HEIZEN IM E-MOBIL

Das Rennen um das «beste» Kältemittel geht in eine neue Runde. Das anorganische Kältemittel R744 (CO2) gibt sich offenbar noch nicht geschlagen und verspürt Rückenwind, da immer mehr Fahrzeuge zu Heizzwecken mit Wärmepumpen ausgerüstet werden. Und gerade da hat R744 gewisse Vorteile. Text:

Eine Wärmepumpe in ein Auto einzubauen, das kam früher niemandem in den Sinn. Der Verbrennungsmotor produzierte so viel (Ab­)Wärme, dass es zum Heizen des Innenraums alleweil ausreichte. Bei den Klimaanlagen sieht es anders aus. Die erste Klimaanlage wurde 1939 in den USA von Packard in ein Auto eingebaut. Erst in den 1970er Jahren erlebten die Klimaanlagen auch in Europa ihren Durchbruch. Ende der 1990er Jahre wurden die Verbrennungsmotoren immer kleiner und effizienter und die Abwärme aus diesen Gründen geringer. Sie lieferten gerade in der Warmlaufphase und bei tiefen Aussentemperaturen zu wenig Wärme für die Heizung. So mussten die Innenraumheizungen durch elektrische PTC­Widerstände unterstützt werden.

Das Zusatzheizelement (Bild 2), welches von Volkswagen eingebaut wurde, enthielt drei Heizelemente, welche je fünf keramische Kaltleiter­

Widerstände enthielten. Die PTCWiderstände liessen sich bis 160 °C aufheizen. Über Kontaktbleche wurde die Wärme auf Aluminiumwellrippenelemente geleitet, welche sie an die durchströmende Luft abgaben und damit den Luftstrom erwärmten und die Innenraumheizung unterstützten. Da diese Zusatzheizelemente energieintensiv sind, wurde in der Folge – vor allem durch die Einführung von Hybrid­ und Elektrofahrzeugen – die Klimaanlage funktional «umgedreht», so dass daraus eine Wärmepumpe entstand. Die Wärmepumpe kann den Innenraum mit einem besseren Wirkungsgrad aufheizen als die elektrischen Zuheizer. VW verbaute im E­Golf eine zur Wärmepumpe umschaltbare Klimaanlage. Vor allem E­Fahrzeug­Hersteller bauen heute Wärmepumpen in die Fahrzeuge und generieren damit gerade im Winter bis 30 % mehr Reichweite. In den Unterlagen des Audi Q7 E­Tron Quattro ist zu lesen, dass die Klimaanlage mit dem Kältemittel R1234yf funktioniere, dass aber die Wärmepumpe ab einer Kälte von 0 °C noch von einer Elektroheizung unterstützt werde.

Damit ist die Komplexität des Thermomanagements umrissen: Es geht um Klimaanlagen, um Wärmepumpen, deren Umschaltungen – und es geht eben auch um die Kältemittel R134a, R1234yf und R744. R744 ist CO2 und aus diesem Grund ein sehr umstrittenes Gas – was aber gerade im Kältemittelbereich eher einen positiven Einfluss haben könnte.

Klimaanlagenbauteile

Der Kompressor ist das Bauteil einer Klimaanlage, welches extern angetrieben werden muss. Früher geschah dies über einen Keil­ oder Mehrrippenriemen, heute werden die Kompressoren zunehmend elektrisch angetrieben.

Neben dem Kompressor braucht eine Klimaanlage zwei Wärme­ tauscher. Im einen Wärmetauscher wird das komprimierte Kältemittel abgekühlt. Die durch den Wärmetauscher strömende Luft wird dabei erwärmt. Aus diesem Grund befindet sich dieser Wärmetauscher bei einer Klimaanlage vor dem Flüssigkeitskühler im Fahrtwind (Aussenkühler) und bei einer Wärmepumpe im Fahrzeuginnenraum (Innenkühler). Dieser Wärmetauscher wird auch Kondensator genannt, weil konventionelle synthetische Kältemittel (R134a oder R1234yf) während des Durchströmens den Aggregatszustand von gasförmig nach flüssig ändern, sie kondensieren.

Verdampfer

In den zweiten Wärmetauscher wird durch das Expansionsventil das unter Druck stehende flüssige Kältemittel eingespritzt, ähnlich einer Spraydose oder einer Luftpistole. Durch diese Entspannung auf einen niederen Druck wird das Kältemittel sehr kalt (ähnliche physikalische Effekte: zufrierende Luftpistolen oder früher die Vergaservereisung). Beim Durchströmen des Wärmetauschers nimmt das Kältemittel Wärmeenergie auf. Die Luft fliesst quer dazu durch den Kühler, gibt die entsprechende Wärmeenergie ab und kühlt sich dabei ab. In Klimaanlagen befindet sich dieser Wärmetauscher im Innenraum, damit dieser abkühlt; und bei Wärmepumpen muss er dort angebracht sein, wo genügend Wärmeenergie vorhanden ist, um die nötige Wärmeenergie dem Kältemittel zuzuführen. Dieses muss während des Vorgangs unbedingt gasförmig werden, da es danach wieder in den Kompressor strömt und dort komprimiert wird. Würde der Kompressor Flüssigkeit ansaugen, würde das mit einem kapitalen Kompressorschaden belohnt.

Das letzte Bauteil im Kreislauf ist der Sammler. Wird das Kältemittel von einem geregelten Expansionsventil in den Verdampfer gespritzt, befindet sich der Sammler zwischen Kondensator und Expansionsventil. Erfolgt die Einspritzung ungeregelt über eine Drossel (veraltet), befindet sich der Sammler zwischen Verdampfer und Kompressor. Im Sammler wird eine gewisse Menge Kältemittel zwischengespeichert und er dient dazu, den physikalischen Vorgang des vor ihm liegenden

Wärmetauschers (kondensieren oder verdampfen) zu vervollständigen.

Funktion

Der Kältemittelkreislauf ist im Diagramm (Bild 4) kräftig eingezeichnet. Die Ordinate ist mit dem Druck in bar angeschrieben. Die Achse ist logarithmisch eingeteilt. Die Abszisse ist mit