L'auto elettrica (o quella ibrida) sembra presentarsi in questi ultimi anni come il paradigma dell'auto del prossimo futuro.
I motori a combustione interna (soprattutto i Diesel) sono visti da molti come delle soluzioni obsolete che si trascinano, nel vano tentativo di rispettare i limiti di inquinamento sempre più stringenti imposti dai vari governi del Mondo Occidentale, solo grazie alla spinta data dalle grandi Multinazionali del petrolio.
Un tema importante per un mondo Automotive che appare alle porte di una svolta epocale; un'occasione ghiotta per chi, come il sottoscritto, ha opinioni divergenti, qualche esperienza e qualche nozione tecnica sull'argomento da condividere...
In pieno stile FR Tecnica, in quest'articolo cercherei quindi di trattare l'argomento, per quanto vasto sia, nel modo più completo possibile, magari partendo dagli aspetti puramente tecnici di questa tecnologia. Non posso, però, fare a meno di constatare che in questo caso non stiamo trattando semplicemente un argomento tecnico, ma un vero e proprio fenomeno sociale; appunto un cambio di paradigma. Ciò che sembra stia cambiando è, infatti, l'idea di apice tecnologico che l'utente medio ha dell'Automobile.
Per questo motivo, prima di parlare di tecnica, credo sia opportuno fare una breve panoramica del fenomeno dal punto di vista sociale e di mercato, partendo da dove tutto è cominciato..
Un uomo, una Visione, un Supereroe...
Tutto è cominciato 10 anni fa, quando Elon Musk, imprenditore Sudafricano arrivato al successo dopo la vendita di Paypal (di cui fu co-fondatore), vide, con la Tesla Roadster, arrivare su strada quella che era la sua visione di Auto: Elettrica, Lussuosa, Performante.
Per la prima volta nella storia, l'auto elettrica non era più l'utilitaria ecologica che i grandi colossi dell'auto avevano immaginato già negli anni '90.. L'auto elettrica era un'auto vera, sportiva. Un'idea che supera quello che allora come negli anni 90 era il grosso limite dell'elettrico, i costi di produzione, semplicemente cambiando il target di clientela, puntando a chi può permettersi di spendere di più per averla. Un'idea geniale, vincente, come geniale e vincente è la figura di Elon Musk, che già allora era considerato il paradigma dell'imprenditore visionario e illuminato.
Elon Musk e Tesla avevano rivoluzionato il concetto di auto elettrica, ma l'idea vincente di cambiare il target di clientela poneva un importante limite agli effetti che questo cambio di paradigma poteva avere sul mercato di massa; il bacino di clienti a cui si rivolgeva Tesla era un mercato di nicchia.
Per arrivare alle masse c'era bisogno di un Supereroe!
Il 2008 è anche l'anno del debutto cinematografico di un'altro imprenditore visionario: Tony Stark. Un personaggio che, dall'avere numerosi punti di contatto con la figura di Elon Musk, finisce per l'essere chiaramente ispirato ad essa in vari aspetti del carattere e, appunto, della sua Visione del mondo, della tecnologia.
Ciò che Tony Stark trasmette alle masse (e stavolta parliamo di volumi ben maggiori di quelli di Tesla) è l'evoluzione dell'idea di tecnologia che passa attraverso l'evoluzione del suo personaggio: dall'arrogante e potente mentalità del tipico magnate delle armi Americano a quella pulita e socialmente impegnata del reattore Arc e della tuta Ironman.. Una tecnologia che passa dal puro hardware della rudimentale armatura costruita battendo il metallo rovente nella grotta in medio-oriente all'interattività di JARVIS e del garage iper-tecnologico di casa Stark.
Se vogliamo, la lotta che vede il nuovo, illuminato concetto di tecnologia contrapporsi al vecchio (impersonato dal terribile Obadiah Stane) impregna l'intera trama del film del 2008 e si concretizza infine nello scontro finale dove il giovane Davide si scontra contro l'imponente Golia, sconfiggendolo per astuzia e agilità.
Se ci pensi, un altro brand automobilistico sceglie da subito di legare la propria immagine a quella di Tony Stark, un brand che, da allora, su questo concetto "interattivo" di tecnologia ha puntato tutto rivoluzionando in qualche modo la sua immagine.. ma questa è un'altra storia. 😉
Nel mondo Automotive, Tesla ha nel tempo incarnato in modo sempre maggiore quest'idea di tecnologia. Un idea di tecnologia che credo possa essere ben rappresentata dall'ormai celebre Light Show della Tesla X:
Bene, con questo abbiamo visto ciò che il Mondo e il Mercato hanno visto... Questo però è un blog di Tecnica.
Cerchiamo perciò di andare oltre il Marketing, spostando lo sguardo dall'idea di tecnologia alla tecnologia stessa alla base dell'auto elettrica.
Nel mezzo mi sembra una tappa obbligata quella di citare alcuni degli stereotipi sull'auto elettrica radicati nell'immaginario collettivo, concetti che potremmo dire essere universalmente accettati e presi per buoni.. Una sorta di assiomi sull'argomento:
1) Un'auto elettrica non potrà mai avere le prestazioni di un'auto termica.
2) Un'auto elettrica è più silenziosa.
3) Un'auto elettrica è più efficiente.
4) Un'auto elettrica è più pulita di un'auto a combustione.
Stereotipi che riguardano alcuni degli aspetti fondamentali di qualunque auto: Performance, Comfort, Efficienza, Inquinamento.
Personalmente, credo che il modo più efficace per affrontare gli aspetti tecnici di questa panoramica sul mondo dell'auto elettrica/ibrida senza dilungarsi troppo in dettagli sui vari componenti, a proposito dei quali si potrebbero scrivere (e in effetti l'hanno già fatto 😅 ) svariati libri, sia quello di seguire questi 4 temi condividendo direttamente con te..
Cosa ho imparato sull'auto elettrica negli ultimi 4 anni:
A proposito di Performance:
A parità di potenza massima erogata le curve di coppia e potenza di un motore elettrico (linee continue) sono di gran lunga superiori a quelle di un motore termico (le linee tratteggiate non rispecchiano proprio le curve di coppia e potenza di un termico, ma rendono l'idea).
Niente vuoti di coppia ai bassi regimi, niente cali di potenza in allungo, un'erogazione che rende non più necessari cambi a 5 o 6 rapporti perchè il motore sia sfruttato sempre al massimo, poichè 1 o 2 rapporti si rivelano più che sufficienti. Il tempo in uno "sparo" giova, così, non solo dell'erogazione di coppia più corposa e del migliore allungo, ma anche dell'eliminazione dei tempi di cambiata. Le stesse Tesla hanno dimostrato in vari confronti di essere sorprendentemente competitive nello 0-100.
Il vero handicap delle auto elettriche in termini di performance è il peso: la capacità energetica degli ioni di litio è notevolmente inferiore a quella di qualunque carburante utilizzato attualmente per le auto a combustione e questo si traduce in più peso a parità di autonomia. Per raccontarti la mia esperienza diretta, in Formula Student l'evento di maggiore durata è l'Endurance: una gara su una distanza di 22 km. I prototipi progettati dagli studenti di tutto il mondo sono perciò costruiti per avere esattamente quell'autonomia e, se a un'auto a combustione, per raggiungerla, è sufficiente un serbatoio da pochi litri di carburante (un peso che si aggirerà attorno ai 5 kg o poco più), per un'auto elettrica è necessario un pacco batterie del peso di 40-50 kg; un peso che, se per un prototipo pone un notevole handicap in termini di Handling, per un'auto stradale pone un vero e proprio limite all'autonomia dell'auto stessa, poichè, ad esempio, non è ritenuto accettabile che una berlina superi di molto le 2 tonnellate di peso e questo limite al peso si traduce in un limite alla massima autonomia. Per darti qualche numero sulle auto stradali, la massa di una BMW Serie 5 si aggira intorno ai 1600 kg, quella di una Tesla Model S è sui 2200.
C'è però da dire che la tecnologia riguardante le batterie è in rapidissima evoluzione e non c'è motivo di credere, a mio avviso, che con il tempo il peso delle auto elettriche diminuirà e l'autonomia andrà ad aumentare.
Se il pacco batterie si dimostra essere tra i componenti più critici da posizionare, i motori elettrici, di contro, hanno il vantaggio di essere molto più flessibili di uno termico: se ne può utilizzare uno con trasmissione classica, due ripartiti uno per assale o addirittura posizionare un motore per ogni ruota. Quest'ultima configurazione dà un'incredibile libertà per ciò che riguarda i controlli elettronici e questo è senz'altro un vantaggio in termini non solo di handling, ma anche di trazione in generale, dato che ogni motore può scaricare coppia indipendentemente dagli altri solo in base all'azione del pilota e alle condizioni di lavoro della gomma in quell'istante. Un discorso che meriterebbe un'approfondimento dedicato.. Magari un'altra volta. 😜
A proposito di Comfort:
In genere, quando si parla di comfort, raramente si fa riferimento al sistema propulsivo. Del resto i punti di contatto non sono molti e si riducono sostanzialmente a rumore e vibrazioni. Se è vero che un motore elettrico per sua natura, non essendoci scoppi, è più silenzioso e trasmette meno vibrazioni di uno termico, è anche vero che l'isolamento fonico e sospensivo dei motori termici ha fatto passi da gigante in termini tecnologici, tant'è che già ora, per le auto di fascia superiore, le principali fonti di rumore sono considerate essere il rotolamento degli pneumatici e le turbolenze aerodinamiche; in particolare quelle provocate dagli specchietti retrovisori. Elementi che prescindono dal sistema propulsivo insomma.
La prima volta che ho visto un auto elettrica girare in pista poi, mi riferisco a quella realizzata dalla Squadra Corse PoliTO, sono rimasto sorpreso di quanto rumorose possano essere le ventole e le pompe ad acqua necessarie al raffreddamento di motori, inverter e pacco batterie. Le esigenze di raffreddamento delle componenti elettriche (le cui temperature di esercizio non devono superare i 60°C ), infatti, sono molto maggiori di quelle di un motore termico. (dove il liquido di raffreddamento tiene a regime temperature anche superiori ai 100°)
Personalmente infine, credo che il comfort sia un qualcosa di più profondo della silenziosità dell'auto. Credo che sia un qualcosa che ha a che fare più con l'armonia che c'è tra l'auto e chi la guida, e non tutti vogliono guidare un'auto silenziosa. Ma questa, come ho detto, è solo una mia opinione. 😁
A proposito di Efficienza:
In effetti, quando si parla di auto elettriche, l'efficienza rappresenta probabilmente il tema più delicato; poichè è vero che i motori elettrici possono raggiungere picchi di efficienza anche superiori al 90% e quindi molto più alti di quelli raggiungibili da un motore termico, ma è anche vero che, quando si fa riferimento a questi valori di efficienza, generalmente si parla di motori di tipo industriale, di dimensioni importanti, che generalmente lavorano a regime costante. I motori elettrici per utilizzo automobilistico, di contro, devono essere leggeri, compatti e devono essere in grado di avere prestazioni di rilievo in tutti i range di velocità di rotazione. Questo requisito intacca non poco le curve di efficienza (curve appunto! Variano in funzione del regime di giri e della coppia erogata esattamente come quelle dei motori termici) che in alcune condizioni di lavoro scendono al di sotto di valori come il 50% riavvicinandosi non poco a quelle che sono le normali efficienze che si vedono nei motori termici.
All'efficienza motore, però, vanno moltiplicate le efficienze di inverter e pacco batterie (e anche quest'ultimo, dovendo rispettare requisiti importanti in termini di ciclo carica-scarica, presenta efficienze che variano in funzione della coppia erogata e che in genere si pongono su valori meno alti di quanto si possa immaginare).
D'altro canto però, gli stessi motori elettrici possono esser fatti funzionare come generatori di corrente in frenata, recuperando energia che diversamente andrebbe persa così che, alla fine della filiera, in sintesi e senza buttare troppi numeri nel calderone, l'efficienza complessiva di un'auto elettrica si dimostra comunque superiore a quella di un'auto a combustione, ma non in modo così eclatante quanto appare da certe campagne pubblicitarie.
L'energia elettrica in quanto tale, però, non arriva dal cielo (se non sottoforma di lampi e tuoni 😆) e questo porta nella filiera, volendo ragionare in termini più ampi della semplice auto unitaria, ulteriori efficienze dovute al trasporto attraverso le reti elettriche e la conversione da qualunque sia la fonte di energia originale...
... e questo ci porta a dire qualcosa..
A proposito di Inquinamento:
Un'auto elettrica, come singola unità, non emette gas inquinanti.
Questo può rappresentare una svolta per quanto riguarda la qualità della vita nelle città trafficate in cui buona parte di noi, me compreso, trascorrono la loro vita; ma, volendo inquadrare l'inquinamento come un problema globale (quale è), non possiamo fermarci ad analizzare le emissioni delle singole auto. Bisogna, infatti, guardare l'inquinamento ambientale generato complessivamente dall'insieme delle trasformazioni energetiche che la fonte energetica primaria subisce dall'inizio alla fine della filiera.
Quando si parla di auto a combustione, che siano benzina o Diesel, il ciclo di trasformazione della fonte energetica primaria (il petrolio) è piuttosto breve:
-> La Raffineria: il petrolio greggio viene separato in tutte le forme in cui verrà poi utilizzato (dal gas naturale ai carburanti, agli olii fino alle resine e ai residui solidi) sfruttando le diverse temperature di evaporazione dei composti carboniosi da cui è formato. Per farlo è necessario calore, generalmente derivante dalla combustione di carburanti preventivamente trattati che, di per se, genera già una prima forma di inquinamento, che però viene ripartito tra tutti i prodotti che si possono ricavare a partire dallo stesso lotto di petrolio greggio.
-> La Combustione interna: dove l'energia chimica del carburante viene trasformata in energia cinetica al prezzo della produzione di CO2, CO, NOx, Idrocarburi incombusti e particolato. In questo articolo ho già trattato la formazione di alcuni di questi agenti inquinanti. Ora, dato che, per singola unità, il maggiore apporto inquinante è dato proprio dalla combustione interna, generalmente si trascura l'apporto dato dalla raffinazione del carburante, considerando solo quest'ultima parte.
Se, invece, si tratta di auto elettriche, la faccenda si fa un pò più complicata. In questo diagramma a torta (fonte Wikipedia) viene efficacemente spiegata la ripartizione di fonti energetiche da cui è stato generato il totale di energia elettrica utilizzato negli U.S.A. nel 2016. (La situazione attuale non è molto diversa) Come puoi vedere, il 64.2 % dell'energia elettrica prodotta negli Stati Uniti è tutt'ora derivante da combustibili fossili, la cui produzione e combustione industriale ha in genere vincoli meno stringenti in termini di inquinamento rispetto a quelli imposti alle auto e che dipendono in ogni caso dalle legislazioni nazionali.
Il 19.7 % dell'apporto complessivo è poi derivante da energia termonucleare, la cui produzione non genera gas inquinanti, ma scorie sul cui smaltimento si potrebbero scrivere libri interi, senza considerare le questioni morali a cui questa fonte energetica è legata e sulle quali penso che ogni lettore abbia una sua visione e una sua opinione. Per questo motivo non mi addentrerò oltre nell'argomento.
Resta il 16.1 % di energia derivante da fonti energetiche pulite e rinnovabili. Una quantità che, purtroppo, ad oggi non si può dire compensare l'inquinamento generato dalla combustione industriale di combustibili fossili. Senza contare che, se l'intero parco auto diventasse elettrico, la richiesta di energia elettrica aumenterebbe esponenzialmente e l'unica fonte che potrebbe essere aumentata così "a comando" sarebbero proprio i combustibili fossili. A cambiare perciò sarebbe in qualche modo la sede di combustione del petrolio, più che la fonte energetica in se, con il solo effetto sostanziale di spostare l'inquinamento dalle città alle zone industriali.
Una citazione, poi, a mio avviso, la merita la tecnologia utilizzata per le batterie: gli ioni di litio.
Tralasciando per brevità gli aspetti puramente tecnici di come gli ioni di litio vengano utilizzati per l'immagazzinamento di energia, credo ci siano 3 cose davvero importanti da sapere quando si parla di Litio:
-> Come dicevo prima, parlando di efficienza, la densità energetica dei pacchi batterie è un argomento in rapida evoluzione tecnologica; ma siamo ancora qualche ordine di grandezza lontani dal poter confrontare l'energia contenuta in un pacco batterie con quella concentrata in un serbatoio di benzina dello stesso peso.
-> Il litio è un metallo alcalino le cui riserve conosciute sono piuttosto limitate e sono attualmente concentrate per l'85% tra Bolivia, Argentina e Cile. Altre riserve sono situate in Asia, Australia e Medio Oriente, mentre sono decisamente poche le riserve conosciute in Europa e Nord America. Le celle agli ioni di litio non sono attualmente riciclabili (anche se bisogna dire che il possibile riciclo è tutt'ora argomento di ricerca scientifica e appare come un traguardo tecnologico non troppo lontano) e il loro smaltimento, così come la loro produzione, pone una notevole questione in termini di inquinamento che, per brevità, non approfondirò ulteriormente.
-> Il litio pone una questione importante in termini di sicurezza:
In primo luogo per gli alti voltaggi necessari ad immagazzinare energia sufficiente al funzionamento di un'auto, ben superiori alla tensione di 230V che alimenta le reti elettriche casalinghe in Italia. (Tesla, se non sbaglio, usa un pacco batterie da 85kWh e 400V di tensione nominale)
In secondo luogo, in caso di incidente, dovesse venire meno l'integrità delle celle del pacco batterie, gli ioni di litio hanno la caratteristica di prendere fuoco se a diretto contatto con l'aria e di reagire in modo esplosivo al contatto con l'acqua.
Attualmente non esiste estinguente conosciuto in grado di spegnere un incendio alimentato da celle al litio. L'unico modo per spegnerlo è togliere l'ossigeno (una soluzione più che altro momentanea) o aspettare che il pacco batterie bruci del tutto.
Ricapitolando...
Questa panoramica sul mondo dell'Auto Elettrica è cominciata dal presentarti il fenomeno da un punto di vista sociale e di mercato. (Riguardo a questa parte ci tengo a precisare che quella che ti ho presentato è una mia personale interpretazione del fenomeno e di come determinati fattori separati abbiano avuto un effetto combinato sulla percezione del valore di una tecnologia da parte dell'utente medio. Nessuna teoria del complotto insomma 😄)
Dopo di che sono entrato nel merito degli aspetti propriamente tecnici della tecnologia in questione condividendo con te ciò che ho imparato, nel corso della mia carriera universitaria e della mia esperienza in Formula Student, sull'Auto Elettrica in termini di Performance, Comfort, Efficienza e Inquinamento. In sintesi:
Performance:
Come abbiamo visto, le performance longitudinali sono in realtà un punto forte delle auto a propulsione elettrica. Il vero problema attualmente è la capacità immaganizzativa dei pacchi batterie, tecnologia comunque in rapido sviluppo, che pone limiti importanti in termini di autonomia e peso, costringendo i progettisti a scendere a compromessi su entrambi i fronti.
Comfort:
Anche in questo caso i motori elettrici si dimostrano un vantaggio, ma l'isolamento fisico e acustico attualmente presente sulle auto termiche di fascia maggiore ha già reso il problema trascurabile. Le principali fonti di rumore e vibrazione, attualmente, sono gli pneumatici e le turbolenze aerodinamiche in corrispondenza degli specchietti retrovisori, fonti che prescindono dal tipo di propulsione.
Efficienza:
Abbiamo visto che, sebbene i motori elettrici siano potenzialmente in grado di raggiungere efficienze altissime in condizioni industriali, nelle applicazioni automobilistiche la necessità di un motore compatto e versatile fa si che i motori abbiano una curva di efficienza variabile e in generale più bassa. In più, quando si parla di auto elettriche, bisogna considerare le efficienze di inverter, pacco batterie, stazioni di ricarica, cavi e conversione iniziale dalla fonte primaria (qualunque essa sia) ad energia elettrica: tutti effetti che creano una dispersione energetica dalla fonte primaria alla conversione finale e che avvicinano notevolmente l'efficienza di un'auto elettrica a quella di una a combustione interna (dove la fonte di energia si trova intatta nel serbatoio).
Inquinamento:
In questo ambito ci siamo concentrati sulle fonti primarie di energia elettrica, che sono tutt'ora combustibili fossili ed energia termonucleare. Le fonti pulite e rinnovabili ricoprono attualmente meno del 20% del fabbisogno complessivo, una percentuale che scenderebbe ulteriormente, se il parco auto divenisse interamente elettrico, dato che il fabbisogno complessivo aumenterebbe esponenzialmente e le uniche fonti che potrebbero sopperire "a comando" sono proprio i combustibili fossili.
Infine abbiamo visto qualche considerazione aggiuntiva riguardo la tecnologia attualmente utilizzata per i pacchi batterie in termini di efficienza, disponibilità, produzione, smaltimento e sicurezza.
Un'auto completamente elettrica, però, non è l'unico modo possibile per sfruttare la tecnologia dell'elettrico in ambito automobilistico. Resta perciò da analizzare una possibile alternativa...
... ma la vedremo nel prossimo articolo!😝
Bene, per oggi pare che le nostre strade si separino qui.
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Noi ci vediamo alla prossima... Ciao! 😜
