Bringt E-Autos im Winter weiter: die Wärmepumpe

Das und mehr erfahren Sie hier über Wärmepumpen in E-Autos:

• Ein Wärmepumpensystem verdichtet ein flüssiges Kältemittel, um durch den Pumpenkreislauf strömende Luft zu erwärmen.
• Dank der Wärmepumpe muss im Winter zum Beheizen des E-Autos weniger Energie aus der Hochvoltbatterie genutzt werden – dadurch entsteht ein Reichweitenvorteil.
• Die in den Volkswagen ID. Modellen optional eingesetzten Wärmepumpen nutzen das natürliche und weniger umweltbelastende Kältemittel Kohlendioxid.
• Wie viel mehr an Reichweite eine Wärmepumpe ermöglichen kann, hängt neben der Energieersparnis auch von der individuellen Fahrweise ab.

Bei einem herkömmlichen Auto mit Verbrennungsmotor kann man dessen Abwärme in der kalten Jahreszeit zum Beheizen des Innenraums nutzen. Beim E-Fahrzeug muss nachgeholfen werden, denn ein Elektromotor gibt nicht genügend Wärme ab. Deshalb setzen viele Autohersteller auf eine Wärmepumpe: Die erhöht die Reichweite der Elektroautos bei kalten Temperaturen und eingeschalteter Heizung. Die Technik kommt beispielsweise in den Elektroautos von Volkswagen optional zum Einsatz und kann für alle ID. Modelle mitbestellt werden.

Die in modernen Elektroautos eingebauten Wärmepumpen verdichten ein flüssiges Kältemittel unter hohem Druck und nutzen die dabei entstehende Wärme, um durchströmende Kaltluft zu erhitzen. Sie ermöglichen besonders energiesparende Wärmegewinnung, indem sie auch Wärme beziehungsweise Energie aus der Umgebungsluft nutzen und diese mit vergleichsweise geringem Aufwand weiter erhitzen. Diesem System liegt ein einfaches physikalisches Prinzip zugrunde: Beim Umwandeln von Flüssigkeiten in einen gasförmigen Zustand (Verdampfen) muss Energie aufgewendet werden. Umgekehrt wird beim Wandel von gasförmig zu flüssig (Kondensieren) Energie freigesetzt. 

Die Wärmepumpe nutzt die Abwärme von anderen Geräten, wie dem Elektromotor oder dem Akku, um ein eingesetztes Kältemittel zu verdichten und darüber durchströmende Luft zu erwärmen. Das Ganze funktioniert durch die Änderung des Aggregatzustands des Kältemittels. Und zwar wird das verwendete flüssige Kältemittel zunächst durch die Zugabe von Wärmeenergie in einen gasförmigen Zustand gebracht. Anschließend wird es in einem Kompressor mit zusätzlicher Energiezufuhr verdichtet, es wird also quasi mehr Energie in dem gasförmigen Stoff gespeichert. Das mittlerweile gasförmige Kältemittel wird schließlich an einen Kondensator weitergeleitet. Beim Kondensieren (verflüssigen) gibt der verdichtete Stoff zusätzliche Wärmeenergie ab. Diese kann über einen Wärmetauscher in dem Fahrzeug verteilt werden. Dabei kann sie sowohl zum Beheizen des Innenraums des Autos als auch zum Wärmen bestimmter Komponenten wie dem Akku genutzt werden, was unter anderem beim Laden im Winter von Vorteil ist. 

Das erstmals für die Wärmepumpen in den Elektroautos von Volkswagen verwendete natürliche Kältemittel R744 (Kohlendioxid, CO₂) ermöglicht eine besonders umweltbewusste Wärmegewinnung. Denn es ist deutlich weniger klimabelastend als fluorierte Gase (F-Gase), die lange in Klimaanlagen und Kühlgeräten eingesetzt wurden. F-Gase sind synthetischen Kühlmittel und gelten als besonders starke Treibhausgase. Ihr Treibhauspotenzial ist nach Angaben der Deutschen Umwelthilfe bis zu 24.000-mal höher als das von CO₂ – sie haben also einen entsprechend größeren, negativen Einfluss auf das Klima. Natürliche Kältemittel dagegen haben nicht nur ein geringes Treibhauspotenzial, sondern sind auch effizienter als F-Gase. So sorgen sie gleichzeitig für weniger Stromverbrauch und weniger Emissionen. 

Die Hochvoltbatterie des E-Autos muss dank des Temperaturmanagements „nur“ den Kompressor versorgen anstatt einer elektrischen Heizung. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe sinkt der Energiebedarf für das Beheizen des Innenraums von Elektroautos bei Außentemperaturen unter 0 Grad. Diese Einsparung kommt dem Energieinhalt der Batterie zugute, was sich wiederum positiv auf die Reichweite auswirkt.  

Wie groß der Reichweitenvorteil tatsächlich ist, hängt aber auch von der individuellen Fahrweise ab: Je niedriger die durchschnittliche Geschwindigkeit, desto höher der Einfluss der Heizung auf den Stromverbrauch, desto größer der positive Effekt durch die Wärmepumpe.