Vir: Električna vožnja: z ali brez toplotne črpalke? – Avtomobilizem.com
Avtor: Gašper Pirman, avtomobilizem.com
Za uporabnike električnih vozi želimo razbiti čim več tabujev in jim predstaviti prava dejstva, zato smo se v hladnih dneh lotili delovanja toplotne črpalke v električnih vozilih. Kot nadaljuje Gašper Pirman imajo uredništva redko priložnost, da v praksi pretvorimo teoretične trditve v konkretne številke, saj imajo običajno v uredništvu le eno vozilo posameznega modela naenkrat. No, tokrat so šli lahko globje…
Električni avtomobili v primerjavi s tistimi, ki imajo vgrajen motor na notranje zgorevanje (termični motor) ne proizvedejo dovolj presežne toplote za primerno ogrevanje notranjosti vozila. Z drugimi besedami to pomeni, da je za udobje potnikov potrebno ogrevati notranjost avtomobila z energijo iz baterijskega sklopa. Posledično pa se zmanjšuje tudi doseg vozila z enim polnjenjem.
Idealna temperatura baterije je med 15 in 35 stopinjami Celzija
Idealna temperatura za kemične procese v bateriji naj bi bila med 15 in 35 stopinjami Celzija. Zato se mora baterija za optimalno delovanje nenehno segrevati ali ohlajati – ta proces proizvajalci običajno imenujejo toplotno upravljanje. Do relativno večjih izgub energije naj bi prihajalo v obdobju nizkih zunanjih temperatur. Saj je za optimalno uporabnost vozila potrebno segrevati tako baterijo kot tudi potniški prostor. Pri vseh električnih vozilih se zato doseg nekoliko zmanjša, v najslabšem primeru pa so preizkusi v realnih pogojih pokazali, da se pri zunanji temperaturi nič stopinj Celzija lahko prevožena razdalja z enim polnjenjem skrajša za kar 20 odstotkov.
Izgube na račun prijetnejšega počutja med vožnjo lahko učinkovito zmanjšamo z uporabo funkcije ogrevanja sedeža ali volana. Takšen način je energetsko učinkovitejši kot le dovajanje toplega zraka preko sistema klimatizacije. Porabo električne energije je mogoče za lažjo predstavo ponazoriti s številkami: v hladnem vozilu ogrevanje sedeža porabi med vožnjo dodatnih 40-100 vatov, grelec za ogrevanje toplega zraka v kabini pa nekajkrat več. Ključen element za učinkovito ogrevanje baterije in potniške kabine je zato tudi toplotna črpalka. Z njo so izgube bistveno manjše, saj porabi le en kilovat energije za štiri kilovate energije, ki jo pretvori v toploto.
Toplotna črpalka “žanje” brezplačno energijo
Tudi v dneh, ko je zunanja temperatura močno pod lediščem, je mogoče iz zraka pridobiti toploto. Toplotna črpalka je v tem primeru na nek način nasprotje hladilnika. Gospodinjski hladilnik vsebuje hladilni plin, ki se ob stiskanju segreje. Ko je plin stisnjen, potuje po ceveh do kondenzatorja. Ta odda toploto in s tem ohladi hladilni plin, ki potem potuje v uparjalnik. Ker je uparjalnik večji od kondenzatorja, tlak pade in tekoče hladilno sredstvo izhlapi. Temperatura posledično pade in s tem ohladi notranjost prostora. Toplotna črpalka v avtomobilu črpa zrak od zunaj, ga stisne in nato uporabi toploto iz kondenzatorja za ogrevanje baterije in notranjosti avtomobila.
Ključni pogoj
S tem se vračam na začetek zgodbe in vprašanje, ki me je mučilo kar nekaj časa: ali lahko na cesti preizkusimo smiselnost nakupa toplotne črpalke in teorijo potrdimo s številkami? Na srečo smo se z zastopnikom znamke Ford uspeli dogovoriti, da smo istočasno prevzeli dva identična Explorerja, od katerih je bil eden opremljen s toplotno črpalko, drugi pa brez. Oba avtomobila sta imela vgrajeno enako baterijo zmogljivosti 77 kilovatnih ur. Za pogon je skrbel en elektromotor z 210 kilovati, ki je navor prenašal na zadnji kolesni par.
Ko smo imeli enaka avtomobila z eno pomembno razliko, je bilo potrebno vzpostaviti še enake razmere – v našem primeru zimske. Nam je šlo na roke tudi vreme. Oba Explorerja sta bila čez noč parkirana. Zjutraj pa je bila zunanja temperatura 3 stopinje Celzija. Pri obeh sem za uvod prižgal ogrevanje potniške kabine na enake ciljne vrednosti. Temperatura 23 stopinj Celzija, izključeno gretje sedežev in volana, avtomatska klimatska naprava pa je bila nastavljena na profil Eco. Na izbrano temperaturo sta se oba segrela v približno enakem času. Le da je bila v Explorerju brez toplotne črpalke trenutna poraba energije za približno 1,5 kilovatne ure višja kot pri tistem s toplotno črpalko.
Eden za drugim
Sledila je vožnja; prve pol ure, vse dokler se nista oba Explorerja segrela na delovno temperaturo, je tisti s toplotno črpalko porabil okvirno kilovatno uro manj. Potem sta se trenutni porabi skoraj izenačili. A je razlika v povprečni porabi vztrajala na enakem nivoju. Ob cestnem vzponu in ponovnem padcu zunanje temperature na regionalni vožnji se je zopet pokazala razlika. Explorer s toplotno črpalko je pri znižanju temperature z 1 na -1,5 stopinje Celzija zopet pričel porabljati relativno manj energije. Njegova trenutna poraba se je gibala med 1,5 in 2 kilovatnima urama nižje. Ob koncu daljše (kombinirane mestne, regionalne in avtocestne) vožnje sva se z Urško ustavila na polnilnici, da bi primerjala končne podatke. Čeprav sva si v vožnji cel čas sledila in si na kratkih postankih izmenjevala tudi informacije o trenutni porabi. Merilniki so kazali pri obeh avtomobilih identično povprečno hitrost vožnje (60 kilometrov na uro) in prevoženo pot (117 kilometrov).
V povprečju je Explorer s toplotno črpalko na koncu porabil dobro kilovatno uro na sto kilometrov manj kot Explorer brez toplotne črpalke. Zanimivo je, da je bila razlika v povprečni porabi še precej višja pred zadnjim, avtocestnim odsekom poti, saj je znašala skoraj dve kilovatni uri na sto kilometrov.
Razlika bi se verjetno pokazala tudi pri polnjenju. A po zaključku vožnje najini vozili nista bili na povsem enakem nivoju napolnjenosti baterije. Na koncu sva polnila zgolj Explorer s toplotno črpalko, ki je pri stanju nekaj čez 20 odstotkov baterijo takoj pričel polniti s 120 kilovati moči, kasneje pa je moč polnjenja skočila na skoraj 140 kilovatov (po tehničnih podatkih je s tem baterijskim sklopom omejena na 135 kilovatov). Če bi na vožnji predhodno temperirala bateriji in se lotila še tega dela primerjave, bi to lahko zameglilo podatke o povprečni porabi. Bi pa teoretično Explorer s toplotno črpalko moral za optimizacijo baterije pred polnjenjem porabiti manj energije kot tisti brez toplotne črpalke.
Potrditev iz prakse
Zaključek je bil, vsaj za naju, precej jasen. V razmerah nizkih zunanjih temperatur (ob zagonu pri 3 stopinjah Celzija, na najini testni vožnji pa vse do -1,5 stopinje Celzija) je Ford Explorer s toplotno črpalko v povprečju porabil približno dve kilovatni uri manj za ogrevanje notranjosti in vožnjo kot identičen Explorer brez toplotne črpalke. Razlika se je nekoliko zmanjšala v avtocestni vožnji, ko sta bila oba avtomobila že povsem segreta, zunanja temperatura pa je bila stopinjo Celzija nad ničlo.
Doplačilo za toplotno črpalko pri električnem Explorerju znaša 1.220 evrov, kar se na prvi pogled morda komu zdi preveč. A je po mojem mnenju kljub temu smotrn nakup za vse, ki imajo baterijsko-električni avtomobil parkiran zunaj in ne v topli garaži, saj se pomembna razlika v porabi ustvari že v prvih 15-30 minutah vožnje, kolikor traja velik del jutranjih poti v službo (saj se vozilo šele segreva). Tisto, kar me je nekoliko presenetilo, je dejstvo, da se je v razmerah zimskih temperatur razlika v porabi ohranila tudi med daljšo testno vožnjo pod različnimi pogoji. Pa -1,5 stopinje Celzija sploh niso kakšne ekstremno nizke zunanje temperature, čeprav so zime v deželi pod Alpami trenutno blažje, kot smo jih bili vajeni v preteklosti.
Foto: Gašper Pirman, Urška Mihelič Radolović.
