Erstes Batterie-Prüflabor mit CO2-neutraler Kältetechnik auf Basis natürlicher Kältemittel

Batterien sind die Schlüsselkomponenten für Elektromobilität und erneuerbare Energien. Für eine ganzheitliche, positive Umweltbilanz muss nicht nur die Batterietechnik selbst, sondern auch deren Entwicklung klimaneutral werden. Hier hat Voltavision, als Spezialist für die Prüfung von Hochvolt-Batterien, mit dem ersten Prüflabor mit CO2-neutraler Kältetechnik, in der CO2 und Propan als Kältemittel verwendet werden, einen weiteren Durchbruch erzielt.

Voltavision ist mit mehreren Prüflaboren mit einer Gesamtlaborfläche von 4.600 Quadratmetern, 195 Prüfkammern und 2111 Testkanälen für Zellen, Module und Batterien in Deutschland einer der führenden Testdienstleister von Hochvolt-Batterie-Prüfungen für Fahrzeuge in der Entwicklungsphase. Als Pionier auf diesem Gebiet und Akteur beim Wandel zu klimafreundlicher Elektromobilität strebt Voltavision stets danach, auch selbst schnellst möglichst klimaneutral zu arbeiten.

Eine Herausforderung dabei waren die erforderlichen Kältemittel. Sie gehören zu den teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) – die wiederum zu den Treibhausgasen zählen und die Ozonschicht schädigen können. Sie zu reduzieren ist auch aufgrund von EU-Vorgaben aus der „F-Gase-Verordnung“ erforderlich. Diese sieht den HFKW-Ausstieg bis 2030 vor. Voltavision ist es schon jetzt gelungen, sie bei gleichbleibender Qualität und Zuverlässigkeit des Kälteprozesses komplett zu ersetzen.

GWP unter 3 und ODP von 0

Um in den Prüflaboren die wichtigen Tests zu den Produkteigenschaften bei tiefen Temperaturen bis zu -40 °C zuverlässig durchzuführen, nutzt Voltavision schon länger eigens entwickelte Temperiergeräte mit starker Leistung bei geringer Umweltbelastung. Nun haben Ingenieure von Voltavision mit Unterstützung der Kältetechniker von Frigotechnik einen weiteren Durchbruch erzielt und eine Anlage konstruiert, die komplett auf natürliche Kältemittel setzt. Damit sind sie den von der EU schrittweise bis 2030 vorgeschriebenen Einschränkungen bei der Nutzung fluorierter Kältemittel weit voraus: Die Anlage erreicht einen GWP-Wert (Global Warming Potential) unter 3 und einen ODP-Wert (Ozone Depletion Potential) von 0 – ist also im Gegensatz zu vielen anderen Kältemitteln für die Ozonschicht völlig unschädlich.

Die Entwicklung der neuen Klima- und Kälteanlagen erfolgte parallel zum Bau des Prüflabors Riemke III in Bochum. Dort versorgt jetzt eine Zentralkälteanlage acht modifizierte Voltacooler, die von Voltavision eigens entwickelten und schon länger eingesetzten Temperiergeräte. Sie ermöglichen es, Batterien und andere HV-Komponenten unter verschiedensten Bedingungen zu testen, indem sie Temperierkreisläufe im Fahrzeug präzise nachstellen oder sehr hohe Temperaturgradienten provozieren können.

Julian Stentenbach, Geschäftsführung Voltavision: „Bereits zur Gründung 2011 hatten wir die Vision, dass unsere Labore mit einer zentralen Kältetechnik versorgt werden. Die Vorteile der Effizienz- und Kostenersparnis liegen auf der Hand. Doch es gelang uns lange Zeit nicht, die Hersteller von unserer Idee zu überzeugen. Mittlerweile sind wir selber zertifizierter Kältebetrieb und haben uns in den letzten Jahren das Know-How zur Errichtung solcher Anlagen nach dem „Learning by Doing“ Prinzip erarbeitet. Damit wir im Klimaschutz nennenswerte Fortschritte machen, müssen wir den Dogmatismus überwinden und neue Wege gehen.“

Zentralkälteanlage mit Propan-Betrieb

Die neue Anlage verfügt über eine Kälteleistung von 2 x 190 kW bei einer Verdampfungstemperatur von -20 °C und wurde speziell für die Anforderungen von Voltavision umgesetzt. Sie ist die erste in einem Batterie-Prüflabor, die mit Propan betrieben wird. Mit einem GWP unter 3 ist Propan sehr umweltfreundlich. Zum Vergleich: Andere gängige Kältemittel wie R449a weisen hier Werte von 1.397 auf.

Propan bringt einige besondere Anforderungen mit sich, die gerade mit einer zentralen Kälteerzeugung gut kontrollierbar sind. Daher hat Voltavision eine Zentralkälteanlage entwickelt, die mit einer Verdampfungstemperatur von -23 °C betrieben wird. Die Anlage kühlt ein Ethylenglykol auf permanent -15 °C ab, welches eine Frostsicherheit von -45 °C aufweist. Das kalte Wasser-Glykol wird über eine große Ringleitung durch das Labor gepumpt.

Gekühlt wird in der Zentralkälteanlage mittels zwei redundant laufender Verbundanlagen mit jeweils fünf Verdichtern. Die Redundanz sorgt für Ausfallsicherheit bei technischen Fehlern, kann aber auch der Leistungsergänzung dienen. Die Leistung der Verbundanlage wird bedarfsgerecht von einer im eigenen Unternehmen entwickelten MSR-Anlage geregelt.

Voltacooler mit CO2-Boostersatz für tiefe Temperaturen

Im Voltavision-Labor Riemke III kühlt das Glykol aus der Zentralkälte die in die Prüfkammer integrierten Voltacooler sowie den Prüfraum direkt über große Wärmetauscher. Somit kann jede Prüfkammer Temperaturen bis zu -10 °C direkt über die Zentralkälte, ohne zusätzlichen Kältekreis erzeugen, was deutlich weniger Energie benötigt als konventionelle Anlagen. Der Einsatz eines CO2-Boosters sorgt dann für eine Temperaturabsenkung auf bis zu -40 °C innerhalb der Kammer und den Kühlkreisläufen für die Prüflinge. Hierzu wurden die Voltacooler entsprechend angepasst, sodass sie ebenfalls mit CO2 als Kältemittel betrieben werden können. Dabei sind die stufenlos von 0 kW bis 20 kW regelbaren Voltacooler sowie die CO2-Booster in einem Gestell kompakt verbaut. Mit einer Grundfläche von lediglich 90 x 120 cm gelang dabei eine besonders kompakte Konstruktion, die sich an den Abmessungen der bisherigen Voltacooler orientiert.

Propan Kaltwassersatz sorgt für weitere Optimierung

Die Zentralkälteanlage ist noch mit einem zusätzlichen Kaltwassersatz ergänzt, der eine Glykoltemperatur von +20 °C bei 100 kW bereitstellt und primär die Endstufen der Batterietester kühlt. Er verfügt über einen Freikühler, damit das Glykol möglichst energiesparend über die Umgebung abgekühlt wird. Außerdem wird die Anlage an die neuen Voltacooler mit CO2-Booster angeschlossen, um als Enthitzerstufe für das CO2 zu agieren. Mit dem Kaltwassersatz werden so mit einem hohen Freikühlanteil die Batterietester gekühlt und zusätzlich wird für eine energetische Optimierung der CO2-Anlagen gesorgt.

In dem Zuge des Laboraufbaus Riemke III wird auch die Kühlung der Labore Riemke I und II modernisiert, um die gesamte Kälteproduktion effizienter zu machen und die komplette Umstellung des Betriebs auf natürliche Klimamittel voranzutreiben. Beide Labore erhalten KWS mit Freikühlung inklusive der Nutzung des umweltfreundlichen Kältemittel R290 (Propan), damit sie effizient und klimaneutral gekühlt werden.