Europejskie przepisy pozwalają na stosowanie w układach klimatyzacji nowych pojazdów wyłącznie czynnika chłodniczego R-1234yf (tzw. nowy czynnik). Wkrótce może się to zmienić – jedna z wiodących firm technologicznych na rynku opracowała wydajny układ oparty na propanie (R-290) i wraz z innymi przedstawicielami branży walczy o zatwierdzenie możliwości stosowania tego gazu jako czynnika chłodniczego w seryjnie produkowanych samochodach.

Przed nami zmiany na rynku klimatyzacji samochodowej. Dlaczego propan?

Obecne przepisy unijne, dotyczące samochodowych układów klimatyzacji są bardzo restrykcyjne. Od 2017 r. w nowo produkowanych pojazdach dopuszczalny jest tylko jeden czynnik chłodniczy – R-1234yf. Jego wprowadzeniu towarzyszyły kontrowersje, gdyż jest on bardziej łatwopalny niż wcześniej stosowany powszechnie czynnik R134a. Zmianę argumentowano jednak znacznie niższym wpływem nowego czynnika na globalne ocieplenie.

Propan jest gazem od lat stosowanym w branży klimatyzacyjnej. Ma znakomite właściwości chłodnicze. Nie jest gazem fluorowanym (F-gazem), więc nie zalicza się do substancji mających duży wpływ na globalne ocieplenie. Dotychczas za ograniczeniem jego stosowania w pojazdach stał jednak jeden główny problem: wysokiej palności. Propan jest znacznie bardziej łatwopalny niż stosowany obecnie gaz R-1234yf, także przecież krytykowany za wysoką palność. W klasie bezpieczeństwa ASHRAE propan określany jest jako wysoce palny (R-1234yf otrzymał określenie „słabo palny”) i wybuchowy.

Wysoka palność propanu to oczywiście minus, który dotychczas przekreślał jego szanse na zatwierdzenie do wykorzystania w pojazdach. Branża motoryzacyjna nie zrezygnowała jednak z prac badawczo-rozwojowych nad tym gazem. Ma on ogromny potencjał chłodniczy, dzięki czemu mógłby pomóc spełnić najwyższe wymagania stawiane przez współczesny rynek motoryzacyjny (o tym za chwilę), a także jest nieporównywalnie tańszy w produkcji niż R-1234yf (relacja ok. 3-6 EUR za kg do 80-150 EUR za kg).

Koncern ZF zaprezentował właśnie prototyp nowego systemu zarządzania termicznego, który ma być znacznie bardziej wydajny i zrównoważony niż obecnie stosowane rozwiązania, dzięki wykorzystaniu propanu jako czynnika chłodniczego. Celem prac ZF było osiągnięcie jak najlepszych parametrów chłodzenia i grzania przy temperaturach zewnętrznych od -25°C do +35°C. Powód prac to coraz szersze upowszechnienie się samochodów elektrycznych oraz hybryd plug-in, które wymagają bardzo wydajnych układów klimatyzacji (wykorzystywanych nie tylko do chłodzenia wnętrza pojazdu, ale także silnika i baterii). ZF szacuje, że dzięki systemowi firmy, opartemu na propanie, możliwe stanie się zwiększenie zasięgu zelektryfikowanych pojazdów o 10% bez potrzeby stosowania droższych układów napędowych czy większych akumulatorów.

Szczegóły techniczne systemu ZF TherMaS

TherMaS to system lżejszy i mniejszy od porównywalnych rozwiązań, a jednocześnie bardziej efektywny i opłacalny. Zastosowanie propanu jako czynnika chłodniczego zapewnia znacznie lepszą wydajność chłodzenia oraz mniejsze rozmiary i masę całego systemu. W testach zoptymalizowane zarządzanie ciepłem oraz bardziej efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego z układu napędowego pozwoliło zwiększyć zasięg w trudnych warunkach zimowych nawet o 10%, a w ekstremalnych – aż do 30%.

– Akumulator w samochodzie elektrycznym jest bardzo wrażliwy na temperaturę pracy. Najlepiej funkcjonuje w zakresie 15–25°C, – wyjaśnia dr Otmar Scharrer, Senior Vice President R&D w ZF – Ekstremalne temperatury znacząco obniżają efektywny zasięg, ponieważ system zarządzania termicznego musi wtedy pracować intensywniej, co zwiększa zużycie energii. Dlatego ZF opracował własny system TherMaS.

ZF już w 2023 roku zaprezentował koncepcyjny system centralnego zarządzania termicznego. Od tego czasu dokonano znaczących postępów technologicznych. System oferuje moc grzania i chłodzenia co najmniej 10 kW w temperaturach zewnętrznych od -25°C do +35°C. Został zaprojektowany kompleksowo: wszystkie funkcje termiczne zintegrowano w jeden, niezależny podsystem – w tym pierwszą zaprojektowaną przez ZF pompę ciepła. Zredukowano złożoność systemu, w tym architektury E/E oraz sterowania – kompaktowa obudowa oszczędza miejsce i czas montażu, a także zmniejsza straty cieplne.

System TherMaS został przetestowany w pojeździe demonstracyjnym. Nie stwierdzono jakichkolwiek zagrożeń, związanych z bezpieczeństwem układu. TherMaS będzie dostępny w trzech klasach wydajnościowych, aby obsłużyć różne zastosowania i platformy pojazdów. Producenci samochodów ponoć już wyrazili duże zainteresowanie, mimo że barierą są europejskie przepisy.

Producenci części zawalczą o propan

O kwestię przepisów zapytaliśmy w centrali ZF. Otrzymaliśmy odpowiedź, z której wynika, że firma ma nadzieję na otrzymanie zezwolenia na wdrożenie swojego rozwiązania do masowej produkcji:

– ZF współpracuje z innymi firmami z branży motoryzacyjnej w ramach konsorcjum, które złożyło wniosek do Agencji Ochrony Środowiska USA (EPA) pod koniec 2024 r. o zatwierdzenie stosowania propanu. Otrzymaliśmy potwierdzenie, że cała wymagana dokumentacja została złożona w całości i że wniosek jest obecnie rozpatrywany. Na podstawie obecnych szacunków spodziewamy się pozytywnej decyzji około 2026 r. Pozytywna ocena EPA utorowałaby również drogę do zatwierdzenia regulacyjnego w Europie. ZF aktywnie uczestniczy w tym procesie, aby zapewnić, że system TherMaS zostanie opracowany w pełnej zgodności z ramami regulacyjnymi. Naszym celem jest dostarczenie zaawansowanego technologicznie i gotowego do wprowadzenia na rynek rozwiązania, które spełnia zarówno wymogi prawne, jak i oczekiwania naszych klientów i partnerów.

Mimo, że ZF to koncern niemiecki, strategia uzyskania zgody najpierw na rynku USA nie powinna dziwić. Tamtejszy system prawny od lat uchodzi za znacznie bardziej otwarty na wdrażanie do stosowania nowych technologii z branży motoryzacyjnej (np. rozwiązań związanych z autonomiczną jazdą). Postępy w pracach legislacyjnych dotyczących zatwierdzenia propanu jako czynnika chłodniczego w pojazdach będziemy monitorować na bieżąco.