbarer Energieträger.

Zu den Nachteilen zählen die folgenden Punkte:

o Zusätzliche CO2-Emissionen

WKK-Anlagen werden meist mit fossilen Brennstoffen betrieben. Dies führt zu entsprechend höheren CO2-Emissionen.

o Schadstoffemissionen (NOx und CO)

Bei allen Hochtemperatur-Verbrennungsprozessen entstehen Schadstoffe (insbesondere Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO)) sowie Feinstaub.

o Wärmeabnehmer (und allenfalls Fernwärmenetze) erforderlich

Damit die theoretische hohe Brennstoffausnutzung in der Praxis auch erreicht werden kann, ist die Sicherstellung des erforderlichen Wärmebedarfes unerlässlich. Optimalerweise soll dieser Wärmebedarf möglichst gleichmässig vorliegen. Da Wärmeabnehmer dezentral vorliegen, sind Nah- und Fernwärmesysteme für die Verteilung der Wärme notwendig. Ein Neubau von Nah- und Fernwärmesystemen ist sehr kostenintensiv und mit einer langen Nutzungsdauer verbunden.

o Wärmebedarf ist aufgrund verstärkter Gebäudesanierungen tendenziell sinkend

Aufgrund verstärkter Gebäudesanierungen ist künftig mit einem wesentlich verringerten Wärmebedarf im Gebäudebereich zu rechnen.

o Kleine Anlagen können oft nicht wirtschaftlich betrieben werden

Vergleichsweise hohe Stromgestehungskosten bei kleinen Anlagen, zudem Abhängigkeit von volatilen Preisen fossiler Energieträger.

o Mit fossilen WKK-Anlagen werden gewisse erneuerbare Energien konkurrenziert, was klimapolitisch nicht gewollt ist.“⁵

Anhand des Berichts wurde entschieden, dass WKK-Anlagen in der Schweiz nicht subventioniert werden. In Deutschland werden die Anlagen hingegen seit dem 1. Januar 2009 staatlich gefördert.

Netzbetreiber sind dort verpflichtet, eine BHKW-Anlage an ihr Stromnetz anzuschliessen und den, ins öffentliche Netz eingespiesenen Strom, zu vergüten.

Damit sind die grundsätzlichen Eigenschaften und das Funktionsprinzip von BHKWs erklärt. Für die Grösseneinteilung der Anlagen werden Begriffe wie Mini-, Mikro- und Nano-BHKW verwendet. Eine klare Definition der Begriffe fehlt jedoch. Üblicherweise liegt die elektrische Leistungen von BHKW- Anlagen zwischen einem Kilowatt (kW) und einigen zehn Megawatt (MW). Für eine grobe Einteilung kann man sagen, dass unter 50 kW von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK) gesprochen wird.

Liegt die Leistung unter 15 kW, bezeichnet man die Anlage als Mikro-KWK. Solche Mini- und Mikro- KWK werden unter anderem in Ein- und Mehrfamilienhäusern, in Betrieben und im Siedlungsbau verwendet. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung wird auch in Heizkraftwerken genutzt. Die elektrische Leistung beläuft sich dort auf einige hundert MW.⁶

5 Zitat von (Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, 2012)

6 Vgl. (Wikipedia, 2014)

Projektdokumentation 5

Mirko-BHKW ecoPower 1.0 von Vaillant

Das im Rahmen dieser Projektarbeit verwendete BHKW stammt von der Firma Vaillant. Als Komplettsystem wird es unter dem Namen „mikro-BHKW ecoPower 1.0“ angeboten. Dieses Komplettsystem (Abbildung 2⁷) beinhaltet neben dem BHKW-Modul (Mitte-links) und der

Steuerung (Mitte-rechts) noch den Multi-Funktionsspeicher mit Trinkwasserstation (rechts) und das Gasbrennwertgerät ecoTec (links). Das Komplettsystem wurde von der Auftraggeberschaft in Deutschland erworben und soll nun für den mobilen Einsatz (siehe „3. Das Auto als mobile Energiestation“) umgerüstet werden respektive auf den Sinn einer solchen Verwendungsweise geprüft werden.

Das Herzstück des Gesamtsystems besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Der erste Teil (Mitte- links) ist ein Modul von Honda. In diesem Modul befinden sich der Gasmotor, der Generator sowie weitere mechanischen Komponenten. Die beiden sichtbaren Verbindungsrohre zwischen den beiden Teilen ist der Vor- respektive Rücklauf für den Heizungskreislauf. Den zweiten Teil

bezeichnet man als Wärmeauskopplungsmodul (Mitte-rechts), in welchem sich die Steuerung und die Umwälzpumpen befinden.

Das Modul von Honda hat die in Abbildung 3⁸ aufgeführten Anschlüsse:

7 Vgl. (Vaillant)

8 Vgl. (Vaillant, 2013)

Kondenswasser-Ablauf

Kondenswasser-Ablauf

Kondenswasser-Ablauf

Kondenswasser-Ablauf

Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss Gas-Anschluss

Abbildung 2 mikro-BHKW ecoPower 1.0 der Firma Vaillant

Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen Abgangs-Klemmen

Rücklauf Rücklauf Rücklauf Rücklauf Rücklauf Abgasstrom

Abgasstrom Abgasstrom Abgasstrom Abgasstrom Abgasstrom Abgasstrom

Vorlauf Rücklauf Abbildung 3

Anschlüsse BHKWVorlauf

Abbildung 3 Anschlüsse Honda-Modul

Das BHKW (Modul von Honda) liefert im Betrieb 1 kW elektrische Energie (elektrischer

Wirkungsgrad 26.3 %) und 2.5 kW thermische Energie (thermischer Wirkungsgrad 65.7 %). Mit dem Gasbrennwertgerät ecoTec kann die thermische Leistung auf bis zu 28.8 kW erhöht werden. In Abbildung 4⁹ ist das Datenblatt des mikro-BHKWs ersichtlich.

Abbildung 4 Datenblatt Mikro-BHKW ecoPower 1.0

Das BHKW befindet sich gegenwärtig in einer Holzkonstruktion (Abbildung 20). Die gesamte Masse dieser Konstruktion inkl. Komponenten beträgt 315 kg (benötigte Batterien / Inverter für

Inselbetrieb resp. Netzsimulation nicht dabei). Die Konstruktion hat die Dimensionen:

Länge = 1.3 m Breite = 1.1 m Höhe = 1.2 m

Für mehr Informationen kann die Seite www.vaillant.ch besucht werden. Für eine Erklärung der Funktionsweise vom Komplettsystem existiert auf Youtube ein Produktevideo mit dem Titel

„Vaillant mirko-KWK ecoPOWER 1.0 Produktfilm“.

9 Vgl. (Vaillant)

2.2. Elektrofahrzeuge

In diesem Kapitel soll festgelegt werden, welches Elektrofahrzeug für das Projekt in Frage kommt und sich für eine Betrachtung eignet. Die Fahrzeuge, welche diskutiert werden, wurden vom Auftraggeber als Favoriten angegeben. Es soll ausserdem geprüft werden, ob es möglich ist, die im BHKW produzierte elektrische Energie während der Fahrt in die Fahrzeugbatterie einzuspeisen und so einen positiven Effekt auf die Reichweite des Fahrzeugs zu erzielen.

Definition Elektrofahrzeug

Nach amtlicher Definition ist ein Elektroauto ein Kraftfahrzeug, welches zur Personenbeförderung mit mindestens vier Rädern (EG-Fahrzeugklasse M) verwendet wird. Ein Elektroauto wird von einem Elektromotor angetrieben und die benötigte elektrische Energie wird in einer Batterie

(korrekterweise müsste von einem Akkumulator gesprochen werden) gespeichert.¹⁰ Nissan e-nv200

Der Nissan e-NV200 (Abbildung 5¹¹) ist ein reines Elektroauto der Marke Nissan. Auf Anfrage beim Autohaus Küng in Gebenstorf wurde erklärt, dass der Verkaufsstart des Fahrzeuges jedoch erst im Sommer/Herbst 2014 sein wird.

Die Dimensionen der Ladefläche des Nissan e-NV200 sind in Abbildung 6¹² gezeigt. Sie würden für das Einladen des BHKWs samt Holzunterbau ausreichen.

10 Vgl. (Wikipedia, 2014)

11 Vgl. (Nissan (1), 2014)

12 Vgl. (Nissan (2), 2014)

Abbildung 5 Nissan e-NV200

Abbildung 6 Laderaum Nissan e-NV200

Auf Anfrage bei mehreren Nissan Garagen sowie beim Nissan Hauptsitz der Schweiz in Urdorf, konnten dem Studierenden jedoch keine detaillierten Informationen, als in der

Informationsbroschüre über den Nissan e-NV200 bereits vorhanden, herausgegeben werden.

In einem Fachgespräch mit Herr Ardizzone konnten ebenfalls keine weiteren Fakten in Erfahrung gebracht werden. Herr Ardizzone arbeitet bei der Nissan Garage in Gebenstorf (Autohaus Küng) und wurde mit Nissan internen Schulungen speziell auf dem Nissan Leaf (aktuelles Elektrofahrzeug der Marke Nissan) ausgebildet. Trotz dieser Schulungen sowie einiger Erfahrung im Umgang mit Elektrofahrzeugen, fehlen sogar ihm die Kenntnisse über die „On-Board Software“ von Nissan. Herr Ardizzone konnte, auch nach erneutem Studieren der Nissan-Unterlagen, ebenfalls keine Lösung empfehlen, wie und wo die vom BHKW produzierte elektrische Energie während der Fahrt in den Stromkreislauf des Fahrzeugs eingespiesen werden kann. Die Unterlagen der Nissan-Schulungen wurden dem Studierenden für dieses Projekt freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Sie sind jedoch eher allgemein gehalten und darauf ausgelegt, Mechanikern ein Grundverständnis der Materie zu geben und es ihnen zu ermöglichen Fehlermeldungen zu erkennen und Reparaturen durchzuführen. Auf die Software resp. die Intelligenz des Fahrzeugs wird darin nicht eingegangen.

Herr Ardizzone macht sogar auf ein weiteres Problem aufmerksam: Die „On-Board Software“ von Nissan verhindert zum Beispiel beim Modell Leaf, dass während des Ladens mit einem Ladekabel das Fahrzeug gestartet werden kann. Dieser oder ein ähnlicher Effekt würde wohl auch auftreten, wenn man die elektrische Energie des BHKW einfach in den Stromkreislauf einspeisen würde. Das Fahrzeug würde aufgrund des unbekannten Stroms einen Fehler melden und sich aus

Sicherheitsgründen ausschalten oder erst gar nicht starten lassen.

Erste interne Schulungen für den Nissan e-NV200 sind seitens Nissan frühestens für den Herbst dieses Jahres geplant. Herr Ardizzone sieht die einzige Möglichkeit weiter zu kommen darin, ein solches Fahrzeug zu kaufen und sich in die „On-Board Software“ zu hacken. Dies ist aus diversen Gründen im Rahmen dieses Projekts jedoch nicht machbar. Zum einen erscheint das Fahrzeug vor Beendigung der Projektarbeit nicht auf dem Markt, zum anderen sollen keine hohen Kosten beim Projekt entstehen. Ausserdem wünscht der Auftraggeber, dass die Garantie des Fahrzeuges beim Einbauen seines Systems nicht verfällt, was bei einem solchen Vorgehen klar der Fall wäre. Zudem ist das Hacken der Fahrzeugsoftware illegal.

Weil es also nicht möglich war, Informationen über dieses Fahrzeug oder seine Software zu erhalten und das Erscheinungsdatum nach dem Abgabetermin der Projektdokumentation liegt, wird dieses Fahrzeug nicht weiter in Betracht gezogen.

Renault Kangoo Maxi Z.E.

In Abbildung 7¹³ ist der Renault Kangoo Maxi Z.E (Zero Emission) zu sehen. Er ist seit 2011 auf dem Markt und ist der erste voll elektrische Kastenwagen. Dadurch entsteht der Vorteil, dass es bereits Erfahrungen zum Betrieb und Referenzwerte zu Reichweite und Betriebsverhalten gibt. Ausserdem wurde die Holzkonstruktion, auf welcher sich das BHKW befindet (Abbildung 20), auf dieses

Fahrzeug angepasst. Die Renault Suisse AG war, genau wie Nissan, nicht kommunikationsbereit.

Auch bei der Renault Garage in Rohr (Aargau) sowie beim Renault Hauptsitz der Schweiz in Urdorf konnten keine Informationen eingeholt werden. Dies bedeutet für das Projekt, dass keinerlei Informationen über die Software oder die elektrischen Schaltungen für dieses Elektrofahrzeug zur Verfügung stehen.

Der Renault Maxi Z.E. ist laut Preisliste von Renault ab CHF 30‘024.- zu kaufen. Es handelt sich dabei um die Serienausstattung ohne zusätzliche Optionen. Renault verkauft die Batterie des Fahrzeugs nicht, sondern vermietet diese. Zusätzlich zum Kaufpreis kommt also noch die Batteriemiete dazu.

Der Preis der Miete hängt dabei von jährlich gefahrenen Kilometern und der Vertragsdauer ab. Die Batteriemiete bewegt sich im Rahmen von CHF 95.- bis 165.- pro Monat. Bei der Batterie handelt es sich um eine Lithium-Ionen Batterie mit einer Kapazität von 22 kWh. Während des Fahrens

verbraucht das Elektroauto etwa 15.5 kWh/100 km und beschleunigt in 20.3 Sekunden von null auf 100 km/h. Zum Vergleich: die Dieselversion dieses Modells (Renault Kangoo Express Maxi dCi 90 66kW) schafft dies in 13.3 s¹⁴. Der Renault Maxi Z.E. hat eine Leistung von rund 44 kW (60 PS) und erreicht eine Maximalgeschwindigkeit von 130 km/h. Die Normreichweite nach NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) beträgt 170 km.

13 Vgl. (Dieselstation, 2011)

14 Vgl. (Renault, 2014)

Abbildung 7 Renault Kangoo Maxi Z.E.

Weitere Informationen können dem Datenblatt des Renault Maxi Z.E. (Abbildung 8¹⁵) entnommen werden.

Mitsubishi Outlander PHEV

Der Mitsubishi Outlander PHEV ist ein Hybrid Fahrzeug. Auf Anfrage bei der Mitsubishi-Garage Sollberger in Oberentfelden wurde erklärt, dass das Modell auch auf expliziten Wunsch nicht als reines Elektrofahrzeug erworben werden kann. Er eignet sich also nicht für das Projekt, da sonst mit dem BHKW zwei Verbrennungsmotoren herumgefahren werden. Dies widerspricht dem Sinn des Projekts. Deshalb wird auf dieses Modell nicht weiter eingegangen.

Tesla X

Der Tesla X kann laut Herstellerangaben voraussichtlich 2015¹⁶ geliefert werden. Dieser Zeitpunkt ist jedoch für das Projekt viel zu spät. Ausserdem müsste bei diesem Fahrzeug für den Transport des BHKW ein Anhänger verwendet werden. Ob das Fahrzeug mit einer Anhängerkupplung ausgerüstet sein wird, ist gegenwärtig nicht bekannt. Das Verwenden eines Anhängers wirkt sich vermutlich auch negativ auf das Durchsetzungspotential des Konzepts aus, da die meisten Leute nicht bereit sein werden mit einem Anhänger herumzufahren oder gar nicht den Platz oder die finanziellen Mittel haben, einen solchen anzuschaffen. Auch sind öffentliche Parkplätze, wie z.B. ein Parkhaus, gar nicht für Anhänger ausgelegt. Mit einem Anhänger wird auch zusätzliches Gewicht mitgeführt,

15 Vgl. (Renault, 2014)

16 Vgl. (Tesla, 2014)

Abbildung 8 Datenblatt Renault Kangoo Maxi Z.E.

was das Verhältnis von der vom BHKW gelieferter elektrischer Leistung zum Mehrverbrauch wegen des zusätzlichen Gewichts schlechter macht. Deshalb wird auf dieses Fahrzeugmodell in diesem Projekt nicht weiter eingegangen.

Fazit Elektrofahrzeuge

Es entsteht hier ein grundsätzliches Problem für das Projekt. Ein elektrisches Konzept kann mit diesem Mangel an Informationen über die Fahrzeug-Software und über die elektrischen

Komponenten unmöglich sinnvoll erstellt werden. Es ist kein Fahrzeughersteller bereit, mit dem Studierenden zusammenzuarbeiten oder zu kooperieren und Informationen preiszugeben. Die einzige Option wäre, wie von Herr Ardizzone beschrieben, der Kauf eines Elektrofahrzeugs und das anschliessende Hacken seiner Software. Dies ist aber im Rahmen dieser Projektarbeit nicht möglich.

Es wurde deshalb vom Betreuer des Projekts (Herr Nicola Schulz) und dem Studierenden vereinbart, dass zuerst eine saubere theoretische Betrachtung gemacht werden soll, bevor mehr Zeit in die praktische Umsetzung investiert wird. Diese theoretische Betrachtung soll neben einer technischen Beschreibung auch eine wirtschaftliche und ökologische Komponente enthalten. Damit eine solche Betrachtung überhaupt Sinn macht, wird in der Folge davon ausgegangen, dass es möglich ist, die elektrische Energie des BHKWs während der Fahrt zu nutzen und in den Stromkreislauf des Fahrzeugs einzuspeisen.

Der Renault Kangoo Maxi Z.E. ist das Einzige in Frage kommende Fahrzeug für eine solche theoretische Betrachtung während dieser Projektarbeit. Deshalb wird in der Folge mit diesem Fahrzeug weiter gearbeitet. Für Vergleichszwecke mit Dieselfahrzeugen wird die Dieselvariante des Kangoo Maxi Z.E., der Renault Kangoo Express Maxi dCi 90, herangezogen.

2.3. Wärmepumpen (WP)

Grundsätzlich funktionieren alle Wärmepumpen nach demselben Prinzip. Über ein Kältemittel mit einem extrem tiefen Siedepunkt entziehen Wärmepumpen der Luft, dem Wasser oder auch der Erde Wärme. Liegt der Siedepunkt des Kältemittels beispielsweise bei -10 °C und die Temperatur der Wärmequelle (Erde, Wasser, Luft) ist höher, so verdampft logischerweise das Kältemittel. Der entstehende Dampf wird von einem Kompressor (elektrisch) verdichtet. Bei dieser Verdichtung wird der Dampf erhitzt. Im Kondensator gibt der Dampf seine Wärme über einen Wärmetauscher an den Wasserkreislauf des Heizsystems ab. Durch die Wärmeabgabe kühlt das Kältemittel wieder ab und verflüssigt sich wieder. Anschliessend beginnt der Kreislauf von vorne. In Abbildung 9¹⁷ ist der beschriebene Kreislauf schematisch dargestellt.

Die Wärmepumpen werden nach Wärmequelle unterschieden. Dient die Luft als Wärmequelle, spricht man von einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Beim Erdreich, spricht man von einer

Sole/Wasser-Wärmepumpe. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten wie die Erdwärme genutzt werden kann. Zum einen durch eine tiefe Erdsonde zum anderen durch ein oberflächennahes Erdregister.

Wie effizient eine Wärmepumpe ist, drückt die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) aus. Sie

beschreibt das Verhältnis von abgegebener Nutzwärme zum dafür erforderlichen Stromverbrauch während eines Betriebsjahres. Je höher die JAZ, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Beeinflusst wird die JAZ von mehreren Faktoren. Einer dieser Faktoren ist der Wirkungsgrad des Wärmepumpenaggregates, der sogenannte COP-Wert. Aber auch die Abstimmung der

verschiedenen Komponenten aufeinander, die gewählte Temperatur des Heizwassers, das Anlagenkonzept, die Einstellung der Anlage sowie die Realisierungsqualität spielen eine Rolle.

In Tabelle 1¹⁸ sind typische JAZ-Werte für verschiedene Wärmepumpentypen aufgelistet.

Jahresarbeitszahlen Neubau Sanierung Luft/Wasser-Wärmepumpen 2.8 – 3.5 2.5 – 3.0 Sole/Wasser Wärmepumpen 3.5 – 4.5 3.2 – 4.0 Wasser/Wasser-Wärmepumpen 3.8 – 5.0 3.5 – 4.5

Tabelle 1 JAZ Wärmepumpen

17 Vgl. (Wärmepumpen-portal)

18 Vgl. (Milelli, 2012)

Abbildung 9 Funktionsprinzip Wärmepumpe

2.4. Ökobilanzierung

„Der Begriff Ökobilanz (auch „life cycle analysis“ LCA oder Lebenszyklusanalsyse) ist ein Sammelbegriff für methodische Hilfsmittel des umweltorientierten Handelns. Wesentliche Merkmale für eine Ökobilanz sind:

o Die Erfassung der Stoff- und Energieströme (In- und Outputs) sowie Ressourcenbedarf (Flächenbedarf, mineralische Ressourcen etc.) und weitere Umwelteinwirkungen wie Lärm eines Systems

o Die Erfassung dieser Grössen über den gesamten Lebensweg, von der Wiege bis zur Bahre und

o Die Bewertung dieser Einflüsse nach ökologischen Kriterien

Ökobilanzen sind demnach quantitative Methoden zur Beurteilung der Umwelteinwirkungen durch menschliche Tätigkeiten. In einem ersten Schritt werden die Waren-, Stoff- und Energieflüsse sowie der Ressourcenbedarf erfasst. Anschliessend werden die Auswirkungen auf die Umwelt mit Hilfe von gewählten Indikatoren, welche diese Wirkungen beschreiben, bestimmt. Weiter kann eine Bewertung der verschiedenen Umweltauswirkungen durch eine entsprechende Gewichtung erfolgen. Ökobilanzen geben damit Auskunft über Auswirkungen eines Produkts, Prozesses, eines Betriebs oder einer Massnahme auf die Umwelt.“¹⁹

Nach Gesprächen mit Dr. Fredy Dinkel, Dozent für das Modul Ökobilanzierung an der FHNW, wurde die „Methode der ökologischen Knappheit“ als Vergleichsbasis für die Umwelteinwirkungen der verschiedenen Varianten (siehe „3.2 Modell“) gewählt. Andere Vergleichsmethoden werden nicht berücksichtigt.

Die Methode der ökologischen Knappheit ist abgestützt auf der schweizerischen Umweltpolitik und wurde vom BAFU (Bundesamt für Umwelt) mitentwickelt. Diese Methode berücksichtigt, über die gesamte existierende Bandbreite von Umwelteinwirkungen, mehr Punkte als jede andere

Bewertungsmethode. Ausserdem ist sie die einzige Vergleichsmethode, welche radioaktive Abfälle einschliesst, was in der Schweiz von grosser Bedeutung ist. Die Methode der ökologischen

Knappheit stösst deshalb auch international auch hohe Akzeptanz.²⁰ Die Methode der ökologischen Knappheit (Umweltbelastungspunkte)

„Diese Methode (BUWAL 1990, Überarbeitung 1997 und 2006) wurde mit dem Ziel entwickelt, die verschiedenen Umweltauswirkungen zu einer einzigen Kenngrösse (Umweltbelastungspunkte) zusammenzufassen. Es handelt sich um eine Stoffflussmethode, bei der neben den bereits bestehenden Belastungen die umweltpolitischen Ziele der Schweiz berücksichtigt werden. Je grösser die Umweltbelastung eines Produkts ist, desto mehr Umweltbelastungspunkte erzeugt seine Bewertung.

Grundlagen der Bilanzierung

Als Gewichtungsfaktor der einzelnen Substanzen wird die ökologische Knappheit verwendet. Als ökologische Knappheit wird die Beziehung zwischen der maximal tolerablen Fracht (kritischer Fluss Fk) zur tatsächlichen Fracht des betreffenden Schadstoffes in einem gewissen Gebiet (z.B. der Schweiz) definiert. Aus diesen zwei Grössen wird der Umweltbelastungsfaktor der betreffenden Substanzen nach der folgenden Formel berechnet:

19 Zitat von (Dinkel, Lebenszyklusanalyse, 2013)

20 Vgl. (Dinkel & Kägi, Vergleich von Bewertungsmethoden für Ökobilanzen, 2014)

Ökofaktor = (1/F)* (F/Fk)²* 10¹²/a Normierung Knappheit Konstante

Die Einheit ist [UBP/kg] bzw. [UBP/MJ] oder [UBP/m²] […]

Durch die Multiplikation der Schadstoffmengen (in Luft, Boden und Wasser), des Energieverbrauchs und des Deponievolumens mit den entsprechenden Umweltbelastungsfaktoren können die

Belastungen (Umweltbelastungspunkte UBP) der einzelnen Schadstoffe berechnet werden. Eine Aufsummierung der dimensionslosen UBP ergibt die Belastung eines Produktes.

Beispiel:

Der UB-Faktor von SO2 in der Luft beträgt 30 pro g, der UB-Faktor der Energie beträgt 3.3 pro MJ nicht erneuerbare Energie. Die Produktion einer Verpackung hat pro kg eine Emission von 2 g SO2

zur Folge und benötigt 30 MJ Primärenergie. Dies entspricht 60 + 90 = 159 Umweltbelastungspunkten.“²¹

21 Zitat von (Dinkel, Lebenszyklusanalyse, 2013)

2.5. Batterien & Akkumulatoren

Grundsätzliches

„Eine elektrische Zelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen

Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Ausfälle im Stromversorgungsnetz zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In diesen Zellen sind die Reaktionen bei der Entladung teilweise umkehrbar, das führt jedoch nicht zur

Wiederherstellung eines dem Neuzustand ähnlichen Energieinhalts. Dagegen sind die wieder aufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) weitgehend in den Ladezustand ähnlich dem Neuzustand zu bringen, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest, die Menge der Materialien die enthaltene Energie.

Wichtige Begriffe in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften einer Batteriezelle sind:

Kapazität

Die in einer galvanischen Zelle gespeicherte elektrische Ladung wird als Kapazität bezeichnet, das ist nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität. Die Kapazität einer Batterie wird in der Dimension der elektrischen Ladung in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah), oder seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) angegeben.

Leistung

Die Leistung einer Batterie /Batteriezelle ist die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie wird in der Regel in Watt (W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.

Energieinhalt

Die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) wird nicht immer angegeben, die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine typische Kenngrösse von Batteriesystemen und oftmals in Datenblättern der Hersteller angeführt.

Selbstentladung

Alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.“²²

22 Zitat von (Wikipedia, 2014)

Lithium Ionen Batterie

Weil im Fahrzeug Renault Kangoo Maxi Z.E. eine Lithium Ionen Batterie eingebaut ist, wird hier noch im Detail auf diesen Batterietyp eingegangen.

Aufgrund ihrer Vorteile gegenüber anderen Energiespeichern finden Li-Ionen Batterien (Abbildung 10²³) oft Verwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Sie weisen vor allem im Bereich der Speicherdichte und der Selbstentladerate Vorteile auf. Durch die Verschaltung einer Vielzahl von Einzelzellen zu Batteriestacks wird die benötige Leistungsabgabe und Kapazität erreicht.

Gegenwärtig weisen die eingesetzten Zellen eine starke Temperatursensibilität auf. Wird eine Batterie angeschlossen, fliesst zwischen ihren beiden Polen ein elektrischer Strom. Dieser Strom entsteht durch eine elektrochemische Reaktion, welche in der Batterie stattfindet. Bei dieser Reaktion werden stromliefernde Elektronen freigesetzt. In einer kalten Batterie läuft der Prozess langsamer ab, folglich kann weniger Leistung abgegeben werden. Neben den stets auftretenden betrieblichen Alterungseffekten tritt ausserhalb des optimalen Temperaturfensters eine schnellere Alterung der Zellen auf.

In Abbildung 11²⁴ sind die verschiedenen Energie-/Leistungsdichten von Akkumulator-Typen aufgezeigt. Lithium-Ionen Akkumulatoren liegen bei etwa (je nach Literatur) 90-190 Wh/kg. Zum Vergleich: Diesel hat eine Energiedichte von 12.61 kWh/kg²⁵.

23 Vgl. (KIT, 2012)

24 Vgl. (Wikipedia, 2014)

25 Vgl. (Wikipedia, 2014)

Abbildung 10 Funktionsprinzip Lithium-Ionen Batterie

Abbildung 11 Energiedichte von Akkumulatoren

3. DAS AUTO ALSO MOBILE ENERGIESTATION

In diesem Kapitel soll das Konzept „Das Auto als mobile Energiestation“ nochmals genau beschrieben werden. Anschliessend wird zuerst ein Modell definiert und Varianten für einen Vergleich gebildet. Danach werden technische Probleme und Chancen diskutiert, welche bei der Umsetzung des Konzepts eines mobil betriebenen BHKWs entstehen sowie die einzelnen Varianten ökologisch und ökonomisch miteinander verglichen.

In der Folge wird oft von der „Fahrzeugbatterie“ eines Elektroautos geschrieben. Korrekterweise müsste es aber „Fahrzeugakkumulator“ heissen. Dieser Umstand ist der Umgangssprache geschuldet.

3.1. Konzeptbeschreibung

Der Auftraggeber besitzt ein Blockheizkraftwerk der Firma Vaillant (siehe „2. Theoretische

Grundlagen“). Dieses Blockheizkraftwerk hat er in Deutschland erworben und anschliessend in die Schweiz importiert. Er möchte dieses BHKW nun im Winter als Range-Extender / Fahrzeugheizung in einem Elektrofahrzeug einsetzten. Im Sommer soll die Möglichkeit bestehen es auszuladen:

Das BHKW (Honda-Modul) und das Wärmeauskopplungsmodul (Steuerung) befinden sich dazu auf einer Holzkonstruktion, zusammen mit einem Gastank (siehe Abbildung 20). So kann alles bei einem Elektrofahrzeug in den Laderaum eingeladen und dort während der Fahrt betrieben werden. Die produzierte elektrische Energie wird (Annahme!) direkt in die Fahrzeugbatterie gespiesen, um so eine Erhöhung der Reichweite zu erreichen. Die thermische Energie des BHKWs wird genutzt, um die Batterie des Fahrzeugs auf „Sommertemperatur“ zu halten und die Fahrerkabine zu beheizen.

Dies soll die Batterie entlasten und die Reichweite weiter erhöhen.

Während das BHKW mit dem Fahrzeug unterwegs ist (mobiler Betrieb), übernimmt das Gasbrennwertgerät ecoTec die Gebäudebeheizung sowie die Warmwasserversorgung. Eine

Zweitsteuerung, die fix im Haus installiert ist, überwacht den Prozess. Wenn das BHKW Zuhause in der Garage steht, liefert das Gasbrennwertgerät die Energie für die Warmwasserversorgung und das BHKW versorgt das Gebäude mit Wärme. Der vom BHKW produzierte Strom wird ins Netz eingespiesen.

Befindet sich das Fahrzeug, während des mobilen Betriebs, in einer anderen Garage, auf einem Parkplatz oder in einem Parkhaus, soll das BHKW auch dort auf „Gebäudebetrieb“ umgeschaltet werden können, um möglichst viele Betriebsstunden mit dem BHKW zu erreichen.

„Gebäudebetrieb“ bedeutet, dass die elektrische Energie in das Stromnetz abgegeben und die Wärme in ein Gebäude umgeleitet wird.

Mit Hilfe dieses Konzepts möchte die Auftraggeberschaft das Problem der geringen Reichweite aus der Welt schaffen und Elektroautos attraktiver machen. Neben dem hohen Kaufpreis ist oft eine zu geringe Reichweite ein Killerkriterium beim Kauf von Elektroautos.

3.2. Modell

Der Auftraggeber wünscht einen Vergleich für ein junges Paar / eine junge Familie die gleichzeitig ein Haus baut und ein Fahrzeug anschaffen muss. Es soll in der Folge geprüft werden, welches Heiz-

& Fahrzeugsystem sich am besten dafür eignet. Diese Prüfung erfolgt auf den drei Standbeinen technisch, ökologisch und wirtschaftlich.

Das Heiz-& Fahrzeugsystem soll in einem Neubau mit Minergie-Standard installiert werden. Zur Auswahl bei den Heizungssystemen stehen eine Luft-Wasser Wärmepumpe (WP) und das Blockheizkraftwerk (BHKW) des Auftraggebers. Als Fahrzeug ist der Renault Kangoo bestimmt worden (siehe „2. Theoretische Grundlagen“). Der Renault Kangoo wird bei den Varianten einmal als Dieselfahrzeug, das andere Mal als Elektrofahrzeug erworben. Dadurch entstehen 5 mögliche Varianten:

1. Elektroauto mit BHKW – das Auto als mobile Energiestation 2. Elektroauto mit BHKW im Gebäude fest eingebaut

3. Elektroauto mit WP im Gebäude fest eingebaut 4. Dieselauto mit WP im Gebäude fest eingebaut 5. Dieselauto mit BHKW im Gebäude fest eingebaut

Damit ein Vergleich möglich ist, müssen klare Rahmenbedingungen definiert werden. Dies geschieht hier über den Nutzen der jeweiligen Varianten. Die Rahmenbedingungen sind folgendermassen definiert:

o Jährlich zurückgelegte Distanz mit dem Fahrzeug

In der Projektarbeit wird davon ausgegangen, dass mit dem Fahrzeug jährlich 10‘000 km zurückgelegt werden. Laut einer Studie vom Bundesamt für Statistik legt ein(e) SchweizerInn pro Tag im Durchschnitt 24.4 km²⁶ im motorisierten Individualverkehr zurück. Multipliziert mit 365 Tagen ergibt dies 8‘906 km pro Jahr. Dieser Wert wird auf 10‘000 km pro Jahr aufgerundet.

o Wohnfläche

Als Grösse für das Einfamilienhaus werden 140 m² angenommen²⁷. o Wärmebedarf Wohnung

Das Gebäude muss im Winter bei jeder Variante lückenlos mit Wärme versorgt werden können. Im Projekt wird von einem Minergie Gebäude ausgegangen, was laut Definition²⁸ einen Wärmebedarf von 38 kWh/m²/a bedeutet. Weiter wird Angenommen, dass das Gebäude mit der Wärmeleistung des BHKWs von 2.5 kW ausreichend beheizt werden kann²⁹.

o Warmwasserbedarf der Wohnung

Bei einer vorhergehenden Projektarbeit³⁰ des Studierenden, welche sich mit

Wassererwärmern befasste, wurde ein Warmwasserbedarf von rund 10.6 kWh für einen durchschnittlichen Boiler am Tag (Wärmeverlust über Isolation sowie

Warmwasserverbrauch) errechnet. Dieser Wert wird auf ein Jahr hochgerechnet. Dies ergibt einen Wärmebedarf von 3‘869 kWh pro Jahr.

26 Vgl.(Bundesamt für Statistik, 2012)

27 Vgl. (hausinfo.ch, 2014)

28 Vgl. (Schwaller , 2013)

29 Vgl. (Ofenland, 2014)

30 Vgl. (Stebler & Degiampietro, 2014)

o BHKW / Gasheizung Leistungsteilung (Varianten 1, 2 & 5)

Rechnerisch wird die benötigte Energie für Warmwasser & Raumwärme folgendermassen auf BHKW und Gasheizung aufgeteilt:

Bei Variante 1 muss zuerst definiert werden, wie oft das Fahrzeug in der Garage steht. Es wird davon ausgegangen, dass das Fahrzeug zum Arbeiten benutzt wird. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug montags bis freitags von 07:00 Uhr bis 18:00 Uhr nicht in der Garage steht.

Folglich ist das Fahrzeug jeden Wochentagen jeweils elf Stunden unterwegs. Damit befindet es sich während 65 von 120 Stunden in der Garage. Am Wochenende wird das Auto am Samstag mehr (acht Stunden) und am Sonntag weniger (drei Stunden) gebraucht. Daraus ergibt sich, dass das Fahrzeug in der Woche 102 von 168 Stunden in der Garage steht, was einem Prozentsatz von rund 61% entspricht (Prozentsatz ist gerundet – in den Rechnungen wird die genaue Zahl verwendet!).

Befindet sich das Fahrzeug im Gebäude (Varianten 1, 2 & 5), wird das Warmwasser von der Gasheizung zur Verfügung gestellt (als Spitzenlast) und das BHKW liefert die Raumwärme.

o Betriebsstunden

Aus der oben festgelegten Aufteilung von Warmwasser- / Heizleistung lässt sich die

Betriebsdauer der Heizung festlegen. Aus der Fläche der Wohnung und dem Wärmebedarf pro m² lässt sich der jährliche Wärmebedarf bestimmen:

Jahr m kWh

Jahr m

A kWh W

W_{Wärme Fläche Wohnung} *140 5'320

38 *

*  ₂ ² 



Aus diesem Wärmebedarf kann mit der Nennwärmeleistung des BHKW (2.5 kW) die Betriebszeit bestimmt werden:

Jahr h kW

Jahr kWh P

t W

BHKW Wärme

Betrieb 2'128

5 . 2 320 ' 5







Die Betriebszeit beträgt also 2‘128 Stunden in einem Jahr, was ungefähr 3.2 Monaten entspricht. Bei Heizungsbetrieb.de³¹ wird angegeben, dass ein optimal ausgelegter Brenner ca. 2‘000 bis 4‘000 Stunden im Jahr läuft. Die Annahme ist also durchaus realistisch.

o Winterreichweite

Im Winter büssen Elektrofahrzeuge an Reichweite ein. Auch hier muss ein Mass des Verlustes an Reichweite definiert werden. In der Literatur³² wird angegeben, dass die Reichweite im Sommer 30 % grösser ist, als im Winter. Mit dieser Zahl wird in der Projektarbeit weiter gearbeitet.

o Wirkungsgrad Gasbrennwertgerät ecoTec

Auf der Seite von Vaillant ist ein Wirkungsgrad für den ecoTec³³ von 109 % angegeben. Da dies nicht möglich ist und nicht recherchiert werden konnte, wie dieser Wirkungsgrad genau zustande kommt, wird beim Gasbrennwertgerät ecoTec nach Absprache mit Herr Schulz ein Wirkungsgrad von 90 %³⁴ angenommen. Dieser ist für Gasheizgeräte etwa üblich.

31 Vgl. (Heizungsbetriebe, 2014)

32 Vgl. (ecomento.tv, 2014)

33 Vgl. (Vaillant, 2014)

34 Vgl. (Energiesparen-im-Haushalt, 2014)

o Energiepreise

Bei der Projektarbeit wird angenommen, dass Diesel-, Strom- & Gaspreis konstant bleiben.

 Dieselpreis = 1.83 CHF/Liter³⁵

 Strompreis = 0.16 Rp./kWh³⁶

 Gaspreis = 9.9 Rp./kWh³⁷ o Lebensdauer der Komponenten

Für die Wärmepumpe kann, laut Angaben der Firma Vorburger, eine Lebensdauer von 20 Jahren angenommen werden. Das BHKW kann auf Anfrage bei der Firma Vaillant rund 10 Jahre betrieben werden. Danach ist eine Wartung nötig. Für die Fahrzeuge wird eine Lebensdauer von 15 Jahre angenommen, was in dieser Projektarbeit einer Reichweite von 150‘000 km entspricht. Aus Mangel an Erfahrungswerten wird die Lebensdauer für das Elektrofahrzeug gleich angenommen wie für das Dieselfahrzeug.

o Kapital & Zins

Das verwendete Kapital ist zu 100 % Eigenkapital. Für den Kalkulationszinssatz wurden 5%

angenommen. Dies auf Empfehlung von Herr Matthias Härri vom Institut für Finanzmanagement der FHNW.

o Verbrauch Elektrofahrzeug

Da es nicht möglich ist abzuschätzen, wie sich der Verbrauch des Elektrofahrzeugs ändert, wenn die Masse des BHKWs noch mittransportiert werden muss und der Strom vom BHKW in die Fahrzeugbatterie eingespiesen wird, wird der Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs mit und ohne BHKW als identisch angenommen. Eine sinnvolle Abschätzung wäre nur mit Erfahrungswerten möglich, da der Verbrauch auch sehr vom Fahrprofil des Fahrers abhängig ist. Die Ungenauigkeit, welche durch diese Annahme entsteht, dürfte aber auf das

Endergebnis einen vernachlässigbar kleinen Einfluss haben.

o Bauort

Als Bauort werden die beiden Kantone Aargau & Solothurn betrachtet. Weil dies der Standort von FHNW resp. der Wohnort des Auftraggeber ist.

o Umsetzung

In der Folge wird davon ausgegangen, dass es möglich ist, das BHKW ins Fahrzeug

einzubauen und die thermische und elektrische Energie zu nutzen. Für die Verwendung des elektrischen Stroms für die Fortbewegung des Fahrzeugs wird ein Wirkungsgrad von 80 % angenommen.

o Wärmepumpe

In der Projektarbeit wird eine Luft-Wasser WP betrachtet. Eine WP mit Erdwärme wird ausgeschlossen, da die Kosten sehr vom Standort und von der Beschaffenheit des Erdreichs abhängig sind. Nach Tabelle 1 wird eine JAZ von 3 für Berechnungen verwendet.

Die Varianten werden mit diesen Rahmenbedingungen in der Folge der Projektdokumentation verglichen.

35 Vgl. (TCS, 2014)

36 Vgl. (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom, 2014)

37 Vgl. (Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF, 2014)

3.3. Technischer-Vergleich & allgemeine Überlegungen

Im Kapitel „3.3 Technischer-Vergleich & allgemeine Überlegungen“ sind Chancen und Probleme des Konzepts aufgeführt. Ausserdem wird die Tauglichkeit des Konzepts als Range-Extender diskutiert.

Einschränkung bei der Fahrzeugwahl

Da man viel Platz braucht, um die Holzkonstruktion inkl. BHKW einzuladen, ist man bei der Auswahl der Fahrzeugmodelle extrem eingeschränkt und ist gewissermassen dazu gezwungen, einen

Transporter / Kastenwagen zu kaufen. Dies wäre nicht notwendig, möchte man das BHKW nicht mobil betreiben. Ausser dem Renault Kangoo wurde bei Recherchen kein anderes vollelektrisches Fahrzeug gefunden, welches bereits auf dem Markt ist und sich eignen würde. Bestehende

Transporter sind entweder zu gross, zu klein oder weisen eine Maximalgeschwindigkeit von nur 100 km/h auf.

Schwierige Bewilligung des Strassenverkehrsamt

Um das BHKW überhaupt während der Fahrt betreiben zu dürfen, müssen die geltende Gesetze und Normen eingehalten werden. Da eine solche Anwendung neu ist und in dieser Form noch nie gebaut bzw. gefahren wurde, fehlen genaue Vorschriften und Gesetze. Um also das Fahrzeug

„legal“ verwenden zu dürfen ist deshalb eine enge Zusammenarbeit mit dem Strassenverkehrsamt und/oder der Polizei notwendig. Auf Anfrage des Studierenden beim Strassenverkehrsamt

Chefexperten für Fahrzeugprüfungen, Herr C. Lüthi, wurde erklärt, dass der Einbau dieser Anlage und insbesondere der Gastank über eine vom UVEK (Bundesamt Umwelt, Verkehr, Energie, Kommunikation) bezeichnete Konformitätsbewertungsstelle (KBS) beurteilt werden muss. Dabei sind mindestens folgende Punkte nachzuweisen:

1. Gastank (Prüfbericht) 2. Tankbefestigung 3. BHKW Austritt

4. Belüftung des Laderaumes (Bodenklappe)

Für die melde- und prüfpflichtigen Änderungen, sowie die notwendigen Einträge im Fahrzeugausweis, sind die Strassenverkehrsämter zuständig.

In diesem Projekt wird nicht weiter auf das Bewilligungsverfahren des Konzepts eingegangen. Für eine sinnvolle sowie detaillierte Abklärung muss ein konkretes Modell vorliegen, mit welchem man zu den entsprechenden Prüfstellen gehen kann um die Anforderungen mit den Experten zu

besprechen. Da sich dieses Projekt erst in der Phase der Grundsatzüberlegungen befindet, ist dies nicht umsetzbar. Die Abklärungen durch den Studierenden haben gezeigt, dass ein Betreiben des BHKWs während der Fahrt grundsätzlich möglich ist, auch wenn der Weg bis dahin zeitaufwändig und mit finanziellen Auslagen verbunden ist.

Inselbetrieb & mobile Verwendung des BHKW (Montagevorschriften)

Der Inselbetrieb des BHKW stellt ein grosses Problem dar. Das vom Auftraggeber gekaufte BHKW ecoPower 1.0 ist nicht für den Inselbetrieb gebaut. Auf telefonische Anfrage bei der Firma Vaillant Schweiz wurde mitgeteilt, dass die Fragen direkt an die deutschen Kollegen weitergeleitet werden müssen, weil das Blockheizkraftwerk vom Auftraggeber von Deutschland in die Schweiz importiert wurde. Die via E-Mail gestellten Fragen wurden von der Firma Vaillant folgendermassen

beantwortet.

Frage: Ist das BHKW für den mobilen-Betrieb in einem Fahrzeug einsetzbar?

Antwort: Nein, der mobile Einsatz ist nicht zugelassen.

Frage: Gibt es ein Killerkriterium warum dies nicht geht? Beispielsweise spezielle Montagevorschriften (z.B. dass es immer genau horizontal stehen muss)?

Antwort: Keine Zulassung, da nicht bestimmungsgemässer Einsatz. Montagevorschriften kommen zusätzlich dazu und verhindern den mobilen Einsatz zusätzlich.

Frage: Das ecoPower 1.0 meines Auftraggebers läuft nicht im Inselbetrieb. Ist es richtig, dass es neue Modelle gibt, bei denen der Inselbetrieb möglich ist? Wenn ja, welche?

Antwort: Nein, unsere BHKW ecoPOWER 1.0 – 20.0 können alle keinen Inselbetrieb. Es ist immer ein Netz notwendig, um den Betrieb der BHKW aufrecht zu erhalten.

Frage: Kann man das BHKW des Auftraggebers „updaten“, damit es auch im Inselbetrieb verwendet werden kann? Z.B. mittels Software-Update oder mittels Umbau einiger Komponenten?

Antwort: Nein

Frage: Interessant für unsere Anwendung ist ja vor allem das Modul von Honda, weil dieses den Strom und die Wärme liefert. Ist es möglich dieses ohne Steuerung, Wärmespeicher etc. zu betreiben (Thermische Energie würde mittels Kühler in die Fahrerkabine abgegeben &

elektrische Energie in das Elektrofahrzeug eingespiesen)? Oder läuft es nur in Kombination mit der Steuerung & Wärmespeicher?

Antwort: Das ecoPOWER 1.0 läuft nur mit Wärmeauskopplung und Systemregler.

Aus den obenstehenden Antworten wird klar, dass der mobile Einsatz mit diesem BHKW ohne weiteres nicht möglich ist. Eventuell wäre es mit einer aufwendigen Konstruktion mit Batterien &

Inverter möglich ein künstliches Netz im Fahrzeug zu erzeugen und den Inselbetrieb so doch zu realisieren. Eine solche Umsetzung wäre mit Verlusten verbunden und entspricht nicht mehr dem ursprünglichen Sinn des Projekts, nämlich den Kauf von Elektrofahrzeugen durch die Anwendung attraktiver zu machen. Ausserdem gibt es noch Montagevorschriften die das Ganze zusätzlich verhindern. Auf Anfrage bestätigte Herr Schnellmann der Firma Viessmann ebenfalls, dass Montagevorschriften existieren, welche den mobilen Betrieb unmöglich machen.

Grundbetrachtungen zur Funktion als Range Extender (elektrisch)

Um ein Fahrzeug bewegen zu können, wird eine Leistung vom Motor benötigt. Wie gross diese benötigte Leistung ist, hängt unter anderem von der Stirnfläche des Fahrzeugs, von seiner Masse und von seinem Luftwiderstand ab. Durch das Mitführen von BHKW, Holzkonstruktion und Gastank ist das Fahrzeug andauernd mit einem Zusatzgewicht von 315 kg belastet, wodurch ein höherer Bedarf an Leistung beim Fahren entsteht. Dieser höhere Bedarf kann mit Hilfe der unten stehenden Formel³⁸ beziffert werden.

𝑃_{𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟}= (1

2∗ 𝐴 ∗ 𝐶_𝑤 ∗ 𝜌_{𝐿𝑢𝑓𝑡}∗ 𝑣³ + 𝐶_𝑟∗ 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑣) ∗ 1.17

Dabei ist A die Stirnfläche des Fahrzeugs und berechnet sich als 80 % des Produkts von Höhe und Breite des Fahrzeugs³⁹. Die Höhe (1.81 m) sowie die Breite (1.521 m) des Fahrzeugs wurde der Preisliste⁴⁰ für den Renault Kangoo Maxi Z.E. entnommen. Cw ist der Luftwiderstandsbeiwert. Für die Berechnung wurde hier der Wert des „Renault Kangoo 2 Combi“ von 0.35⁴¹ verwendet (sehr ähnliche Bauform). Für Rho wird die Dichte der Luft eingesetzt und v bezeichnet die gefahrene Geschwindigkeit in m/s. Cr ist der Rollwiderstand. Dieser beträgt auf Asphalt für ein Fahrzeug rund 0.015. Die Masse des Fahrzeugs fliesst mit m in die Gleichung ein. Laut Preisliste von Renault wiegt das Elektroauto 1‘656 kg. Hat man das BHKW aufgeladen, kommen 315 kg dazu. Der Faktor 1.17 ist ein Korrekturfaktor, welcher die Verluste vom Motor bis an die Reifen berücksichtigt. Mit dieser Formel lässt sich eine erste Aussage zur Funktion als Range Extender machen. Im Excel „Reichweite mit BHKW_def“ wurden mit der obenstehenden Formel diverse Berechnungen angestellt:

Abbildung 12 zeigt, wie viel der vom BHKW gelieferten elektrischen Leistung tatsächlich verwendet werden kann. Bei Stillstand (0 km/h) beträgt die nutzbare elektrische Leistung 1000 W. Mit

zunehmender Geschwindigkeit steigt aber die vom Motor benötigte Leistung wegen der

zusätzlichen Masse des BHKWs schneller an, als dies ohne BHKW der Fall ist. Ab einer konstanten Geschwindigkeit von rund 66 km/h verbraucht das Auto gerade so viel mehr elektrische Leistung, wie sie durch das BHKW geliefert werden kann. Bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h benötigt das Fahrzeug sogar, trotz Zusatz-Einspeisung von 1 kW, 807 Watt mehr, als es ohne das BHKW tun würde (Annahme: Einspeisung BHKW mit η = 100 %).

38 Vgl. (e31.net)

39 Vgl. (Huppertz)

40 Vgl. (Renault, 2014)

41 Vgl. (Ultimate Specs, 2010)

Abbildung 12 Nutzbare elektrische Leistung von BHKW -1'000

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1'000

0 20 40 60 80 100 120

Nutzbare el. Leistung [W]

Geschwindigkeit [km/h]

Nutzbare el. Leistung von BHKW bei v = konstant

Als weiteres Problem taucht die Masse beim Beschleunigen des Fahrzeugs auf. Laut der Beziehung 𝑊 = 1

2∗ 𝑚 ∗ 𝑣²

wird bei der Beschleunigung auf eine Geschwindigkeit v mehr Energie verbraucht, wenn das Fahrzeug schwerer ist. Berechnet man mit dieser Formel den Mehrverbrauch an Energie mit aufgeladenem BHKW für eine Beschleunigung auf z.B. 50 km/h, kann man mit dem Wissen aus der oben stehenden Grafik (Abbildung 12) berechnen, wie lange man anschliessend konstant fahren muss, bis das BHKW den Mehrverbrauch an Energie bei der Beschleunigung wieder durch den Leistungsüberschuss zurückgespiesen hat - also eine Energiebilanz von null aufweist. Bei konstanter Fahrt mit 50 km/h hat das BHKW eine nutzbare elektrische Leistung von ca. 247 W. Für die

Beschleunigung wird mit BHKW aber 8.4 Wh mehr Energie verbraucht, als dies ohne BHKW der Fall wäre. Daraus lässt sich berechnen, dass das Fahrzeug nach der Beschleunigung auf 50 km/h ca. zwei Minuten lang konstant fahren muss, damit seine Energiebilanz wieder bei null ist. Daraus lässt sich folgende Grafik erstellen (Annahme: Einspeisung BHKW mit η=100 %):

Abbildung 13 Rückgewinnungszeit nach Beschleunigung

In Abbildung 13 ist ersichtlich, dass ab 60 km/h die Rückgewinnungszeit extrem steil ansteigt. Dies kommt daher, dass bei zunehmender Geschwindigkeit die Masse von 315 kg immer mehr ins Gewicht fällt und die nutzbare elektrische Energie vom BHKW immer kleiner wird. Ab 66 km/h verbraucht das Fahrzeug, wie bereits oben erwähnt, durch das Zusatzgewicht des BHKWs mehr Leistung, als das BHKW überhaupt liefern kann. Es kann folglich, bei gleichbleibender

Geschwindigkeit, keine Energie mehr zurückgewonnen werden und die Energiebilanz nicht mehr auf null gebracht werden.

0 20 40 60 80 100 120 140

0 20 40 60 80 100 120

Energie Rückgewinnungszeit [min]

Geschwindigkeit [km/h]

Rückgewinnungszeit nach Beschleunigung

Als eine weitere mögliche Betrachtung kann das Verhältnis zwischen der nutzbaren elektrischen Leistung des BHKWs bei konstanter Geschwindigkeit und der vom Motor benötigten Leistung, um das Fahrzeug auf dieser Geschwindigkeit zu halten, angesehen werden (Annahme: Einspeisung BHKW mit η=100 %):

Abbildung 14 Anteil BHKW an Fahrleistung (linear)

In dieser Grafik (Abbildung 14) ist ersichtlich, dass am Anfang (bis ca. 10 km/h) die vom BHKW gelieferte Leistung einen grossen Anteil von der benötigten Fahrleistung ausmacht. Da die

benötigte Leistung jedoch mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit steigt, schwindet der BHKW- Anteil sehr schnell. Ab 66 km/h geht die nutzbare elektrische Energie ins Negative und das BHKW wird quasi zum Verbraucher. Abbildung 15 ist die logarithmische Darstellung von Abbildung 14 und dient dazu, die Zahlen bei höheren Geschwindigkeiten besser ablesen zu können. Sie bricht bei 66 km/h ab, weil Negativwerte in der logarithmischen Skala nicht angezeigt werden können.

Abbildung 15 Anteil BHKW an Fahrleistung (logarithmisch) -50%

150%

350%

550%

750%

950%

0 20 40 60 80 100 120

Verhältnis nutzbarer el. Leistung (BHKW) zu Fahrleistung (Motor)

Geschwindigkeit [km/h]

Anteil NBHKW an Fahrleistung bei v = konstant (linear)

0%

1%

10%

100%

1000%

10000%

0 10 20 30 40 50 60

Verhältnis nutzbarer el. Leistung (BHKW) zu Fahrleistung (Motor)

Geschwindigkeit [km/h]

Anteil NBHKW an Fahrleistung bei v = konstant (logarithmisch)

Effektive Auswirkung auf die Reichweite

Mit den oben gemachten Grundüberlegungen kann nun ein Fazit zur Effektivität des BHKWs als Range Extender gemacht werden. Für die Grundbetrachtungen oben wurde angenommen, dass die Einspeisung mit einem Wirkungsgrad von 100 % erfolgt. Das ist in Ordnung, da es sich um

Grundsatzüberlegungen handelt, die das Ergebnis nicht beeinflusst. Für die Betrachtung der effektiven Reichweite wird nun für die Einspeisung der elektrischen Energie des BHKWs in den Fahrzeugstromkreis, ein Wirkungsgrad (wie im Modell definiert) von 80 % angenommen. Die Reichweite wird nach der untenstehenden Gleichung berechnet und ist folgendermassen definiert:

Es wird von Null auf eine Geschwindigkeit v beschleunigt. Anschliessend wird konstant mit dieser Geschwindigkeit gefahren, bis die Batterie leer ist.

𝑅𝑒𝑖𝑐ℎ𝑤𝑒𝑖𝑡𝑒 = (𝑊_{𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒}− 𝑊_{𝐵𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙} 𝑃_{𝐹𝑎ℎ𝑟𝑡}− 𝑃_{𝐵𝐻𝐾𝑊}∗ 𝜂) ∗ 𝑣

WBatterie ist dabei die Kapazität, welche in der Fahrzeugbatterie vorhanden ist. Dies ist beim Renault Kangoo Maxi Z.E. 22 kWh. WBeschl ist der Betrag an Energie, welcher für die Beschleunigung auf die jeweilige Geschwindigkeit benötigt wird. PFahrt ist die Leistung des Motors um das Fahrzeug auf eben dieser Geschwindigkeit zu halten. PBHKW ist die elektrische Leistung des BHKWs und wird mit dem Wirkungsgrad η=80 % multipliziert. V ist die Geschwindigkeit, welche konstant gefahren wird. Alle Berechnungen dazu sind ebenfalls im Excel-File „Reichweite mit BHKW_def“.

In den beiden Grafiken (Abbildung 16 & 17) werden fünf Fälle unterschieden:

Reichweite Sommer ohne BHKW Reichweite Winter ohne BHKW

Reichweite mit BHKW (elektrisch & thermisch) Reichweite mit BHKW (nur thermisch)

Reichweite mit BHKW im Winter (nur elektrisch)

Die Reichweite im Sommer ohne BHKW ist in blau abgebildet. Die Winterreichweite ohne BHKW (braun) ist 30 % kleiner als die Sommerreichweite. Mit dem Fahrzeug, welches nur die thermische Leistung des BHKWs nutzt und bei dem der Strom nicht in den Fahrzeugkreislauf gespiesen wird (gelb), kann eine Reichweite zwischen Sommerreichweite ohne BHKW (blau) und Winterreichweite ohne BHKW (braun) erreicht werden. Dies liegt daran, dass die Batterie zwar Sommertemperatur hat, das Fahrzeug aber 315 kg schwerer ist. Diese Reichweite erreicht die Variante unabhängig von der Jahreszeit. Nutzt man im Winter nur die elektrische Leistung und die thermische nicht (grün), hat man bei sehr kleinen Geschwindigkeiten eine fantastische Reichweite. Mit zunehmendem Tempo und der dadurch höheren benötigten Fahrleistung, nimmt der Einfluss der vom BHKW gelieferten Energie (Abbildung 14/15) aber rasant ab und die Reichweite fällt auf, oder sogar leicht unter, die normale Winterreichweite ohne BHKW (braun). Wird beim Fahrzeug die thermische und auch die elektrische Leistung des BHKWs genutzt (grau), erreicht man, unabhängig von der

Jahreszeit, etwa dieselbe Reichweite wie im Sommer ohne BHKW (blau) oder kann diese sogar leicht übertreffen.

Die beschriebenen Kurven sind auf der nächsten Seite abgebildet. Abbildung 16 zeigt den krassen Unterschied zwischen oberem und unterem Geschwindigkeitsbereich. Bei Abbildung 17 ist das Maximum der Reichweite auf 350 km beschränkt, um die Unterschiede bei den höheren Geschwindigkeiten besser sichtbar zu machen.