Quando nel 1860 un giovanissimo Antonio Pacinotti costruì, nei laboratori dell’Università di Pisa, il dispositivo, il famoso“Anello di Pacinotti”, che consentiva di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica, e viceversa, in modo pratico ed efficiente, si aprì una nuova età per l’ingegneria, che in breve avrebbe rivoluzionato il mondo della produzione e dei servizi. Dinamo e motori elettrici concentravano infatti potenze elevate in poco spazio ed in aggiunta la corrente continua si trasmetteva a distanza in modo semplice, pulito e silenzioso, collegando le officine di generazione ai punti di utilizzo.
Alla scoperta di Pacinotti, sfruttata dal belga Gramme, ne seguirono molte altre ed alla fine del secolo, limitandosi alle applicazioni nel settore del trasporto, corazzate spinte da motori elettrici di grande potenza solcavano i mari, le prime metropolitane trasformavano le città europee e nordamericane, sulle strade l’auto elettrica contendeva il passo a quelle a benzina, in breve sembrava non ci fossero limiti alle applicazioni dell’elettricità nella movimentazione delle merci e delle persone.
Eppure, a distanza di molti decenni, la strada rimane il regno incontrastato dell’automobile tradizionale e solo recentemente le auto elettriche, volgarmente dette “a batteria”, hanno incominciato ad essere considerate una scelta concretamente possibile. Questo grazie ad una serie di miglioramenti tecnologici, soprattutto nel settore dell’accumulo elettrico, che di seguito si proveranno ad illustrare.
*_I veicoli elettrici “puri” e quelli ibridi_*
Perché i treni ad alta velocità sono a trazione elettrica e le automobili hanno motori endotermici?
La risposta è semplice, i treni possono alimentarsi da una linea esterna di trasmissione dell’energia, generalmente una catenaria o una terza rotaia, mentre un’auto ha bisogno di trasportare con se tutta l’energia necessaria al suo uso, e questo ha fortemente penalizzato le cosiddette “auto a batteria”, che di energia ne accumulano pochina.
Solo recentemente i dispositivi per l’accumulo a bordo dell’energia elettrica hanno migliorato significativamente le due prestazioni indispensabili in un veicolo a trazione elettrica autonoma, che sono:
* la quantità di energia che può essere immagazzinata in uno spazio limitato, equivalente a quello occupato dal serbatoio della benzina o del gasolio, e con un peso non eccessivo
* e la velocità con cui questa energia può essere erogata al motore.
In termini tecnici, parliamo di energia e potenza specifiche, per unità di volume e per unità di peso.
L’energia specifica della benzina è di 12 kWh per chilogrammo, quella delle batterie piombo-acido 30 Wh per chilogrammo e quindi, mentre un litro di benzina, in un motore, sviluppa 8400 Wh termici, una batteria di ugual peso, carica, eroga soltanto 24 Wh elettrici prima di scaricarsi completamente. In termini tecnici parliamo di energia e potenza specifica, per unità di peso e di volume.
Anche mettendo in conto il miglior rendimento del motore elettrico, circa 4 volte maggiore di quella del termico nell’uso normale, alla fine il rapporto tra l’energia disponibile alle ruote per le due automobili, quella tradizionale e quella elettrica, a parità di peso dell’accumulo energetico, è all’incirca uguale a 100. A parità di peso dedicato al serbatoio/accumulo, si ha quindi un uguale rapporto tra le percorrenze delle due vetture: dove un’auto diesel con un pieno percorre 900 chilometri, un’auto elettrica con 40-50 chilogrammi di batterie al piombo, peso equivalente al serbatoio del gasolio, ne percorrerebbe solo una decina.
Ed infatti le auto elettriche della passata generazione avevano bisogno di 3-400 chilogrammi di batterie al piombo-acido per consentire percorrenze dell’ordine di 70-80 chilometri!
Oggi, grazie agli sviluppi dell’elettrochimica (e delle tecnologie di fabbricazione, ed ancora di quelle di gestione e controllo, termico ed elettrico, di pacchi batteria formati da centinaia di celle elementari) l’energia specifica di una batteria per trazione di tecnologia Li-ione è 4-5 volte maggiore rispetto al piombo.
Conseguentemente il rapporto tra le percorrenze possibili con le due motorizzazioni, elettrica e tradizionale, sempre a parità di peso del serbatoio/accumulo, è diminuito dello stesso fattore, passando da 100 a 20.
Con 50 kg di batterie Li-ione è quindi possibile percorrere una quarantina di chilometri, ed accettando un peso 3-4 volte maggiore sono possibili autonomie di 120-160 chilometri.
Prestazioni così migliorate si accompagnano però a costi più alti, rispetto al piombo, dell’ordine degli 800-1000 Euro/kWh per le batterie Li-Io, che in caso di produzione di massa si ridurrebbero a 400 Euro/kWh. Una batteria da 30 kWh, taglia adeguata ad una vettura di classe C, costerà quindi circa 12.000 Euro.
E’ evidente che tale costo è difficilmente accettabile dall’utenza all’atto dell’acquisto del veicolo, mentre lo diviene spalmandolo sull’intera vita della batteria, considerato il minor costo d’esercizio del veicolo elettrico (2.5 Euro/100 km contro 7.1 Euro/100 km per il termico, dato di fonte Renault per autovettura di classe B).
Per questa ragione, insieme a considerazioni legate alla manutenzione di veicoli così innovativi rispetto a quelli tradizionali, che la formula che sembra più indicata per l’avvio della commercializzazione di questi mezzi è quella del leasing del pacco batterie, collegato magari alla modalità di rifornimento della vettura mediante sostituzione del pacco scarico con un pacco carico, o anche dell’intera vettura.
Il costo del leasing viene quindi compensato dai minori consumi energetici e dal carico fiscale (sul chilowattora) ridotto dell’energia elettrica rispetto a quello dei carburanti.
Ma peso e costo della batteria possono anche diminuire considerevolmente, e le strade possibili (e percorribili in parallelo) sono due: ridurre i consumi energetici dell’autovettura e/o accettare una autonomia ridotta tra due ricariche consecutive. I rifornimenti all’impianto fisso dovranno allora essere molto più rapidi dell’usuale ricarica notturna, qualche minuto rispetto a 6-8 ore, oppure avvenire a bordo del veicolo ogni volta che lo stato di carica della batteria scenda sotto una soglia di sicurezza, grazie ad un generatore che rende quindi il veicolo un “ibrido” termico-elettrico.
La ricarica rapida è particolarmente adatta al caso del trasporto pubblico locale, che consente una programmazione dei tempi di marcia e dei tempi di ricarica.
Considerando quindi veicoli leggeri specializzati per l’uso urbano, quello d’elezione della trazione elettrica, come city-car, micro vetture e veicoli leggeri a 2/3 ruote, i consumi energetici diminuiscono drasticamente, in proporzione alla riduzione di peso del mezzo, e diminuisce proporzionalmente peso e costo della batteria.
Ma anche per una autovettura media, se si accettano riduzioni consistenti dell’autonomia in solo elettrico, la batteria può essere piccola. Una batteria da 10 kWh, del costo quindi di 4000 Euro, consente solo 50 km in elettrico, e questi diventano accettabili se il tempo di ricarica si riduce a qualche minuto e ci siano infrastrutture di rifornimento di potenza adeguata e ben distribuite sul territorio, oppure se il veicolo è un ibrido, dove alla trazione elettrica si associa una motorizzazione termica.
L’ibridazione è una tecnologia ormai applicata da tutte le case automobilistiche, almeno nella sua declinazione minima, che permette il solo “start-and-stop”. Questo è il cosidetto “micro-ibrido”, che diventa “minimo” se c’è anche la funzione di integrazione del motore termico in ripresa, come ad esempio nell’Honda Insight o nella Mercedes S400. Per entrambe le auto, la batteria ha una capacità inferiore ad 1 chilowattora!
In alcuni modelli è possibile usufruire dei due propulsori anche separatamente, e quindi usare il solo elettrico per distanze brevi, come nella Prius, un “full hybrid”.
La General Motors, infine, ha sviluppato le Chevrolet E-Volt ed Opel Ampera, Fig.4, ibridi “serie/parallelo” con una batteria da 16 kWh ed autonomia in elettrico di 60 km. Queste auto possono essere considerate nell’uso “elettriche” a tutti gli effetti perché la strategia di controllo adottata mantiene spento il termico fino all’esaurimento della carica delle batterie. Sono perciò detti “E-Rev” (extended range electric vehicle) ed offrono il massimo dei vantaggi energetico-ambientali.
*_Il ruolo della ricerca nello sviluppo del settore_*
Molto rimane ancora da fare per l’industrializzazione dei veicoli elettrici, in particolar modo nel settore delle batterie. Una batteria, infatti, è costituita da più “moduli”, ciascuno dei quali costituiti da un certo numero di singole celle elettrolitiche. Ad esempio, la classica batteria piombo acido da 12 V, che costituisce un “modulo” quando è collegata ad altre per il raggiungimento della tensione di alimentazione del motore, è costituita da 6 celle elementari da 2 V collegate in serie, ed in passato l’assemblaggio del pacco si limitava a questo. Il passaggio dalla “cella” alla “batteria di trazione” non è più così semplice con le batterie di nuova generazione, perché richiede una serie di impianti ausiliari come il cosiddetto BMS, Battery Management System, con varie funzioni di monitoraggio e controllo, ed un sistema di raffreddamento dedicato, che prolunga la vita della batteria e ne consente il pieno sfruttamento delle potenzialità. I grandi produttori mondiali di batterie Li-Ione e Li-Metallo , che producono le singole “celle” per ogni tipo di applicazione (elettronica di consumo, stazionario, trazione, etc) e le grandi case automobilistiche hanno stretto accordi, spesso bilaterali e vincolanti, per lo sviluppo di batterie standardizzate per tipologia di veicolo, come ad esempio YUASA con Mitsubishi ed il gruppo PSA. Rimangono fuori i produttori minori e le applicazioni non stradali, tutto il mondo della piccola e media industria elettromeccanica e veicolistica che è il cuore del settore manifatturiero italiano.
Poiché la realizzazione di una batteria richiede l’integrazione di competenze elettrochimiche, termo meccaniche e controllistiche, sono necessarie attività di ricerca e sviluppo che favoriscano la creazione di una rete nazionale di competenze molto specialistiche (caratterizzazione in condizioni critiche, abuse test, prove vita, analisi di rischio), dello stesso tipo di quelle sviluppatesi in Giappone, Corea, Francia e Germania, a supporto dell’industria nazionale.
Ed è in questo settore che opera anche l’ENEA, fin dagli anni ’80. Le attività che ci impegnano al momento sono distribuite tra progetti nazionali, dove collaboriamo allo sviluppo di veicoli elettrici ed ibridi che vanno dai ciclomotori elettrici agli autobus articolati da 18 m, nelle versioni ibride ed elettrica a ricarica rapida, denominata ZeroFilo-Bus, ed europei, dove l’impegno maggiore è nell’elettrochimica e nelle attività ad essa connesse. _(per concessione del prof. Pietro Tundo)_