IBRIDO, PLUG-IN e TURBO ELETTRICO BREVETTATO FERRARI: Compromessi o Opportunità?

Qualche tempo fa, ci siamo lasciati dicendoci che l'auto elettrica non è l'unica soluzione possibile che consenta di sfruttare i vantaggi dell'elettrico su un auto...

Prima di esplorare la possibile alternativa dell'Ibrido, però, credo sia indispensabile fissare dei punti fermi riguardo a ciò che abbiamo già visto a proposito dell'Elettrico come tecnologia:  

1. Le performance longitudinali sono decisamente un punto forte dei motori elettrici, le loro curve di coppia li rendono decisamente più sfruttabili rispetto ad uno a combustione con uguali picchi di coppia e potenza. 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.


2. In termini di efficienza, 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). 


3. Le principali fonti energetiche per alimentare le reti elettriche sono attualmente i combustibili fossili e l'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. 

Ma cosa significa Ibrido?

Ibrido, per definizione, significa a metà tra 2 nature: nel caso dell'automobile, si parla di un'auto ibrida riferendosi ad un veicolo che utilizza, come sistema propulsivo, un motore termico affiancato da uno o più motori elettrici.  
Una definizione piuttosto vaga, in quanto ci sono diversi modi di affiancare le 2 tecnologie. Diamoci subito dentro, perciò, analizzando uno per uno i tipi di applicazione di questo concetto tecnologico:

La prima, classica distinzione..
Ibrido in parallelo e ibrido in serie:  

La maggior parte del parco auto ibrido circolante (è il caso, ad esempio, della Toyota Prius) è caratterizzata da una tecnologia di ibrido in parallelo, ovvero veicoli in cui entrambi i sistemi propulsivi, sia i motori elettrici che quello termico, contribuiscono al moto del veicolo applicando direttamente una coppia sulle ruote motrici. Se ci sono diverse varianti di ibrido in parallelo e le vedremo tra poco; l'ibrido in serie, invece, ha visto una diffusione minore e si può ragionevolmente ridurre, almeno per il momento ad un solo caso di studio, quello dell'Opel Ampera:

In questo caso, i motori elettrici sono gli unici ad essere collegati alle ruote, mentre il motore termico è collegato ad un alternatore e funge unicamente da generatore di corrente per ricaricare il pacco batterie: si ha perciò una serie [Carburante - Motore termico - Batterie - Motori elettrici - Ruote]  e da qui la definizione di Ibrido in Serie.  
Questa soluzione consente di utilizzare il motore termico sempre al suo regime di massima efficienza: una caratteristica che, se da una parte la rende migliore dell'ibrido in parallelo dal punto di vista proprio dell'efficienza e quindi di consumi e inquinamento, dall'altra avrà probabilmente fatto storcere il naso a diversi potenziali clienti Opel quando sono arrivati a farne un test drive... 
L'auto infatti si comporta come un'auto completamente elettrica per quanto riguarda l'erogazione della coppia, ma sentire il motore accendersi ogni tanto e girare a regime costante a prescindere da ciò che si fa con l'acceleratore dà uno strano feeling ad un guidatore abituato a guidare auto tradizionali.

Prima di dare un'occhiata a quelle che sono le diverse configurazioni possibili di ibrido in parallelo, però, è il caso di fare una seconda importante distinzione:

Full Hybrid e Ibrido Plug-In (PHEV):  

  

La sostanziale differenza tra un ibrido tradizionale (o Full Hybrid: vedi sempre il caso della Toyota Prius o dell'intera gamma Lexus) e un PHEV [Plug-in Hybrid Electric Vehicle] (come ad esempio la gamma ibrida BMW) sta nella fonte energetica.

La sola fonte energetica di un ibrido tradizionale è il carburante.
Le batterie vengono infatti ricaricate rigenerando energia in frenata nel caso di un ibrido in parallelo, aggiungendo l'azione diretta del motore termico alla frenata rigenerativa nel caso di un'ibrido in serie.

Nel caso del Plug-in, invece, al carburante si aggiunge una seconda fonte energetica: l'energia derivante dalla rete elettrica. 
Questa scelta progettuale consente alle case automobilistiche di ridurre la produzione di CO2 per Km dichiarata dando un'apparenza di maggiore "pulizia" e minori consumi, senza cambiare nulla della tecnologia realmente impiegata nel sistema propulsivo dell'auto. 

E' chiaro, infatti, che se si aggiunge l'energia della rete elettrica al carburante, a parità di tragitto e di performance/efficienza dei motori termico ed elettrici, sarà possibile consumare la stessa energia complessiva bruciando meno carburante e generando meno CO2. Come ho scritto, però, si tratta di un guadagno apparente: un discorso che ho già affrontato nell'articolo sull'elettrico e che si può ben riassumere nei punti 2 e 3 della premessa iniziale di quest'articolo. 

A questo punto, tornando all'ibrido in parallelo, direi che è arrivato il momento di entrare più nel dettaglio, analizzando alcune delle possibili configurazioni dei principali componenti di un'auto ibrida in parallelo:  Motore termico e trasmissione, motori elettrici, pacco batterie. 

Disposizione "classica":

Le figure fanno riferimento allo schema costruttivo della BMW Serie 7e Plug-In.
Nelle immagini è possibile vedere come lo schema del Powertrain sia esattamente lo stesso dell'auto termica [motore longitudinale, trazione posteriore] con un unico motore elettrico che va a scaricare la coppia direttamente sull'albero di trasmissione. 
Il pacco batterie è localizzato nella parte posteriore il più in basso possibile per mantenere basso il baricentro e ridurre le perdite in termini di spazio.

 La trazione integrale elettrica:

E' il caso della Honda NSX, ma un prototipo di questo tipo è stato anche sviluppato al Politecnico di Torino sulla base di una Lancia 037. 
In questo caso l'ibrido si realizza in 2 Powertrain del tutto distinti che vanno ad agire su diversi assali. Quello termico è interamente posizionato al posteriore dove troviamo il motore centrale longitudinale con annessi trasmissione e impianto di raffreddamento, sull'assale anteriore invece troviamo i motori elettrici in-board, uno per ruota per ottenere un efficace effetto di torque vectoring.  Le batterie sono posizionate dietro i sedili. Da notare che, nello specifico caso della NSX, il powertrain posteriore è a sua volta ibrido, con un motore elettrico applicato sulla trasmissione come nella disposizione "classica". 

Un discorso a parte potrebbe essere fatto, poi, per quanto riguarda le possibili interazioni tra...  

L' Ibrido e il Turbo:

Ad aprire la strada a questo tipo di applicazione è stato il concetto di MGU-H ( ↑ ), nato con le moderne Power Unit di F1 nel 2014.   
Un turbocompressore funziona secondo un concetto piuttosto semplice:
Recuperare energia dai gas di scarico, attraverso una turbina, per poi utilizzarla per comprimere l'aria in aspirazione con un compressore rotativo. Una pressione maggiore in aspirazione, infatti, significa che a parità di volume (la cilindrata del motore) ci sarà più ossigeno e questo permetterà di bruciare più carburante per ogni singolo scoppio. Il fenomeno che ho appena descritto può essere sintetizzato in un aumento dell'efficienza volumetrica del motore e si traduce in più potenza a parità di cilindrata, o a minori cilindrate a parità di potenza (il cosidetto downsizing, magari approfondirò l'argomento in un altro articolo 😉).

I due organi meccanici, turbina e compressore, sono in genere collegati da un alberino che consente di trasmettere l'energia cinetica da un organo all'altro.

Il limite di questo sistema sta nell'inerzia delle giranti: 
La portata dei gas di scarico non è la stessa a tutti i regimi di rotazione del motore e questo fa si che la turbina non possa lavorare sempre a regime, ma sia soggetta a continue accelerazioni (quando i giri motore salgono) e decelerazioni (in rilascio). Questo fenomeno, unito appunto all'inerzia delle giranti, fa si che il turbocompressore risponda con un certo ritardo agli input del pedale dell'acceleratore. E' il caratteristico fenomeno del turbo-lag. 

Nel corso degli anni sono stati studiati diversi sistemi, oggi anche molto diffusi, per arginare il fenomeno del turbo-lag e approfondire questo argomento probabilmente richiederebbe un articolo a se, ma è qui che entra in gioco l'MGU-H.

Si tratta infatti di applicare un motore elettrico sull'alberino del turbo compressore (vedi immagine) che funge da generatore quando, in rilascio, dissipa l'energia cinetica, data dall'inerzia delle giranti ancora in rotazione, trasformandola in energia elettrica che viene poi riutilizzata per dare una spinta al turbocompressore quando quella degli scarichi non è sufficiente a muovere le giranti abbastanza da permettere al motore di erogare la potenza richiesta. 
In questo modo non solo si compensa il fenomeno del turbo-lag, ma si aumenta l'efficienza dello stesso turbocompressore dato che si va a recuperare un energia, quella cinetica della turbina in rilascio, che diversamente andrebbe persa... 
... e un aumento di efficienza, come sempre, può significare 2 cose: più potenza o meno consumi.

Apoteosi di questo concetto è il nuovo sistema di...
Turbo Elettrico ideato da Ferrari:

Questo nuovo sistema può essere immaginato come un'evoluzione del concetto di MGU-H in cui viene però a mancare l'alberino di connessione. 

La turbina è collegata direttamente ad un alternatore e recupera energia dai gas di scarico al solo scopo di generare corrente per caricare una batteria. Il compressore a questo punto è azionato direttamente da un motore elettrico, alimentato dalla suddetta batteria, che viene azionato direttamente da centralina.
Il concetto appare semplice, ma nessuno ci aveva pensato prima (Ferrari ha depositato il brevetto nel primo semestre di quest'anno [2018] ) e le implicazioni in termini di performance sono importantissime: 

1. Non ci sono momenti in cui la turbina non stia recuperando energia, da questo punto di vista l'efficienza della turbina è massimizzata. 
2. Il turbo-lag viene completamente azzerato in quanto il compressore non viene più azionato per via di un vincolo cinematico con la turbina, ma tramite un controllo elettronico: ciò significa che è possibile far girare il compressore al massimo quando la turbina è ancora ferma. In più il motore elettrico dovrà mettere in moto una sola girante (quella del compressore) e questo riduce ulteriormente l'inerzia del sistema e il conseguente ritardo di risposta.  
3. Pare che anche il suono ne giovi, un requisito fondamentale quando si parla di motori marchiati Ferrari. 

Verrebbe da dire che in questo modo si può avere un motore turbo con l'erogazione e il suono di un aspirato, ma in realtà è ancora meglio: sul suono non posso commentare nulla ma, per quanto riguarda l'erogazione, un controllo in tempo reale sulla pressione dell'aria in aspirazione (e quindi sull'efficienza volumetrica) significa un controllo in tempo reale sulle curve di coppia e potenza!  E scusate se è poco 😅

Bene, con questa splendida immagine si conclude questo viaggio alla scoperta dei sistemi propulsivi elettrificati. Personalmente ho un'opinione precisa sull'argomento e probabilmente, tra l'articolo sull'elettrico e questo, in alcuni passaggi sarà trasparsa. Ho scelto però di non esprimerla apertamente perchè sono convinto che, se si conosce un argomento, si è liberi di farsi un'opinione che sia propria senza essere influenzati dalla fonte delle informazioni e lo scopo di FR Tecnica è sempre stato divulgare, non influenzare. 

Cosa ne pensi quindi? 

Le auto elettriche sono davvero il futuro? 
L'ibrido è un compromesso o un'opportunità? 

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Al prossimo articolo!  Ciao 😜

FORMULA SAE: 4 validi motivi e un ingrediente fondamentale

Se segui FR Tecnica da un po', o sei passato per caso dalla pagina "CHI SONO", saprai che, sul finire dello scorso anno (2017), sono entrato a far parte di Squadra Corse PoliTO: il Team studentesco del Politecnico di Torino che partecipa alla competizione internazionale Formula SAE.

Prima di condividere con te alcune riflessioni a cui ho pensato guardando alla Stagione 2018 appena conclusasi, credo sia però il caso di fare una piccola introduzione su questo mondo, così che chiunque si trovi a leggere quest'articolo possa capirci qualcosa. 😉

Cos'è la Formula SAE ?

Formula SAE (o Formula Student) è una competizione che vede confrontarsi studenti di ingegneria provenienti da tutto il mondo nella sfida di progettare, costruire, presentare e condurre una monoposto da corsa.

A livello di classifiche, l'organizzazione è simile a quella del Tennis internazionale:

Esistono diversi eventi organizzati in modo indipendente da cui i Team partecipanti escono con un punteggio che viene poi utilizzato per stilare dapprima la classifica finale dell'evento e, in seguito, un Ranking Mondiale.

In questo modo è possibile per team di tutto il mondo confrontarsi senza necessariamente partecipare tutti allo stesso evento, cosa impossibile considerando il numero elevatissimo di Team che partecipano alla competizione.

Un evento di Formula SAE si sviluppa in circa 5 giorni in cui la competizione attraversa diverse fasi:  

1) Tech inspections: 

Una serie di verifiche tecniche che i giudici svolgono sulle vetture per verificare che l'auto rispetti il regolamento e possa partecipare alle prove dinamiche in sicurezza.   Sembra una cosa scontata, ma ti assicuro che questa fase è probabilmente la più stressante poichè quasi nessun team riesce a passarle al primo tentativo. Ciò che accade normalmente è che i giudici, seguendo una Check List, fermano l'ispezione quando trovano qualcosa che non va e non proseguono oltre fino a che l'aspetto in questione non viene messo a regolamento. Una cosa che richiede una grande e continua reattività da parte della squadra che è chiamata a modificare aspetti dell'auto a tempo record per poi tornare in fila e riprendere le ispezioni.

2) Prove statiche:  

Business Plan Presentation, Cost Report e Design Presentation: 

Non scenderò nel dettaglio di ogni singola prova, ma ti basti sapere che sono prove in cui il Team è chiamato a presentare ai giudici la vettura giustificando ogni aspetto di quest'ultima in termini ingegneristici ed economici.  Queste prove si tengono in contemporanea alle Tech e richiedono la presenza della macchina al box (non sempre è facile conciliare le 2 cose). I giudici poi assegnano un numero di punti al Team per ogni prova. 

3) Prove dinamiche: 

       - Acceleration:  Uno sparo sui 75 metri. 

       - Skidpad:        Sostanzialmente un 8 nel quale le diverse vetture si confrontano in termini di potenziale accelerazione laterale. 

       - Autocross:      Un giro a ritmo di qualifica su un percorso aperto di poco più di 1 km. 

       - Endurance:     Una prova a tempo su una distanza di 22 km con un cambio pilota. 

In ciascuna di queste prove, il tempo complessivo più basso assegna il massimo dei punti mentre gli altri punteggi vengono riscalati in base ai distacchi dal primo.    

Nella prova di endurance si inserisce un'ulteriore prova dinamica, l'Efficiency, che assegna punteggi in proporzione al prodotto di tempo totale per carburante consumato per le auto a combustione; al prodotto di tempo totale per il quadrato dell'energia consumata per le auto elettriche.  Anche per l'Efficiency, chi fa meglio ottiene il massimo dei punti, gli altri punteggi vengono riscalati in base al distacco dal primo.

Ma che tipo di monoposto può partecipare ad un evento di Formula Student? 

3 Categorie:  

- Combustion

- Electric

- Driverless (guida autonoma)

Il regolamento si presenta severo e stringente per quanto riguarda tutti gli aspetti riguardanti la sicurezza, ma per tutto il resto si dimostra essere molto liberale: Vengono definiti gli ingombri minimi (carreggiata: 1200 , passo: 1525),

l'altezza minima da terra (30 mm -> con questo si vieta anche l'utilizzo di minigonne aerodinamiche), la massima cilindrata per le Combustion [710cc], la potenza massima e il massimo voltaggio per le elettriche [80kw - 600V].  

NESSUN LIMITE DI PESO MINIMO in tutte le categorie. 

Le appendici aerodinamiche sono limitate in termini di ingombri, parti aerodinamiche mobili finalizzate a generare effetto suolo (stile Brabham F1 del 1978) sono vietate. 

Le driverless possono essere sia elettriche che a combustione; in genere i team utilizzano auto degli anni precedenti implementando il solo sistema di guida.

Alla fine, data anche la tortuosità dei tracciati, ne vengono fuori delle monoposto quasi sempre delle dimensioni minime regolamentari, con un peso che può andare da 145 kg per le Combustion più leggere, sino ai quasi 300kg dei team con meno esperienza, per una potenza che in genere supera di poco i 100cv. 

Bene!  Con questo direi che l'introduzione si può dire conclusa.

Ora che sappiamo tutti di cosa stiamo parlando, è arrivato il momento di andare al succo dell'articolo; ovvero condividere con te ciò che ho imparato quest'anno e 4 validi motivi per cui, per uno studente di Ingegneria, vale la pena di lanciarsi in questo tipo di esperienza. 

1 - Acquisire competenze 

La stagione si sviluppa sostanzialmente in 3 fasi: Progettazione (Ottobre - Dicembre), Produzione (Gennaio - Maggio), Test e Gare (Giugno - Settembre).  

I team in genere si strutturano in divisioni che si occupano delle diverse aree progettuali della monoposto: Da Telaio e Aerodinamica alla Dinamica del Veicolo e alle Masse non Sospese, sino anche alla Logistica e alla gestione dell'Immagine del Team. 

Quando entri in una di queste divisioni, la prima cosa che fai è..  STUDIARE!  

Le competenze che raggiungi tra i banchi dell'università sono importanti e ti danno un metodo, ma non sono sufficienti a costruire un'auto da corsa che si dimostri competitiva a livello internazionale.  

Col proseguire della stagione diventi via via più specializzato e assumi competenze e conoscenze a cui chi si limita a seguire i corsi e dare gli esami non ha accesso, o meglio, non allo stesso modo: Lo stesso concetto teorico viene appreso in modo diverso dallo studio all'applicazione. 

In fase di produzione poi, si ha l'occasione di verificare con mano la qualità della progettazione: il concetto di "Design for Assembly" assume un altro significato quando sei tu progettista a dover infilare la chiave in un posto estremamente scomodo per effettuare una regolazione o montare un componente. 

In pista infine, hai la possibilità di vedere con i tuoi occhi l'efficacia delle soluzioni adottate, studiare una telemetria e provare interventi di assetto e controlli elettronici (un altro campo in cui è difficile vivere un'esperienza che concili teoria e pratica come quella di programmare un controllo e vederlo girare direttamente in auto). 

 

2 - Scoprire un ambiente di lavoro

Progettare e costruire qualcosa in un Team organizzato in diverse divisioni, ciascuna con un responsabile, dà la possibilità ad uno studente di sperimentare "in piccolo" le dinamiche tipiche di un ambiente di lavoro. Non solo la capacità di lavorare in squadra è fondamentale per la riuscita del progetto, ma lo sviluppo stesso del progetto permette a chi ci lavora di migliorare le proprie abilità di Teamwork.   Un aspetto che viene tenuto non poco in considerazione dalle aziende che saranno, per gli aspiranti ingegneri, i potenziali datori di lavoro. 

3 - Vivere il Team

Formula Student è sinonimo di eccellenze. Aldilà dell'abilità di lavorare in Squadra, lavorare per un anno su un progetto di questo tipo fa si che tra i membri si instauri un tipo di rapporto diverso da quello che si vive normalmente in università.

In più, chi vi partecipa, ha la possibilità di vivere e lavorare in un contesto sempre stimolante che ti sprona a imparare sempre qualcosa di nuovo e ad essere ogni giorno un po' più utile al team di quanto lo eri il giorno prima.


Mentirei se dicessi che tutto questo non comporta sacrifici..  Quell'ufficio, quell'officina diventano la tua seconda casa o forse addirittura la prima se si considera il tempo che ci passi dentro, ma la crescita personale e professionale che ne deriva vale decisamente lo sforzo.

4 - Confrontarsi con il resto del Mondo 

Arrivano le gare..   
..e con esse arriva il momento di verificare se il lavoro che si è fatto durante l'anno è davvero valido a livello internazionale.  Insomma, il momento di verificare se si è fatto abbastanza.  
Alla prima gara della stagione quasi nessuno arriva perfettamente preparato e, nel corso dell'evento, i ragazzi lavorano di giorno per avere l'auto pronta per le prove dinamiche, di notte per essere preparati a quelle statiche.
Quando arriva il momento di confrontarsi con gli altri Team ti rendi conto che tutti hanno dei problemi, che i tuoi avversari sono studenti di ingegneria come te e che l'unica cosa in cui siete diversi è il modo in cui li si affronta. Durante l'evento, team di tutto il mondo si aiutano a vicenda, si confrontano e riescono così a trovare soluzioni a cui in un anno di preparazione non si era pensato, ad avere dei riferimenti per la stagione successiva; insomma CONFRONTANDOSI SI IMPARA!

Personalmente credo che l'atmosfera che si respira in questa fase dell'evento sia un qualcosa di impagabile, così come lo è quell'aria di tensione e apprensione che si vive quando durante l'endurance si guarda il numero di giri alla fine decrescere..  e si cerca di mantenere i nervi saldi e nel frattempo si prega che non sopraggiungano problemi..  E' difficile da spiegare, devi viverlo!

Poi le premiazioni, il momento in cui si rende merito ai migliori, seguite poche ore dopo dalla festa finale in campeggio.  Ancora una volta non solo un'occasione per confrontarsi, questa volta in ambito culturale, ma un momento in cui vincitori e sconfitti ridono, ballano, bevono fianco a fianco in un clima di festa...  

E in effetti hanno tutti qualcosa da festeggiare, perchè in questo genere di eventi non ci sono sconfitti:  

SI VINCE O SI IMPARA!

Ora, credo sia abbastanza chiaro che di valide motivazioni che possano spingere uno studente di Ingegneria a lanciarsi in un esperienza di questo tipo ce ne sono abbastanza, ma ti ho anche accennato il fatto che vivere un anno di Formula Student significa sacrificio, non solo in termini di tempo libero e tempo da dedicare allo studio, ma anche in termini di stress e carico di lavoro che sono entrambi superiori a quelli che deve sopportare in media uno studente universitario. E' praticamente un lavoro, ma senza stipendio.😅

Per questo motivo, credo che esista un'unica fonte di motivazione in grado di fornire allo studente la forza d'animo necessaria a non mollare (e credimi, molti mollano lungo il percorso...) e continuare a lavorare a testa bassa...

LA PASSIONE! 
E' questo a mio avviso l'ingrediente fondamentale che rende un gruppo di ragazzi una Squadra...  e di un Team una Squadra vincente!

A proposito di Squadra..  In Squadra Corse PoliTO il recruitment per la stagione 2019 è già cominciato! 
Se sei uno studente del Politecnico di Torino, perchè non dai un'occhiata alla pagina FB di Squadra Corse? 😉

Se invece questo non è il tuo caso spero di essere riuscito a trasmetterti tutto il bello di questo mondo in cui giovani aspiranti ingegneri di tutto il mondo si confrontano e crescono insieme.

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Noi ci ritroviamo al prossimo articolo!  
Ciao!  😃

Automotive: Un futuro "Elettrizzante" ?

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!  😜