Pompa di calore CO2 rivoluziona il riscaldamento EV
L’adozione dei veicoli elettrici (EV) sta accelerando a livello globale, ma uno dei principali ostacoli alla loro accettazione universale rimane la gestione del comfort termico in condizioni invernali estreme. Senza il calore residuo di un motore a combustione interna, i veicoli elettrici devono ricorrere a soluzioni elettriche per riscaldare l’abitacolo, un processo che tradizionalmente ha gravato pesantemente sulla batteria, riducendo drasticamente l’autonomia. Il risultato è una ben nota “ansia da autonomia” che dissuade molti potenziali acquirenti, specialmente in regioni con inverni rigidi. Tuttavia, una recente ricerca condotta da un team di scienziati cinesi potrebbe rappresentare un punto di svolta nella tecnologia di climatizzazione per l’elettrico, dimostrando che una pompa di calore basata su anidride carbonica (CO2 o R744) non solo è tecnicamente fattibile, ma supera di gran lunga i sistemi convenzionali in termini di efficienza e prestazioni a basse temperature.
Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Chinese Journal of Refrigeration Technology, presenta i risultati di test stradali approfonditi su un sistema di pompa di calore al CO2, progettato per operare in un ciclo transcritico. I risultati sono stati sorprendenti: il sistema ha dimostrato di fornire un riscaldamento confortevole e stabile anche a temperature ambientali di -23 °C, soddisfacendo tutti gli standard di riferimento per il comfort termico degli occupanti. Ma la vera rivoluzione risiede nell’efficienza. Quando confrontato con un sistema tradizionale basato sul refrigerante R134a assistito da un riscaldatore elettrico PTC (Positive Temperature Coefficient), il sistema al CO2 ha ridotto il consumo energetico medio del 35,4%, un vantaggio che si traduce direttamente in un’autonomia significativamente maggiore durante i mesi invernali.
Questa scoperta non è solo un miglioramento incrementale, ma un cambiamento di paradigma nella gestione termica dei veicoli elettrici. La ricerca, condotta dal Laboratorio Nazionale Chiave per la Simulazione e il Controllo Automobilistico dell’Università di Jilin in collaborazione con esperti di Wuhu Chery Technology ed Ethernal Automotive Technology, fornisce dati empirici robusti che dimostrano come il CO2, un refrigerante naturale con un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di appena 1, possa non solo sostituire i refrigeranti sintetici ad alto GWP come il R134a (GWP=1300), ma farlo in modo più performante. Questo è un passo cruciale verso un’automobilistica veramente sostenibile, in linea con gli obiettivi globali di riduzione delle emissioni.
La tecnologia della pompa di calore al CO2 non è nuova, ma la sua applicazione nei veicoli di serie è stata ostacolata da complessità ingegneristiche, principalmente legate alle alte pressioni operative (spesso superiori a 100 bar) richieste dal ciclo transcritico. In questo studio, il team ha superato queste sfide progettando un sistema completo con compressore a velocità variabile, scambiatore di calore interno (IHX), valvole di espansione elettromagnetiche e una configurazione di tubazioni che permette il passaggio fluido tra il raffreddamento e il riscaldamento. La chiave del successo è stata la validazione in condizioni reali di guida, non in un ambiente di laboratorio controllato.
I test sono stati condotti su strada a temperature di -15 °C e -23 °C, misurando con termocoppie di precisione le temperature dell’aria in uscita dai bocchettoni di ventilazione ai piedi degli occupanti (footwell) e la temperatura effettiva percepita nella zona dei piedi. Questi parametri sono fondamentali, poiché i piedi freddi sono uno dei primi segni di un sistema di riscaldamento inadeguato. A -15 °C, dopo 30 minuti di guida e 10 minuti di riscaldamento a veicolo fermo, il sistema ha raggiunto una temperatura di uscita stabile di 50,5 °C per il conducente e 57,9 °C per il passeggero anteriore, con temperature ai piedi di 33,1 °C e 41,5 °C rispettivamente, ben al di sopra dei valori di comfort definiti dalle specifiche tecniche del veicolo (VTS).
Il risultato più sorprendente è emerso a -23 °C. Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, le prestazioni del sistema non sono diminuite, ma sono addirittura migliorate. La temperatura media dell’aria in uscita ai piedi è aumentata di circa il 2,86% rispetto al test a -15 °C. Il conducente ha registrato una temperatura di uscita di 54 °C e il passeggero anteriore di 62 °C. Questo fenomeno, noto come “aumento della capacità di riscaldamento a basse temperature”, è una caratteristica distintiva dei sistemi al CO2. A temperature estremamente basse, la capacità del CO2 di assorbire calore dall’aria esterna fredda rimane elevata, consentendo al sistema di funzionare in modo più efficiente rispetto ai sistemi convenzionali, che spesso richiedono un massiccio supporto da parte degli energivori riscaldatori PTC.
Per quantificare il vantaggio, il team ha condotto un confronto diretto con un sistema R134a di riferimento. A una temperatura ambiente di circa -22 °C, il sistema R134a ha mostrato un forte dipendenza dal riscaldatore PTC, il cui consumo di potenza ha raggiunto un picco di 8,5 kW all’avvio, per poi stabilizzarsi a circa 3,2 kW. Il compressore del sistema R134a ha aggiunto ulteriori 1,2 kW, portando il consumo totale a circa 4,4 kW. Al contrario, il compressore del sistema al CO2 ha raggiunto un picco di 4,2 kW per poi stabilizzarsi a 3,2 kW, con fluttuazioni minime. In termini di potenza media, il compressore al CO2 ha consumato il 28,6% in meno della somma del compressore e del riscaldatore PTC del sistema R134a.
Questa differenza di efficienza si è tradotta in un risparmio energetico cumulativo del 35,4% durante il test. Per un guidatore, questo significa che la batteria, invece di essere prosciugata dal riscaldamento, può essere preservata per la trazione. Una perdita di autonomia del 40% tipica con i sistemi convenzionali potrebbe essere ridotta a meno del 25%, un miglioramento sostanziale che rende i viaggi invernali non solo possibili, ma anche pratici. Questo non è solo un vantaggio per il consumatore, ma un imperativo per i costruttori che devono soddisfare normative sempre più severe sull’efficienza energetica e sulle emissioni.
Il passaggio al CO2 è anche una decisione strategica dal punto di vista ambientale. Con il protocollo di Kigali che prevede la graduale eliminazione dei refrigeranti ad alto GWP, il CO2 rappresenta una soluzione futura e sostenibile. Il suo GWP trascurabile e la sua natura non tossica lo rendono un candidato ideale per un’industria automobilistica che mira a un bilancio climatico neutro. L’adozione anticipata di questa tecnologia permette ai costruttori di essere all’avanguardia, evitando costosi aggiornamenti in futuro.
Dall’analisi dei dati, è emerso un altro vantaggio chiave: la stabilità operativa. Il sistema al CO2 ha mostrato un profilo di potenza molto più uniforme, con il compressore che lavora in modo costante e prevedibile. Questo non solo è più efficiente, ma riduce anche lo stress sul sistema elettrico ad alta tensione del veicolo. Il sistema R134a/PTC, al contrario, ha mostrato forti picchi di potenza all’avvio, seguiti da fluttuazioni, un comportamento meno desiderabile per la gestione energetica complessiva del veicolo.
La progettazione del sistema è stata fondamentale per il suo successo. L’uso di uno scambiatore di calore interno (IHX) ha permesso di sottoraffreddare il refrigerante ad alta pressione e surriscaldare quello a bassa pressione, ottimizzando l’efficienza del ciclo. Le valvole di espansione elettroniche hanno consentito un controllo preciso del flusso, adattandosi rapidamente ai cambiamenti di carico termico. Questo livello di sofisticazione ingegneristica è ciò che trasforma un concetto promettente in una soluzione di produzione affidabile.
Per quanto riguarda la produzione di massa, la transizione al CO2 presenta sfide. Le alte pressioni operative richiedono componenti più robusti, tubazioni e connessioni speciali, il che può aumentare i costi iniziali. Tuttavia, come dimostrato in altri settori come il supermercato, questi costi tendono a ridursi rapidamente con la scala di produzione. I benefici a lungo termine in termini di autonomia, efficienza e conformità normativa superano di gran lunga i costi iniziali. Inoltre, il sistema al CO2 apre la strada a una gestione termica del veicolo più integrata. Il calore residuo generato dalla batteria, dal motore e dall’elettronica di potenza durante la guida potrebbe essere recuperato e utilizzato dal sistema di CO2 per pre-riscaldare l’abitacolo o la batteria stessa, massimizzando ulteriormente l’efficienza energetica complessiva.
La ricerca ha anche affrontato la questione della affidabilità. I test stradali prolungati in condizioni estreme non hanno mostrato segni di degrado o malfunzionamenti. Il sistema ha operato in modo coerente e affidabile, dimostrando che la tecnologia è pronta per il mercato di massa. Questa robustezza è essenziale per guadagnare la fiducia dei consumatori e dei costruttori.
Per il guidatore medio, il messaggio è semplice: un veicolo elettrico con una pompa di calore al CO2 offrirà un inverno più caldo e un’autonomia più lunga. La cabina si riscalderà più rapidamente e in modo più uniforme, e la batteria durerà più a lungo. Questo elimina una delle principali barriere psicologiche all’acquisto di un EV. Per l’industria automobilistica, questa ricerca rappresenta un’opportunità chiara. Fornisce una solida base scientifica e dati di test concreti per adottare una tecnologia che non solo è più verde, ma è anche tecnicamente superiore.
In conclusione, questo studio non è un semplice esercizio accademico. È una dimostrazione pratica e convincente che la pompa di calore al CO2 è la soluzione definitiva per il riscaldamento dei veicoli elettrici in climi freddi. Combina sostenibilità, efficienza e prestazioni in un pacchetto che risolve uno dei problemi più persistenti dell’elettrificazione. Mentre il settore continua la sua transizione verso un futuro a zero emissioni, innovazioni come questa sono fondamentali per garantire che i veicoli elettrici non siano solo puliti, ma anche pratici, comodi e attraenti per tutti, ovunque. Il futuro della mobilità elettrica è più caldo, più efficiente e più sostenibile, grazie al potere del CO2.
Di Lou Hui (Wuhu Chery Technology Co., Ltd.), Wang Jun (Ethermal Automotive Technology (Changshu) Co., Ltd.), Teng Haixu, Liu Guidan, Li Xiaotong, Li Bin (State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University). Pubblicato su Chinese Journal of Refrigeration Technology, DOI: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.04.206