Energy performance and optimization of a transcritical R744 heat pump for electric ferries
Questo studio dimostra che un sistema di pompa di calore transcritico R744 ottimizzato, con una configurazione del raffreddatore a gas in parallelo e un controllo PI decentralizzato, offre una soluzione di gestione termica affidabile, ecologica ed efficiente dal punto di vista energetico per i traghetti elettrici a emissioni zero, superando i sistemi standard a R410A in un'ampia gamma di temperature operative.
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Il viaggio verso il trasporto a emissioni zero sta rimodellando il modo in cui spostiamo le persone attraverso l'acqua. I traghetti elettrici, alimentati da batterie invece che da motori diesel, offrono un futuro più pulito e silenzioso per le comunità costiere. Tuttavia, queste imbarcazioni affrontano una sfida unica che i loro predecessori diesel non hanno mai avuto: generano quasi nessun calore di scarto. Le navi tradizionali bruciano carburante per muoversi, e questo processo di combustione crea una enorme quantità di calore in eccesso che riscalda naturalmente le cabine dei passeggeri. I traghetti elettrici, invece, si affidano interamente alle loro batterie sia per la propulsione che per il comfort. Nei climi freddi, mantenere caldo un traghetto può drenare una parte significativa dell'energia della batteria, consumando talvolta quasi la metà della potenza totale disponibile. Ciò crea un difficile compromesso in cui la necessità di calore accorcia la distanza che la nave può percorrere. Per risolvere questo problema, gli ingegneri si stanno rivolgendo alle pompe di calore, dispositivi che spostano il calore invece di crearlo, ma devono trovare un modo per far sì che questi sistemi funzionino efficientemente nelle condizioni dure e variabili del mare senza aggiungere troppa massa o complessità.
Ricercatori dell'Università della Danimarca Meridionale e dei suoi partner si sono posti l'obiettivo di trovare il modo migliore per gestire questo equilibrio termico per i traghetti elettrici. Si sono concentrati su un tipo specifico di pompa di calore che utilizza l'anidride carbonica come refrigerante, una sostanza naturale sicura per l'ambiente e non infiammabile. A differenza dei sistemi più vecchi che utilizzano sostanze chimiche sintetiche, l'anidride carbonica opera in modo diverso quando l'aria esterna è calda, richiedendo un design specializzato per funzionare correttamente. Il team ha costruito una simulazione dettagliata al computer del sistema di riscaldamento e raffreddamento di un traghetto per testare quanto bene una configurazione a anidride carbonica sarebbe stata rispetto ai sistemi standard attualmente utilizzati sulle navi. Il loro obiettivo era vedere se questo refrigerante naturale potesse mantenere il comfort dei passeggeri preservando l'energia della batteria per il viaggio, il tutto senza rendere la nave troppo pesante per essere pratica.
Lo studio è iniziato confrontando un sistema standard che utilizza un comune refrigerante sintetico con un nuovo design che utilizza l'anidride carbonica con un evaporatore a sommersione, un componente che consente al refrigerante di coprire completamente la superficie di scambio termico per una migliore efficienza. Le simulazioni hanno rivelato che le prestazioni del sistema a anidride carbonica dipendono fortemente dalla temperatura esterna. Quando l'aria era molto fredda, scendendo a meno cinque gradi Celsius, il sistema standard era leggermente più efficiente. Tuttavia, man mano che la temperatura saliva, il sistema a anidride carbonica iniziava ad avanzare. A quattro gradi Celsius, era quasi un quarto più efficiente del sistema standard e, anche con il caldo estivo di trentacinque gradi, manteneva un vantaggio significativo. Ciò suggerisce che per la maggior parte dell'anno, il refrigerante naturale è la scelta superiore, a condizione che il sistema sia progettato per gestire le specifiche richieste di un ciclo di riscaldamento di un traghetto.
Per migliorare le prestazioni del sistema durante i giorni più freddi dell'inverno, i ricercatori hanno testato diverse configurazioni. Hanno esplorato l'aggiunta di componenti extra, come scambiatori di calore aggiuntivi, per aiutare l'anidride carbonica a rilasciare il proprio calore in modo più efficace. Una configurazione specifica, che aggiungeva una seconda unità raffreddata ad aria lavorando in parallelo con il sistema principale, si è rivelata la più efficace. Questa configurazione ha permesso al sistema di superare la linea di base standard anche a meno cinque gradi Celsius, fornendo un'efficienza di riscaldamento quasi del sei per cento superiore. Tuttavia, questo miglioramento è arrivato con un costo: l'hardware aggiuntivo ha aumentato il peso totale del sistema del venticinque per cento. Il team ha dovuto pesare questa massa extra rispetto al risparmio energetico, concludendo che il compromesso era accettabile per i traghetti elettrici dove massimizzare l'autonomia della batteria è fondamentale.
Gestire questi sistemi richiede una strategia di controllo sofisticata perché il comportamento dell'anidride carbonica cambia drasticamente al variare delle temperature. I ricercatori hanno sviluppato un sistema di controllo che utilizza quattro circuiti separati per monitorare e regolare la velocità del compressore, le aperture delle valvole e le velocità delle ventole in tempo reale. Questo approccio decentralizzato ha permesso al sistema di reagire rapidamente ai cambiamenti meteorologici senza la necessità di una potenza di calcolo complessa o pesante. Nelle loro simulazioni, il sistema rispondeva fluidamente ai repentini cambiamenti di temperatura, mantenendo un funzionamento stabile senza picchi pericolosi di pressione o cicli inefficienti. La logica di controllo ha mantenuto con successo il sistema lungo il suo percorso più efficiente, dimostrando che un metodo di controllo relativamente semplice poteva gestire la fisica complessa di una pompa di calore ad anidride carbonica.
L'analisi finale ha riunito i guadagni energetici e il peso fisico dei diversi design. Sebbene la configurazione più efficiente aggiungesse un peso significativo, i ricercatori hanno determinato che l'energia risparmiata durante la vita del traghetto avrebbe probabilmente compensato la penalità iniziale. Lo studio ha confermato che una pompa di calore ad anidride carbonica ben progettata è una soluzione praticabile e rispettosa dell'ambiente per i traghetti elettrici, capace di gestire sia il riscaldamento invernale che il raffreddamento estivo. Utilizzando un refrigerante naturale e ottimizzando la disposizione del sistema, questi natanti possono mantenere il comfort dei passeggeri senza sacrificare la loro autonomia elettrica. Il lavoro evidenzia che, sebbene non esista una soluzione perfetta per ogni temperatura, un sistema flessibile e ottimizzato può fornire una via affidabile per il futuro del trasporto marittimo pulito.
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