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    ElettroWiki | La pompa di calore conviene oppure no?

    Se al momento dell’acquisto dell’auto elettrica, dubitate sul costo aggiuntivo di questo optional oppure se non è meglio spendere in delizie culinarie nel vostro ristorante preferito, beh! La risposta è si, vale la pena munirsi della pompa di calore perché presenta reali vantaggi nell’utilizzo, soprattutto in inverno.

    Nelle auto elettriche il sistema aiuta a riscaldare e raffreddare l’abitacolo, e aumentare l’autonomia o almeno è quello che vi viene detto quando varcate la soglia della concessionaria. Ma come funziona e perché è buona cosa averla? A queste e ad altre domande risponderemo in questo articolo.

    Un sistema 2 in 1

    Raramente presente se non del tutto assente sulle prime auto elettriche, la pompa di calore è ormai diventata una tecnologia indispensabile per chi utilizza quotidianamente la propria auto elettrica e per ogni tipo di viaggio a condizione di saperla sfruttare correttamente. Anche se alcune case automobilistiche propongono questo sistema come optional o a seconda del livello di allestimento, la pompa di calore per un’auto elettrica ha molti vantaggi che giustificano questo ulteriore investimento (quando non è disponibile già di serie).

    Cos’è una pompa di calore?

    Il principio di funzionamento consiste nel trasferire energia termica da una sorgente fredda ad una calda. Si sfruttano le variazioni di temperatura legate alla compressione o all’espansione di un gas. È un principio fisico della legge di conservazione dell’energia, si basa sul fatto che comprimendo un gas si riscalda e quando lo si espande si raffredda. In altre parole, la pompa di calore funge da riscaldatore per aumentare la temperatura dell’ambiente di destinazione. Tecnicamente, la pompa comprime l’aria fredda ad alta pressione per produrre calore e durante l’inverno utilizza le calorie contenute nell’aria fredda esterna per generare calore all’interno. È anche possibile fare il contrario, cioè climatizzare l’abitacolo sfruttando le calorie contenute nell’aria calda esterna. Un’altra fonte di calore è il pacco batteria che si riscalda durante il funzionamento, la pompa di calore aiuta anche a raffreddare le celle, e il calore dissipato viene utilizzato anche per riscaldare l’interno dell’abitacolo. 

    ⚡️ Leggi anche: ElettroWiki – Diversi tipi di EV: BEV o auto elettrica a batteria

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    I refrigeranti per le batterie delle auto elettriche hanno ullteriore necessità di proteggere da potenziali scariche elettriche dielettrico | elettronauti It

    Perché l’uso della pompa di calore o di resistenze?

    Su un’auto elettrica, il funzionamento del motore non produce abbastanza calore rispetto a un motore termico, per la semplice e buona ragione che un motore elettrico è molto più semplice nella sua progettazione, con in particolare meno parti in movimento, meno attrito, e quindi meno calore prodotto. È sempre presente un circuito di condizionamento, come su un modello termico, ma nessun motore termico per riscaldare l’acqua e quindi l’aria. Quindi sono disponibili solo due opzioni tecniche: resistenze elettriche o una pompa di calore. Le resistenze elettriche le troviamo in genere su veicoli di entry level oppure nell’allestimento base ma si tratta di una soluzione energivora.

    Quali sono i vantaggi di una pompa di calore?

    In un’auto elettrica, se è presente un circuito di raffreddamento a liquido per il pacco batteria, il liquido non viene utilizzato direttamente per riscaldare l’abitacolo. Per produrre calore la vettura utilizza semplicemente un termoconvettore composto da una o più resistenze elettriche. Il principio è esattamente lo stesso di un tostapane, o meglio di un piccolo termoventilatore: la resistenza si riscalda per effetto Joule, e una ventola spinge l’aria che si è surriscaldata a contatto con la resistenza nell’abitacolo.

    La pompa di calore viene utilizzata soprattutto per riscaldare in modo efficiente l’abitacolo di un’auto elettrica. Infatti, una pompa di calore riduce il consumo energetico del riscaldamento da 3 a 4 volte rispetto alle resistenze tradizionali. Pertanto, questo sistema trova il suo posto in un’auto elettrica dove l’autonomia è un fattore importante e dove il riscaldamento dell’abitacolo può ovviamente influire.

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    Diagramma schematico del circuito di bassa temperatura del pacco batteria ad alta tensione | elettronauti It

    La pompa di calore è oggi quasi indispensabile, soprattutto nei paesi freddi dove il consumo energetico delle resistenze può diventare molto elevato in inverno. Se impostata a 20 gradi, una pompa di calore consuma in media meno tra le 500 watt e massimo 700 watt mentre un sistema di riscaldamento convenzionale composto da resistenze consuma in media da 1500 watt a 3.000 watt se non di più a piena potenza.

    L’unico eventuale svantaggio è legato al tempo che mette il circuito della pompa di calore per mettersi in moto ma in questo caso ci si affida ad altre resistenze come quelle che riscaldano il volante e i sedili elettroriscaldati. Il circuito della pompa di calore può quindi generare freddo e caldo, ed è piuttosto adatto per un’auto elettrica con una gestione termica complicata. Occorre infatti regolare la temperatura della batteria, del motore elettrico e dell’abitacolo, quindi riscaldare certe cose e raffreddarne altre.

    La pompa di calore conviene oppure no? | elettronauti. It
    Il pacco batteria deve essere raffreddato isolato elettricamente e mantenuto al sicuro da urti | elettronauti It

    ⚡️ Leggi anche: ElettroWiki – Quando usare kW e quando usare kWh?

    Per quanto riguarda l’autonomia?

    La gestione della temperatura permette di ottimizzare l’autonomia. Infatti, un pacco batteria troppo freddo dà meno corrente, mentre non può essere ricaricato velocemente e nelle migliori condizioni ed è anche qui che una pompa di calore fa la differenza se comparata ad un sistema di precondizionamento composto da resistenze. Il precondizionamento consiste essenzialmente nel riscaldare il pacco batteria fino a raggiungere una temperatura operativa adeguata. Questa funzionalità può richiedere dai 15 ai 20 minuti per i primi veicoli elettrici e la metà per i modelli più recenti. Se il pacco batteria non è abbastanza caldo, il conducente può trovarsi di fronte a varie situazioni restrittive: ridotta potenza di frenata rigenerativa, minore potenza del motore o tempi di ricarica più lunghi nelle stazioni Fast e Ultra-fast. Si noti che questa funzionalità è riservata principalmente ai veicoli elettrici dotati di un sistema di regolazione della temperatura del liquido. Riscaldando il liquido di raffreddamento del pacco batteria, anche le celle si riscaldano.

    Pre-condizionamento dell’abitacolo

    È anche possibile pre-condizionare l’abitacolo di un veicolo, sempre tramite l’app di un produttore. È consigliabile eseguire questa operazione ad auto in carica per evitare di consumare il pacco batteria, poiché l’abitacolo sarà già caldo quando si sale in auto. In questo caso, il pacco batteria dovrà solo mantenere la temperatura e sarà quindi meno sollecitato e questo farà risparmiare alcuni preziosi kWh durante il viaggio.

    Pre-condizionando l’abitacolo, il pacco batteria verrà sollecitato e quindi anche riscaldato ma questa è una caratteristica diversa rispetto al pre-condizionamento del pacco batteria per la ricarica rapida.

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    Bms di gestione controlla ogni singola cella | elettronauti It

    Pre-riscaldamento del pacco batteria

    Questa è una caratteristica che è diventata indispensabile per consentire una ricarica molto rapida alle stazioni in DC Fast e Ultra-fast. Il pre-riscaldamento del pacco batteria, comunemente chiamato precondizionamento, è l’unico modo per accedere a velocità superiori ai 50 kW (in realtà è un po’ semplificativo perché dipende dal numero di celle che compongono il pacco batteria, ma con quello che si trova mediamente nelle auto questo valore è appropriato) di potenza senza danneggiare l’accumulatore elettrochimico dell’auto.

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    Audi e tron gt quattro 93 kwh 800 v ioni di litio | elettronauti It

    Perché il pacco batteria non può caricarsi rapidamente quando fa freddo?

    In realtà non è la batteria che non riesce ad assorbire la carica, è il BMS (Battery Management System), che decide di abbassare l’intensità della carica. Si potrebbero benissimo inviare 350 kW di potenza al pacco batteria anche quando fa freddo, ma questo comporterebbe danni molto significativi alle celle. Quando la singola cella è fredda, l’anodo di grafite non può espandersi troppo (freddo = indurimento) per accogliere tutti gli atomi di litio che inizieranno a rivestire la superficie dell’anodo invece di penetrarlo e di conseguenza deteriorano prematuramente tutte le celle che compongono il pacco batteria. Come conseguenza il pacco batteria perderà la sua capacità aumentando pericolosamente la sua resistenza elettrica. Questo può anche portare alla formazione di dendriti che riducono la capacità delle celle ad assorbire tanta corrente e possono causare cortocircuiti tra anodo e catodo. Tutti questi fenomeni implicano quindi un rallentamento della carica da parte del BMS quando la temperatura della batteria è inferiore ai 5 gradi. Sotto i 0 gradi potrebbe anche essere impossibile caricare l’auto e quindi quando la temperatura è sotto lo zero, l’utilizzo della pompa di calore è minimo. Mediante i sensori di temperatura, il BMS deciderà se consentire o meno il passaggio di un carico ad alta potenza e nel caso in cui faccia troppo freddo, l’algoritmo consentirà una potenza a seconda della temperatura, tanto più alta quanto il pacco batteria è caldo.

    Bisogna inoltre tenere conto che parte dell’energia offerta dal caricabatterie verrà utilizzata per l’impianto di riscaldamento della batteria (se l’auto ne ha uno), ovvero da 5 a 8 kW di potenza da sottrarre dal totale servito dal terminale. Se questo non è evidente o quasi quando il carico è di circa 100 kW, sarà molto più visibile su potenze moderate intorno ai 20 kW.

    In Tesla, ad esempio, il pre-condizionamento della batteria viene eseguito automaticamente quando sul GPS si inserisce una stazione Supercharger come destinazione. La batteria viene riscaldata grazie al motore che ruota nel vuoto, in modo da avere una temperatura ideale per poter accettare la carica più veloce possibile. In caso contrario, la potenza di ricarica sarà inferiore. Sempre in Tesla, il pre-condizionamento dell’abitacolo dotati dell’octovalve (una pompa di calore), utilizza il calore della batteria per riscaldare l’abitacolo.

    Cosa fare se l’auto è munita di sole resistenze riscaldanti?

    Se non si dispone di una pompa di calore e si vuole risparmiare autonomia durante un lungo viaggio, una strategia è quella di pre-riscaldare o pre-raffreddare l’abitacolo durante la ricarica (anche a costo di perdere una manciata di minuti per la maggiore potenza richiesta). Utilizzare le modalità Eco, consentirà di mantenere una temperatura confortevole consumando meno energia possibile. Come descritto la pompa di calore è utile se si effettuano diversi lunghi viaggi e soprattutto in inverno ma se utilizziamo il veicolo per spostamenti giornalieri di breve durata si può accettare qualche compromesso e farne a meno.

    Sulle Volkswagen iD e Cupra Born, la funzione di pre-condizionamento del pacco batteria in marcia non è una modalità che l’utente può attivare on demand, benché ci sia un circuito di liquido di raffreddamento e delle resistenze o pompa di calore. Il sistema telematico GPS non lo attiva in automatico nel momento in cui si imposta un punto di ricarica ma è il BMS che decide di attivarlo nel caso in si sta circolando in autostrada con una batteria al di sotto la soglia del 30%.

    Conclusione

    Dare delle percentuali di guadagno a livello dell’autonomia è molto difficile. Se ipoteticamente con la pompa di calore si ottiene il 10% del risparmio di elettricità; con un pacco batteria che permette un’autonomia di 400 chilometri, si potrebbe concludere che si guadagna circa 40 chilometri in più. Tuttavia, numerosi parametri influenzano questo valore, tra cui la temperatura esterna, l’efficienza della catena cinematica e il numero di utenze attivate. Pertanto il sistema deve ancora evolversi, come ha spiegato in più occasioni Elon Musk e più di recente Fabrice Cambolive, direttore operativo del marchio Renault:

    Non sempre mettere grosse batterie nei veicoli elettrici permette di andare lontano, per il semplice motivo che il peso della batteria influisce anche sui consumi in kWh.
    Elon Musk e Fabrice Cambolive

    Anche l‘ottimizzazione della batteria, della sua chimica è quindi un elemento fondamentale, e i produttori sono sempre più alla ricerca di tecnologie che permettano di sfruttare tutta l’energia immagazzinata. La pompa di calore ne è un ottimo esempio, e questa tecnologia è ancora in evoluzione. Secondo Renault, al di sotto dei 10°C esterni, il suo sistema di recupero del calore generato dalla batteria e dal motore elettrico offre numerosi vantaggi, tra cui l’efficienza, poiché questo sistema richiede la metà dell’energia rispetto a una pompa di calore convenzionale. Inoltre, il guadagno in autonomia in autostrada può arrivare fino al 9% sempre secondo il produttore. Per ogni giorno, però, noteremo che la pompa di calore ha soprattutto un vantaggio economico: ciò che non viene consumato non deve essere ricaricato. Ciò rappresenta quindi un risparmio per il portafoglio. Ma anche per il pianeta, se partiamo dal principio logico che ogni kWh risparmiato non deve essere prodotto. Alla fine, è tutta una questione di utilizzo. I guadagni della pompa di calore dipendono dalla durata di utilizzo, dal tipo di percorso e dalla temperatura esterna. Così tanti fattori che sono specifici per ciascuno.


    E voi che ne pensate? Beneficiare della pompa di calore può essere percepito come un valore aggiunto? Nel mercato dell’usato potrebbe fare la differenza meglio che un tetto panoramico o un grande schermo touch-screen?

    Se avete altre domande da porci riguardo ai temi delle auto elettriche e della ricarica, mandateci una MAIL con la richiesta.

    Fonte

     


    Alan Murarotto
    Alan Murarotto
    tecnico meccatronico, formatore automotive, professionista della mobilità. Aiuto i lettori a districarsi nel labirinto delle dinamiche che governano la transizione energetica, dalla burocrazia agli aspetti legati alla guida di veicoli elettrici e non solo, con accenni tecnici per una visione a 360°.

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