L’auto elettrica è un veicolo con Motore elettrico che utilizza l’energia chimica che viene immagazzinata in un “serbatoio” energetico costituito da una o più batterie ricaricabili. I veicoli elettrici utilizzano motori elettrici in sostituzione, o in aggiunta al motore a combustione interna.
Veicoli elettrici puri ed “auto ibride”
I veicoli che utilizzano sia motori elettrici che motori a combustione interna (ICE: Internal combustion engine) sono noti come ibridi
.
In tali veicoli, gli accumulatori vengono ricaricati da un motore a combustione interna.
I veicoli elettrici più diffusi sono automobili, piccoli
autocarri, biciclette motorizzate, scooter elettrici, veicoli per campi da golf, carrelli elevatori e veicoli simili, perché di solito gli accumulatori sono poco adatti per applicazioni che abbisognano di un più vasto raggio d’azione oppure di una grande potenza e capacità di carico.
I veicoli elettrici hanno complessivamente una maggiore efficienza energetica rispetto a quasi tutti i motori a combustione interna. Un motore a benzina ha una efficienza energetica del 25%, un diesel si avvicina al 40%, mentre un motore elettrico a induzione in corrente alternata ha un efficienza del 95%. Non producono fumi di scarico ne’ vapor d’acqua) e, complessivamente, producono un inquinamento minimo se riforniti con energia prodotta da fonti rinnovabili.
Grazie alla elevata coppia prodotta dai motori elettrici, i veiocoli elettrici hanno buone prestazioni in accelerazione, tali da superare i veicoli convenzionali alimentati a benzina.
I nuovi modelli possono viaggiare per centinaia di chilometri con una sola carica, anche dopo 160.000 km di impiego delle stesse batterie. I veicoli elettrici, riducendo la dipendenza dal petrolio, potrebbero rallentare il riscaldamento globale (attenuando l’effetto serra), sono più silenziosi rispetto ai motori a combustione interna e non producono fumi nocivi.
Come svantaggi si ha una limitata autonomia tra le ricariche, il tempo di ricarica, e la scarsa durata delle carica delle batterie, anche se nuovi tipi di batteria ricaricabile e nuove tecnologie di carica (e di scarica) ne hanno incrementato l’autonomia e la vita utile, riducendone contemporaneamente il tempo di carica.
Anche se alcuni modelli vengono ancora prodotti in quantità limitate, alcuni BEV (Battery electric vehicle) che si sono rivelati adatti alle strade (e molto popolari come il GM EV1) sono stati ritirati dal mercato e sono stati rottamati dai loro costruttori.
Un piccolo numero di modelli di futura produzione sono stati annunciati, anche se molti altri sono stati costruiti come prototipi. Negli Stati Uniti, molti tra i più pratici BEV sono un fai-da-te di veicoli con motore a combustione interna, eseguiti da hobbisti, dal momento che una produzione industriale è praticamente inesistente.
I maggiori costruttori di automobili USA sono stati accusati di aver deliberatamente sabotato i loro sforzi per la produzione di veicoli elettrici.
Le compagnie petrolifere hanno registrato ed acquistato i brevetti di molti tipi di batteria, ed hanno utilizzato la “patent protection” per impedire che la più moderna tecnologia delle batterie ricaricabili venisse utilizzata nelle auto elettriche (vedi più sotto).
Storia dell’auto elettrica
Confronto con i veicoli a combustione interna
Nel corso del XX secolo le vetture con motore elettrico sono diventate molto più rare rispetto ai veicoli con motore a combustione interna.
È utile mettere a confronto vetture elettriche e veicoli a combustione interna per alcuni aspetti.
Costi operativi ed assicurativi
I veicoli elettrici (negli USA) hanno dei costi operativi che variano tra 1 e 2 centesimi di euro per chilometro, mentre (sempre negli USA, dove la benzina è poco tassata) i veicoli tradizionali a benzina hanno costi operativi maggiori da circa 4 a 6 volte tanto Idaho National Laboratory (2005) “Comparing Energy Costs per Mile for Electric and Gasoline-Fueled Vehicles” Advanced Vehicle Testing Activity report at avt.inel.gov accessed 11 July 2006..
Il costo principale del possesso dei BEV moderni dipende principalmente dal costo delle batterie, il tipo e la capacità di esse è fondamentale nel determinare molti fattori come l’autonomia di viaggio, la velocità massima, il tempo di vita utile della batteria ed il tempo di ricarica; esistono alcuni svantaggi e vantaggi dei vari tipi, probabilmente non esiste un tipo ideale per chiunque, ma alcuni sono più adatti per alcuni utilizzi.
Secondo alcuni, i veicoli elettrici a batteria hanno un vantaggio nel riciclaggio di parti dell’auto dopo gravi incidenti stradali. A differenza dei componenti dei motori a benzina, che tendono ad incendiarsi (specie quando i tubi rotti dell’iniezione soffiano benzina sulla marmitta catalitica o sul turbocompressore rovente), i componenti delle celle a batteria tendono a mantenersi integri e funzionanti per poter essere recuperati e riutilizzati. Dal momento che (eccetto l’accumulatore di tipo litio-ione) non hanno materiali infiammabili, possono essere considerati veicoli molto più sicuri in caso di incidente, ed anche con molte parti riciclabili.
Con il costo delle batterie che va dal 80 % del totale (di 50.000 euro per veicoli potenti, a lungo raggio con costose batterie NiMH) fino al 50% (di 16.000 euro per veicoli di uso cittadino con batterie nichel-cadmio, zinco-aria o al magnesio, ed autonomie inferiori ai 160 km) questo comporta minori costi percentuali di riparazione post-collisione, dal momento che sono per buona parte riciclabili.
Per quanto riguarda le assicurazioni, il costo assicurativo delle vetture elettriche è paragonabile a quello delle “supercar” sportive, con spese di copertura assicurativa pari a centinaia di dollari al mese.
Efficienza energetica ed emissioni di anidride carbonica
Le vetture elettriche di serie o convertite tipicamente consumano da 0,11 a 0,23 kWh/km (dati sul veicolo GM EV1 : 0,179 kWh/km e 0,373 con basso rendimento di carica) Idaho National Laboratory (2006) “Full Size Electric Vehicles” Advanced Vehicle Testing Activity reports at avt.inel.gov, visto il 5 luglio 2006 Idaho National Laboratory (2006) “1999 General Motors EV1 with NiMH: Performance Statistics” Electric Transportation Applications info sheets at inel.gov visto il 5 liglio 2006.
Considerando un consumo di 5 litri di benzina per 100 km, una vettura a combustione interna consuma circa 0,51 kWh/km. Si tenga poi presente che circa la metà del consumo della vettura elettrica è dovuto a dispersioni ed al basso rendimento nella ricarica delle batterie, e quindi non è impensabile un consumo chilometrico inferiore a 0,1 kWh in un futuro molto prossimo, consumo neppure ipotizzabile nelle vetture a combustione interna.
Se si considera il sistema globale, includendo l’efficienza energetica del processo di produzione e della distribuzione al punto di rifornimento, il calcolo risulta complesso a causa della grande diversità delle fonti prime.
Considerando un generatore elettrico a ciclo combinato ed ipotizzando un rendimento pari a 0,6 nella generazione e 0,75 nella distribuzione, il consumo chilometrico totale di una vettura elettrica passa a 0,33 kWh/km (riferito al valore medio tra quelli sopra detti), mentre si può ritenere accettabile un rendimento pari a 0,75 alla produzione e 0,75 alla distribuzione per gli idrocarburi, che comporta un consumo di 0,91 kWh/km per vetture a combustione interna, valore 2,75 volte superiore, fattore che potrebbe divenire in un futuro assai prossimo superiore a 3.
Altri sistemi di generazione di energia elettrica possono dare risultati ancora più eclatanti: accumulatori ricaricati da celle fotovoltaiche, generatori eolici o simili fonti hanno un consumo primario pari a zero, e l’energia elettrica di origine nucleare potrebbe essere considerata anch’essa a costo primario nullo (anche se andrebbe analizzato il costo del materiale fissile, in quanto non rinnovabile).
Le emissioni di anidride carbonica (CO2) sono utili per confrontare i consumi rispettivi della via elettrica e di quella a combustione interna US Department of Energy e Environmental Protection Agency (anno 2007) “Search for cars that don’t need gasoline” Fuel Economy Guide database at fueleconomy.gov visto il 5 luglio 2006. Questi confronti includono la produzione di energia, la distribuzione, la ricarica delle batterie, ed i vari tipi di perdite generate dai veicoli (attrito, termica, ecc.). Le emissioni di CO2 migliorano nei BEV alimentati da fonti sostenibili di produzione elettrica, ma rimangono quasi fisse per i veicoli a benzina. (Sfortunatamente non sono disponibili dati così aggregati relativi ai veicoli elettrici in commercio).
| Model |
t CO2
(Produzione di energia
da fonti convenzionali,
per lo più elettricità
da carburante fossile |
t CO2
(Produzione di energia
elettrica sostenibile,
ad.es., da pannello solare
o energia eolica)
|
| 2002 Toyota RAV4-EV (BEV puro) |
3,45 |
0,0
|
| 2000 Toyota RAV4 2wd (benzina) |
6,53 |
6,53
|
| Altri veicoli elettrici a batteria
|
| 2000 Nissan Altra EV |
3,17 |
0,0
|
| Veicolo ibrido
|
| 2001 Honda Insight |
2,81 |
2,81
|
| 2005 Toyota Prius |
3,17 |
3,17
|
| 2005 Ford Escape H 2x |
5,26 |
5,26
|
| 2005 Ford Escape H 4x |
5,62 |
5,62
|
| Veicoli con motore a combustione interna
|
| 2005 Dodge Neon 2.0L |
5,44 |
5,44
|
| 2005 Ford Escape 4x |
7,26 |
7,26
|
| 2005 GMC Envoy XUV 4x |
10,61 |
10,61
|
Si tenga presente che i modelli citati, di produzione statunitense (anche quelli di marche giapponesi) mostrano valori a volte assai diversi da quelli dei comuni veicoli europei.
La resistenza aerodinamica (Cx) ha una grande importanza nel determinare l’efficienza enegetica, particolarmente alle alte velocità.
Impatto ambientale complessivo
Molti fattori devono essere considerati quando si compara l’impatto totale sull’ambiente. Il tipo di confronto più esauriente è quello dell’analisi dalla “catena-di-montaggio-alla-discarica” oppure l’analisi di tutto il tempo di vita. Questa analisi è così esaurientemente complessiva che considera ogni tipo di consumo energetico, includendo i consumi (ed emissioni) implicati dalla produzione originale (ed anche della componentistica) e le fonti di carburante e tutti i consumi (e le emissioni) durante la vita utile del veicolo includendo l’inquinamento durante la produzione delle batterie (ad esempio l’estrazione del cadmio comporta un elevato inquinamento da metalli pesanti) e la sua deposizione in discarica. I vari tipi e l’entità dell’inquinamento varia enormemente tra i vari tipi di batteria, cosa che rende ancora più difficile fare dei confronti.
Ad esempio, è difficile stabilire se siano peggiori gli effetti ambientali dell’inquinamento da nichel e da cadmio prodotti dall’estrazione mineraria, dalla fabbricazione della batteria, dalla discarica con successiva ossidazione, rottura, infiltrazione e dilavamento di una batteria NiCd malamente scaricata; oppure se siano peggiori e meno duraturi i danni all’ambiente causati dall’emissione di idrocarburi e dalla raffinazione del petrolio.
Sono necessarie accurate statistiche su ogni tipo di combustibile fossile e di accumulatore in modo di poter giudicare gli apporti e le fuoriuscite di inquinanti per giudicare equamente l’impatto ambientale totale.
Una grande differenza tra i veicoli BEV ed ICE rispetto al tempo di vita consiste nel fatto che i primi utilizzano la elettricità al posto di combustibili liquidi. Qualora l’elettricità fosse generata a partire da fonte rinnovabile o da nucleare ciò presenterebbe un consistente vantaggio in termini di inquinamento atmosferico.
In ogni caso, se la elettricità fosse prodotta da combustibili fossili (come è nella gran parte dei casi) Il vantaggio relativo dei veicoli elettrici è sostanzialmente ridotto Tahara, K. et al. (2001) “Comparison of CO2 Emissions from Alternative and Conventional Vehicles.” World Resources Review 13:52-60 summary at ilea.org accessed 5 July 2006. Ne deriva che lo sviluppo di sorgenti di energia che non emettano CO2 è necessaria ridurre la emissione totale netta dei veicoli elettrici. In ogni caso, l’impatto ambientale della produzione di energia elettrica (emissioni indirette) dipende dal mix della produzione ed è normalmente più ridotto della emissione diretta prodotta dai veicoli ICE Van Mierlo, J., et al. (2003) “Environmental Damage Rating Analysis Tool as a Policy Instrument” 20th International Electric Vehicle Symposium and Exposition (Long Beach, California) conference paper at etecmc10.vub.ac.be accessed 14 July 2006
Rispetto al tempo di vita, un’altra importante differenza tra i veicoli elettrici e quelli a combustione interna consiste nell’ utilizzo di consistenti batterie di accumulatori. I moderni accumulatori hanno dimostrato di poter superare in durata gli stessi veicoli elettrici su cui sono installate. Ad esempio gli accumulatori provati da Toyota hanno mostrato solo un minimo calo di risultati dopo aver percorso 240.000 chilometri. Certamente nell’utilizzo reale i dati mostrano risultati peggiori, tipicamente gli elementi al litio perdono di efficienza per circa 20-40 percento all’anno; così se si fanno 240.000 chilometri su una pista di test si possono confermare i dati rilevati da Toyota ma se, in un utilizzo reale, si percorrono all’ anno 10.000 chilometri, la batteria di accumulatori andrà sostituita dopo 30.000 chilometri con una spesa di circa 20.000 Euro con un costo pari a 0,67 €/km.
I veicoli BEV, non essendo dotati di motore che brucia combustibile liquido e dei conseguenti apparati necessari al suo funzionamento, sono spesso più affidabili e richiedono minore manutenzione. Sebbene i veicoli BEV siano poco diffusi, essi possono trarre vantaggio dagli avanzamenti tecnologici che si stanno realizzando in altri mercati come quello dei telefoni cellulari, dei laptops, dei carrelli elevatori e dei veicoli elettrici ibridi. Le innovazioni nella tecnologia delle batterie elettriche che si sviluppa negli altri mercati possono essere utilizzate al fine di rendere i veicoli BEV sempre più utilizzabili e diffusi.
Prestazioni di accelerazione
Molte delle vetture elettriche di oggi sono capaci prestazioni in accelerazione che eccedono quelle di veicoli a benzina della stessa potenza. I veicoli elettrici possono utilizzare una configurazione diretta motore-ruota che aumenta l’efficienza nell’erogazione della potenza. Il fatto che possono avere molteplici motori collegati direttamente alle ruote permette a ciascuna ruota di essere sia propulsiva che frenante, cosa che aumenta la trazione.
In alcuni casi, il motore può essere alloggiato direttamente nella ruota, come nel disegno noto come “Whispering Wheel“, che abassa il centro di gravità complessivo del veicolo e riduce il numero di parti in movimento. Quando non sono dotate di un asse, di un differenziale, oppure della trasmissione, i veicoli elettrici godono di una minore inerzia rotazionale del treno direzionale. Un sistema senza ingranaggi, o con un solo ingranaggio in alcuni BEV elimina la necessità di un cambio a marce, dando all’auto un accelerazione e frenata più dolce. Si consideri inoltre che i motori elettrici, con i moderni sistemi di alimentazione, possono lavorare a potenza o a coppia costanti; i motori a combustione interna hanno una propria curva caratteristica, seguendo la quale i regimi di coppia e potenza massime si hanno in zone molto limitate della velocità di rotazione, in genere verso i 2/3 della velocità massima per la coppia e 4/5 per la potenza.
Alcune vetture elettriche da corsa (”simil dragster”) hanno motori elettrici, con cambi e trasmissioni a due marce per incrementare la velocità massima fino a 160 km/h Hedlund, R. (2006) “The 100 Mile Per Hour Club” National Electric Drag Racing Association list at nedra.com
accessed 5 July 2006 Hedlund, R. (2006) “The 125 Mile Per Hour Club” National Electric Drag Racing Association list at nedra.com accessed 5 July 2006.
Batterie
Le Batterie ricaricabili utilizzate nei veicoli elettrici includono la pila zinco-aria, l’ accumulatore piombo-acido (”innondate” e VRLA), il NiCd, il tipo a NiMH, le litio-ione, le Li-ion polimero.
Le batterie sono tipicamente il componente più costoso dei BEV. Sebbene il costo di fabbricazione della batteria sia elevato, l’ aumento della loro produzione può portare ad un abbassamento dei costi nel momento in cui la produzione dei BEV avesse le stesse dimensioni della attuale produzione dei veicoli a combustione interna. Le nuove tecnologie di produzione delle batterie, competitive in termine di costo con i motori a combustione interna, consentiranno un importante abbassamento dei costi nel momento in cui decadranno i relativi brevetti
A partire dalla fine degli anni 90, lo sviluppo di nuove tecnologie per le batterie è stato pilotato dalla impetuosa crescita della domanda di computer portatili e di telefoni cellulari, con la richiesta da parte dei consumatori di schermi più larghi e più luminosi e di batterie di durata più lunga; ciò ha pilotato la ricerca e lo sviluppo in quel settore. Il mercato dei BEV ha utilizzato i progressi ottenuti in quel settore. Se il mercato dei BEV dovesse crescere esso contribuirà alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecnologie relative alle batterie.
Carica
Le batterie delle vetture elettriche devono essere ricaricate periodicamente (vedi anche Sostituzione delle batterie, più sotto). Le VE solitamente vengono caricate dalla rete elettrica. In questo caso l’energia è generata da una varietà di risorse come il carbone, l’energia idroelettrica, l’olio combustibile o il gas naturale o infine, fuori d’Italia l’energia nucleare.
Le batterie possono essere ricaricate mentre il veicolo viene guidato grazie al freno rigenerativo. Sono sono state sperimentate alcune fonti di energia ausiliarie, come la cella fotovoltaica.
Nell’ auto ibrida l’elettricità può essere prodotta da un generatore mosso da un motore a combustione interna. Anche se non si tratta in senso stretto di una BEV, la concept car Ford Reflex dispone di celle fotovoltaiche all’esterno per aiutare ad alimentare il suo sistema di potenza ibrido.
Il tempo di ricarica viene determinato principalmente dalla corrente trasmissibile da parte della connessione alla rete elettrica. La potenza normalmente disponibile in una presa di corrente domestica va da 1.5 kW (negli USA, Canada, Giappone, e paesi con tensione 110 V) fino a 3-6 kW (in paesi con corrente a 240 V). In Italia è abbastanza comune il contratto 6kW di connessione alla rete, ma si potrebbe evidentemente utilizzare correnti più alte. Si pensi che i carrelli elevatori, la cui maggioranza è azionata da un motore elettrico, ricaricano batterie da 6-700 Ah in pochissime ore con connessioni a prese dell’ordine di 10 - 12 kW]].
Al livello di 10 Kw, anche ricaricare una piccola batteria di 250 Ah (20,4– 50 Km), richiederebbe circa un ora. Questo è davvero poco rispetto alla velocità nel fornire potenza di una normale pompa di benzina, che può fornire 5.000 kilowatt. Anche se la potenza somministrata fosse maggiore, molte batterie non accettano la carica a velocità maggiori rispetto al loro tasso di ricarica (”C1″). (Questo implica che se oggi fate la coda per rifornire la vostra auto di benzina, per ricaricare la batteria del vostro BEV la coda sarà da 50 a 500 volte più lunga !)
Sistemi per la ricarica veloce
Nel 1995, alcune stazioni di carica, ricaricavano le VE in un ora. Nel novembre del 1997, la Ford acquistò un sistema di ricarica-veloce prodotto dalla AeroVironment chiamato “PosiCharge” per sperimentarlo nella sue flotte sperimentali di VE Ranger, che riuscivano a caricare i loro accumulatori piombo-acido in tempi tra i sei e quindici minuti. Nel febbraio del 1998, la General Motors annuncia una versione del suo sistema “Magne Charge” che poteva ricare le batterie NiMH in circa dieci minuti, fornendo un autonomia da 96 a 160 km Anderson, C.D. and Anderson, J. (2005) “New Charging Systems” Electric and Hybrid Cars: a History (North Carolina: McFarland & Co., Inc.) ISBN 0-7864-1872-9, p. 121..
Nel 2005, la Toshiba aveva costruito un dispositivo portatile che dichiarava come capace di ricevere un ricarica del 80% circa 60 secondi Toshiba Corporation (2005) “Toshiba’s New Rechargeable Lithium-Ion Battery Recharges in Only One Minute” dichiarazione alla stampa in toshiba.co.jp (5 luglio 2006) . Aumentando queste caratteristiche di potenza alla scala della batteria da 65 Ah si avrebbe bisogno di un picco di potenza di circa 340 kW. Non è molto chiaro se questo tipo di batterie sarebbero ricaricate direttamente nei BEV, dal momento che la generazione di calore le renderebbe poco sicure.
A molte persone non serve una ricarica veloce perché ad una certa ora della giornata dispongono di sufficiente tempo (da 6 a 8 ore), di giorno nel parcheggio del luogo di lavoro, oppure di notte nel parcheggio di casa. Dal momento che durante la ricarica l’auto non deve essere vigilata, ci vuole meno di 1/2 minuto per attaccare alla presa oppure staccare il proprio veicolo. Molti guidatori di BEV preferirebbero rifornirsi a casa, evitando la congestione ed il vaiggio alla stazione di servizio. In alcune ditte “ecology-minded” alcuni parcheggi hanno delle prese di corrente per veicoli elettrici, provviste di sistemi di ricarica automatizzati.
Alimentazione dell’auto elettrica dalla colonnina (per conduzione o induzione)
La connessione dell’auto alla colonnina erogatrice può avvenire fondamentalmente in due modi:
- Per mezzo di un collegamento galvanico (accoppiamento conduttivo), costituito semplicemente da un cavo flessibile che termina in un connettore a tenuta. In questo caso verrebbe erogata corrente continua a bassa tensione, prodotta da un adeguato carica-batte
[News Tecnologia] One Laptop per Paolo