Soluzioni di raffreddamento per autobus e treni elettrici

Si torna a parlare di raffreddamento mobile e del ruolo che i refrigeranti naturali possono svolgere in questo settore, soprattutto alla luce del processo di elettrificazione a cui sta andando incontro la mobilità. Merito del simposio “diffuso” di eurammon che ha riportato questo tema sul palco di un convegno, dopo un periodo di scarsa attenzione. Se ne era parlato molto negli anni 2006-2008 e ancora nel 2011-2012 quando si era accesa la diatriba HFO o CO₂ per il condizionamento mobile per poi passare in secondo piano, soprattutto perché sembrava una battaglia chiusa, avendo la maggior parte dei costruttori scelto gli HFO. Ma la ricerca non si è fermata e ha continuato a cercare soluzioni sempre più efficienti e affidabili, che permettono oggi di portare sul mercato interessanti proposte anche per bus elettrici e treni.

Secondo il rapporto BloombergNEF  “Electric Vehicle Outlook 2020” i prossimi vent’anni vedranno una significante affermazione del trasporto elettrificato. Solo considerando il trasporto passeggeri, si prevede che al 2025 i veicoli elettrici saranno già il 10% delle vendite globali per raggiungere poi il 28% nel 2030. Per quanto riguarda la flotta globale di bus elettrici, secondo il rapporto entro il 2040 essa sarà al 67% del totale di tutti gli autobus (nel 2015 essa era al 7%) Tendenze in forte crescita, dunque e non è detto che l’elettrificazione non riceva una ulteriore spinta di sviluppo, alla luce della nuova strategia europea verso la decarbonizzazione completa al 2050.

Oggi, per il condizionamento, la maggior parte dei bus elettrici usa ancora R134a. Ma vi sono due tendenze che lasciano immaginare un possibile futuro prossimo diverso:

• la riduzione in Europa e a livello globale dei refrigeranti ad alto GWP porterà una sempre maggiore difficoltà di approvvigionamento. Ma la refrigerazione mobile, per questioni strutturali, ha percentuali di perdita del refrigerante non trascurabili, quindi costante necessità di approvvigionamento;
• le tecnologie basate su refrigeranti R290 e CO₂ per il condizionamento e riscaldamento mobile (in pompa di calore) stanno diventando alternative sempre più ricercate dai costruttori di autobus o dai gestori di alcune ferrovie nazionali.

Per questo dunque è particolarmente interessante la panoramica offerta dal simposio eurammon che ha dedicato una mattinata al tema del condizionamento mobile per i veicoli elettrici.

Soluzioni in pompa di calore a CO₂ per autobus elettrici

La prima soluzione presentata al simposio è la pompa di calore a CO₂ dell’azienda tedesca Konvekta. La soluzione è dal 2019 in produzione e oggi sul mercato europeo vi sono ben 260 bus elettrici equipaggiati di pompa di calore Konvekta per il riscaldamento e raffreddamento. La maggior parte di essi si trova in Germania, ma alcuni anche in altri stati europei. Ad esempio, 10 operano in Italia e 3 in Francia, in un clima mediterraneo. Non solo bus elettrici: il sistema Konvekta è installato anche su 90 bus a diesel per il condizionamento. A rigor di cronaca bisogna dire che i 90 bus diesel sono stati installati tra il 2004 2 il 2016. «Al momento nessun costruttore di compressori è disposto a (o in grado di) costruire compressori aperti per CO₂ per bus elettrici, alimentati da motore diesel, per cui non possiamo più fornire questa tipologia di impianto ai costruttori di bus» afferma Michael Sonnekalb, Head of Research & Development in Konvekta.

Nel complesso si tratta di un successo considerato il breve lasso di tempo. Ma lo sviluppo di questa pompa di calore ha richiesto parecchio lavoro di ricerca e ha visto la realizzazione di due generazioni di modelli, di cui la seconda sviluppata dal 2015 e oggi sul mercato come modello UL500 – dove UL sta per Ultra Light. Si tratta di un sistema composto da un circuito diretto a CO₂ e circuiti indiretti aria/acqua con scambiatori di calore a piastre per acqua calda e acqua fredda a circuiti separati. Il sistema a CO₂ raffredda o riscalda aria che viene immessa nel bus tramite appositi canali. È collegato tramite scambiatori di calore ai circuiti secondari in cui scorre acqua glicolata che si trovano nella parte bassa del bus. Il sistema può farsi anche carico del raffreddamento dei componenti elettrici che lo richiedono. La pompa di calore è dotata di compressori a inverter in modo da mantenere una buona efficienza anche a carichi parziali; il sistema è dotato di una valvola solenoide “fast switching” per cui è in grado di raggiungere velocemente le temperature richieste. Analisi comparative, condotte da Konvekta, dimostrano che questo sistema ha efficienze di gran lunga migliori rispetto ad esempio al riscaldamento elettrico o al diesel.

Essendo questo sistema una combinazione di elementi diretti e indiretti, non è di per sé il più economico sul mercato, in termini di investimento iniziale. Ma bisogna considerare che:

• il sistema può essere realizzato in versioni semplificate e quindi meno costose;
• nell’arco dell’anno l’efficienza di tale sistema rispetto a sistemi tradizionali a R134a per il condizionamento (dotati di un elemento elettrico ausiliare per il riscaldamento) risulta essere superiore;
• Il costo al Kg del refrigerante è circa il 90% inferiore a quello dei refrigeranti sintetici; è dovunque disponibile e al sicuro da eventuali modifiche dei regolamenti;
• La sostenibilità della soluzione, sia in termini di tipologia del refrigerante che in termini di efficienza energetica la rende una tecnologia sicura anche in un contesto di Green Deal;
• I costi di manutenzione sono bassi.

Uno dei requisiti principali per queste pompe di calore è la leggerezza e tra i componenti che incidono su questo parametro vi è sicuramente il compressore. Secondo Michael Sonnekalb, idealmente i compressori per questa pompa di calore a CO₂ non dovrebbero esser più pesanti dei compressori per R134a per la stessa potenza, cosa che, per altro, nel mondo automotive si è dimostrato possibile. Per gli autobus non si è ancora a questo punto: i compressori che si adottano qui sono quelli sviluppati per la refrigerazione commerciale. Essi sono costruiti per resistere a pressioni elevate, tipiche in un impianto commerciale, ma decisamente maggiori di quanto richiesto in un impianto di climatizzazione per autobus. Per questo Sonnekalb è convinto che, lavorando sul corpo del compressore e adattandolo a pressioni di almeno 20 bar inferiori a quelle del commerciale, si potrebbero raggiungere pesi decisamente minori rispetto a quelli oggi utilizzati: un compito per i compressoristi!

L’azienda Konvekta pone a sé stessa e ai suoi prodotti standard ambientali elevati. Per questo motivo i materiali utilizzati nella costruzione della pompa di calore sono tutti materiali riciclabili, il che potrebbe essere l’inizio di una economia circolare anche per questa tipologia di prodotto.

Aurora – BOREALIS: pompe di calore a propano (R290) per autobus elettrici

L’azienda Aurora ha scelto il propano per la sua pompa di calore Borealis per bus elettrici. Sebbene infiammabile, il propano ha una lunghissima storia di applicazioni, sia nella refrigerazione commerciale che industriale. Le conoscenze tecnologiche acquisite in questi settori e i risultati delle varie applicazioni hanno rafforzato l’immagine del propano come ottimo refrigerante in termini di sostenibilità, efficienza e sicurezza.

Il sistema sviluppato da Aurora è un circuito ermeticamente chiuso, con compressore scroll a inverter e un sistema per la gestione dell’olio. Il circuito frigorifero a propano è collegato tramite scambiatori di calore a circuiti secondari che portano freddo e caldo in cabina. Per motivi di sicurezza il propano si trova solo nel circuito primario, mentre in quello secondario si trova acqua glicolata.

Il circuito frigorifero è posto sul tetto del veicolo in modo che, in caso di perdite, il propano possa disperdersi nell’aria. La pompa di calore Borealis ha un design compatto, un sistema integrato di controllo della batteria ed è in grado di recuperare il calore di scarto dai componenti che lo generano. Ha una capacità di raffreddamento di 26kW e una di riscaldamento di 16kW che raggiunge i 22kW se si recupera il calore di scarto. Il carico frigorigeno è 1500 grammi di propano. La pompa di calore lavora in intervalli di temperatura tra +45°C e -15°C. Questo modello è ancora in fase di test. Conclusa tale fase, si potrà partire con la produzione per il mercato. Questo concetto è stato presentato alla fiera Busworld nel 2019. In generale, il propano si presta molto bene all’utilizzo in pompa di calore e, soprattutto nei paesi caldi, ha vantaggi di efficienza rispetto alla CO₂

Il condizionamento dei treni: tendenze e richieste

Tradizionalmente i requisiti per il condizionamento ferroviario riguardano soprattutto la meccanica e la struttura degli impianti più che l’efficienza energetica e la tipologia di refrigerante: devono essere leggeri, occupare poco spazio, essere sicuri e rientrare in determinati intervalli di prezzo. Fino ad oggi efficienza e tipologia di refrigerante non erano aspetti principali nella scelta del sistema di condizionamento ma la situazione sta cambiando. Sempre più nazioni richiedano soluzioni a basso impatto ambientale e basse emissioni, in linea con la strategia europea del Green Deal; il Regolamento F-Gas determina la graduale scomparsa di alcuni refrigeranti dal mercato ma i treni sono progettati per durare trent’anni ed è quindi necessario scegliere in maniera molto oculata la tipologia di refrigerante, in modo che idealmente duri quanto il sistema.

Anche Faiveley S.A., azienda multinazionale di produzione e fornitura di accessori ferroviari per ferrovie e locomotive elettriche, sta conducendo diverse analisi sulle alternative disponibili sul mercato per rispondere al meglio alle nuove richieste e nel simposio eurammon presenta alcune conclusione di queste analisi:

• Il regolamento F-Gas influenza anche il settore delle ferrovie;
• I nuovi refrigeranti sintetici sono una soluzione oggi, ma per alcuni operatori ferroviari presentano troppe incertezze riguardo al futuro (rischi legati all’impatto ambientale)
• I refrigeranti naturali non sono ancora presenti “on the rail” ma si stanno analizzando possibili scenari:
  • Soluzioni a CO₂ e aria sono disponibili ma ad oggi non ottimali per questioni di peso, costo, efficienza (i sistemi ad aria hanno ancora valori di COP inferiori a 1)
  • Per quanto riguarda gli idrocarburi, essi presentano lo stesso livello di sicurezza degli altri refrigeranti infiammabili oggi usati
  • Nel futuro vi sarà una maggiore differenziazione di tecnologie e refrigerante a seconda delle richieste dei singoli operatori e delle condizioni in cui i treni si trovano ad operare.
• Le sostanze infiammabili non sono escluse a priori:
  • Vi sono già oggi treni che funzionano ad idrogeno (CORADIAiLINT)
  • Sia gli HFO che gli idrocarburi vengono considerati come possibili soluzioni per il treno.
  • A favore degli idrocarburi vi è la lunga e consolidata esperienza delle applicazioni nella refrigerazione commerciale e industriale che può essere utilizzata anche per il condizionamento.