Diapositiva 1 - Vivere Ingegneria

Università degli Studi di Palermo
D.I.E.E.T.
Trazione elettrica veicolare: stato dell’arte ed
evoluzioni future
Lo stato dell’arte sui veicoli elettrici,
esperienze di ricerca e tendenze di mercato
Veicoli elettrici
Il veicolo elettrico è un’automobile con motore elettrico che utilizza
l’energia chimica immagazzinata in un “serbatoio” energetico
costituito da una o più batterie ricaricabili.
Le prime auto elettriche sono nate all’inizio del XIX secolo insieme
alle automobili a combustione poiché in quegli anni l’energia
elettrica era ormai di uso comune.
Nella prima metà dell’Ottocento, precisamente nel 1837, Davenport
realizzò un mezzo di trasporto costituito da un elettromagnete e da
un arpionismo.
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Veicoli elettrici
Solo nel 1865, Marcus installa un motore a scoppio a benzina su un
veicolo, perfezionato nel 1885 da Daimler.
Tuttavia, il motore a benzina non riesce inizialmente ad esprimere
la sua superiorità sui prototipi elettrici perché era sporco, rumoroso
e difficile da fare funzionare. Successivamente il palese limite della
capacità degli accumulatori e la scoperta di grossi giacimenti
petroliferi favorirono lo sviluppo del motore a combustione interna
e vengono abbandonati gli studi per scoprire un modo efficiente di
immagazzinare energia elettrica.
Nel 1899 Jenatzy supera il traguardo di 100 km/h con un veicolo
elettrico, mentre anche Bugatti nel 1908 costruisce una vettura
elettrica per uso personale.
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Veicoli elettrici
Le sperimentazioni continuate fino agli anni Venti non danno
risultati sperati, determinando un declino nell’interesse per i
veicoli elettrici.
Solo la seconda guerra mondiale è un periodo di ripensamento
per ovviare alla scarsità di combustibili da petrolio: pochi
privilegiati addirittura si fanno trasformare i veicoli
convenzionali con l’applicazione di motori elettrici.
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Veicoli elettrici
Negli anni Settanta, la nuova politica ecologica pone in modo
sempre più stringente il problema dell’inquinamento nelle
città per le quali non è sufficiente ricorrere a provvedimenti
limitanti (parzialmente o totalmente) la circolazione, ma
occorre ricorrere a sistemi innovativi di trasporto.
Nasce così un rinnovato interesse per il veicolo elettrico. Tale
veicolo, infatti, in quanto dotato di un sistema di trazione
costituito da un motore elettrico, che sostituisce il motore a
combustione interna, e da una batteria di accumulatori, che
sostituisce il carburante quale fonte di energia, non ha
emissioni nocive, non produce rumore e quindi non inquina.
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Veicoli elettrici
Attualmente circolano al mondo circa 700 milioni di veicoli e si
prevede che nei prossimi 50 anni il loro numero crescerà fino ai 2.5
miliardi. Questa prospettiva richiede il perseguimento di due
obiettivi:
 l’aumento dell’efficienza della conversione energetica da fonte
primaria a lavoro utile per la trazione dei veicoli per contenere
lo sfruttamento delle risorse primarie ad un livello accettabile
 il contenimento delle emissioni di agenti inquinanti nocivi nei
centri urbani per migliorare la qualità dell’aria nelle zone
densamente popolate.
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Veicoli elettrici
Il sistema di propulsione di un autoveicolo deve essere in grado di
erogare potenza in un ampio range di valori (ivi compresi i valori
negativi in frenatura).
Un normale motore a combustione interna difficilmente riuscirà a
mantenere un’efficienza ottimale in tutto il range di potenze
richiesto.
Oltre a ciò deve tenersi presente che la potenza negativa
corrispondente ai periodi di frenatura non può che essere dissipata,
non avendo a disposizione un sistema reversibile, e che le emissioni
di un motore a combustione interna sono molto influenzate dalla
dinamica di funzionamento, peggiorando sensibilmente quando si
abbia a che fare con brusche variazioni di regime come nei cicli
urbani.
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Veicoli elettrici
I veicoli eletrici hanno molti vantaggi rispetto ai tradizionali
veicoli a combustione interna (benzina, diesel). I principali
sono:
 riduzione dei consumi di carburante,
 basse emissioni inquinanti e funzionamento silenzioso
 Possibilità di sfruttare la frenatura a recupero.
Esistono fondamentalmente due tipi di veicoli elettrici:
 veicoli elettrici “puri”, sono dotati del
solo motore elettrico con
il proprio sistema di batterie;
 veicoli elettrici “ibridi” utilizzano sia motori elettrici che motori
a combustione interna.
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Veicoli ibridi
Per veicolo ibrido si intende un veicolo in cui l’energia per la
propulsione può provenire da due o più sorgenti diverse.
Un veicolo ibrido elettrico è tale se almeno una delle suddette
sorgenti è in grado di fornire energia elettrica. Per evitare
confusione tra le molteplici configurazioni possibili di sistemi di
generazione e di accumulo, in letteratura si riserva il termine di
veicolo ibrido elettrico (Hybrid Electric Vehicle: HEV) al sistema
costituito da un motore a combustione interna ed un motore
elettrico (con ovviamente un sistema di accumulo).
Tale configurazione, attualmente la più matura, è anche quella che
consente di poter sviluppare veicoli innovativi senza necessitare la
creazione di una infrastruttura onerosa per la loro ricarica (veicoli
elettrici puri) o rifornimento (veicoli a celle a combustibile), ma
sfruttando la normale rete di rifornimento dei carburanti per
autotrazione.
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Veicoli ibridi
A seconda della topologia di bordo sono poi identificabili due
strutture di base dei veicoli ibridi che rispondono alle seguenti
classificazioni:
 Veicolo ibrido elettrico serie: è un veicolo ibrido elettrico in cui la potenza
meccanica di propulsione è fornita esclusivamente da un motore elettrico,
 Veicolo ibrido elettrico parallelo: è un veicolo ibrido elettrico in cui la potenza
meccanica di propulsione può essere fornita da più sistemi di conversione
(motore elettrico e motore a combustione interna).
L’ibrido serie si avvicina al principio di un veicolo elettrico puro a
cui sia stata data la possibilità di effettuare la ricarica a bordo con
un sistema di generazione.
L’ibrido parallelo è invece molto più simile ad un veicolo
tradizionale in cui il motore elettrico coopera con quello a
combustione interna per coprire i picchi di richiesta e consentire il
recupero in frenatura.
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Veicoli elettrici
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Veicoli ibridi
I due propulsori sono adatti a coesistere in quanto hanno
caratteristiche complementari.
Il
motore a combustione interna trasforma l'energia
chimica del combustibile (di notevole densità energetica e
facilmente approvvigionabile dalla rete di rifornimento) con
una efficienza accettabile, in particolare in alcuni punti di
funzionamento.
Il motore elettrico invece converte con maggiore efficienza
e versatilità una piccola quantità di energia presente a bordo
del veicolo.
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Veicoli ibridi
In base al grado di ibridazione (potenza del propulsore
elettrico rispetto alla potenza totale installata) e alla capacità
del sistema di propulsione ibrido di immagazzinare energia
elettrica, si definiscono informalmente tre livelli di
ibridazione:
 Ibridazione piena (full hybrid): il sistema elettrico è in grado da solo
di far avanzare il veicolo su un ciclo di guida normalizzato,
prescindendo dall'autonomia delle batterie;
 Ibridazione leggera (mild hybrid): il modo di funzionamento
puramente elettrico non è in grado di seguire per intero un ciclo di
guida normalizzato;
 Ibridazione minima (minimal hybrid): normalmente confusa con la
propulsione tradizionale munita di funzione stop and start, è
caratterizzata da una limitata percorrenza in modalità elettrica pura e
da un minor grado di ibridazione.
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Veicoli ibridi
Una speciale famiglia dei veicoli elettrici ibridi sono i cosi detti veicoli
elettrici plug - in, cioè dei veicoli elettrici con batterie ricaricabili che
possono essere pienamente ricaricate semplicemente collegandole ad una
presa elettrica esterna come quelle presenti in casa.
Potenziali vantaggi:
 si sfrutta la produzione di energia elettrica dalla rete fissa, a rendimento


particolarmente elevato, specie se la ricarica è effettuata di notte
è possibile utilizzare un mix di produzione dell’energia che contenga anche fonti di
tipo rinnovabile
(oggi) si può sfruttare una situazione fiscalmente molto favorevole all’uso di energia
elettrica
Svantaggi:
 È richiesto un accumulo particolarmente capiente perché i vantaggi siano

significativi
Per l’utilizzo del plug-in è necessaria la disponibilità nel punto di parcheggio di una
presa elettrica, cosa che oggi raramente avviene.
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Veicoli ibridi
ibrido parallelo
(ibrido minimo con ISA)
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Veicoli ibridi
Honda Insight IMA
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ibrido parallelo
(ibrido minimo con ISA)
Veicoli ibridi
Honda Civic Hybrid
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Veicoli ibridi
Honda Insight Hybrid
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Veicoli ibridi
BMW ActiveHybrid 7
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Veicoli ibridi
Toyota Prius II
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Veicoli ibridi
Toyota Prius II (azionamento detto THS II)
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Veicoli a celle a combustibile
Un promettente sviluppo a medio termine dei veicoli ibridi è il
veicolo a celle a combustibile che consente di migliorare
ulteriormente le efficienze di conversione delle fonti primarie
e di abbattere drasticamente le emissioni di agenti inquinanti.
Lo scoglio maggiore da superare, oltre alla maturazione della
tecnologia delle celle, è l’approvvigionamento del
combustibile, ovvero dell’idrogeno.
Data la caratteristica fondamentale delle celle a combustibile
di essere dei generatori di energia elettrica, l’unica struttura
possibile è quella di un veicolo ibrido serie.
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Fuel Cell CAr
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Prospettive e tendenze di mercato
Mai come oggi l’attenzione sull’auto elettrica è stata così viva.
Dopo una gestazione di oltre trenta anni questa opzione, la
sola potenzialmente in grado di migliorare radicalmente
l’ambiente delle nostre città, riemerge allo stesso tempo come
la soluzione più efficace per il contenimento dei gas serra e
per ridurre la dipendenza dai prodotti petroliferi. A questo
rinnovato interesse si è giunti attraverso la convergenza di più
fattori concomitanti: la pressione ambientale ed energetica, il
progredire della tecnologia delle batterie e la lenta presa di
coscienza dell’industria dell’auto che ha gradatamente
interiorizzato l’esigenza di un cambiamento del proprio DNA
che passi dalle tecnologie elettriche.
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Prospettive e tendenze di mercato
L’annuncio di una imminente offerta di prodotti da parte di
molte grandi case produttrici non deve però suggerire che si
sia già pronti ad una rapida diffusione di massa; i temi ancora
aperti sono almeno tre.
Il primo la vita delle batterie. Dalle prime auto ibride
prototipali alla loro proposizione su vasta scala (nell’ultimo
anno ne sono state prodotte 450000) sono trascorsi parecchi
anni di sperimentazioni sul campo, per convalidare e affinare
le tecnologie ma soprattutto per raggiungere la certezza di
potere attribuire un adeguato periodo di garanzia alle batterie.
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Prospettive e tendenze di mercato
Per l’auto a batteria o l’ibrida ricaricabile (plug-in), che
pongono alle batterie condizioni operative anche più severe,
occorrono analoghe certezze, oggi fortemente incoraggiate
dai positivi risultati di laboratorio e dai test dimostrativi.
Ma sembra ragionevole e comprensibile, che prima di
affrontare gli enormi investimenti di un mercato di massa,
l’industria voglia attendere le certezze che verranno dal campo
attraverso la progressiva introduzione di appropriati
quantitativi su dimensioni pilota.
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Prospettive e tendenze di mercato
Il secondo tema è l’infrastruttura di ricarica. L’applicazione di
massa richiederà, oltre alla ricarica privata, anche una rete di
rifornimento pubblico in parcheggi e aree pubbliche o
condivise, sviluppata di concerto tra il mondo dell’auto, le
utilities elettriche e le amministrazioni pubbliche; una rete
collocata in un mercato globale con veicoli di taglie e
caratteristiche diverse, che si muoveranno quantomeno a
livello interregionale.
Da qui, forti vincoli di standardizzazione (un ingrediente
fondamentale) e l’esigenza di soluzioni “intelligenti” con
capacità di comunicazione tra veicoli e infrastruttura.
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Prospettive e tendenze di mercato
Occorre inoltre identificare le esigenze di allacciamento,
identificare l’utente e provvedere alla fatturazione dei consumi
e anche pensare in una prospettiva di uso delle batterie come
accumulo distribuito accessibile alle utilities, per gestire il
flusso di energia in modo bidirezionale.
Ma la stessa connotazione e pianificazione del sistema
richiede ancora analisi e risposte: quale ricarica? Ricarica più
o meno lenta fatta nottetempo che può assicurare lo
stoccaggio in batteria di 200 km senza richiedere adeguamenti
alle reti di distribuzione né alla generazione elettrica? O,
piuttosto, una ricarica rapida misurabile in minuti invece che
ore, che aumenterebbe l’attrattività e il mercato dell’auto
elettrica?
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Prospettive e tendenze di mercato
In una decina di minuti le batterie litio ioni possono
reintegrare in batteria parecchie decine di chilometri, ma in
questo caso il carico gravante sulla rete elettrica potrebbe
richiederne il potenziamento; e, soprattutto, mancano ancora
esperienze consolidate sulla vita delle batterie qualora questa
procedura di rifornimento diventasse la regola. Un ulteriore
opzione potrebbe essere la sostituzione rapida delle batterie,
che presuppone però una straordinaria capacità di accordo e
standardizzazione tra le case automobilistiche in merito alla
taglia delle batterie, al loro alloggiamento sui veicoli, alle
modalità di estrazione e sostituzione. L’assieme delle
esperienze pilota oggi avviate su tutti questi fronti permetterà
di delineare meglio i tratti dell’infrastruttura.
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Prospettive e tendenze di mercato
Il terzo tema è quello economico. Anche dando per certo che
a regime l’economia complessiva dell’auto elettrica raggiunga
l’area della competitività (magari con un maggior
investimento iniziale, riequilibrato però da un minor costo di
esercizio) e quindi l’accettazione da parte della domanda, si
pone il problema dell’avvio del mercato, con prezzi più alti. A
fronte dei pregi di sostenibilità sociale che verrebbe dalla
diffusione massiva, e che si traduce in definitiva in minori
costi collettivi, la mano pubblica potrebbe assumere a proprio
carico, in una fase iniziale, parte degli extracosti sotto forma
di incentivazioni economiche.
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Prospettive e tendenze di mercato
Ma anche in presenza di un embrione di infrastruttura, anche
in presenza di sostegni economici che paghino i sovraccosti,
non è da dare per scontato un facile sviluppo del mercato che
raggiunga spontaneamente volumi sufficienti ad incoraggiare
l’offerta. La motivazione ambientalista, per quanto più sentita
che in passato, potrebbe di per sé essere insufficiente, perché
il passaggio a questo nuovo modello di mobilità si deve
misurare con motivazioni culturali di abitudini, di praticità (la
ricarica), di prestazioni meno attraenti dei veicoli. Esaurita
una fase introduttiva di domanda spinta dalla curiosità, da
atteggiamenti di status e immagine o anche solo dall’appeal
estetico dei nuovi mezzi, vi è il rischio di un allentamento di
interesse.
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Prospettive e tendenze di mercato
Occorrerebbe allora anche su questo versante, e almeno nella
fase di impulso iniziale al mercato, mettere in opera interventi
che concretamente vengano percepiti in termine di valore
aggiunto e di motivazione individuale: una politica di
regolamentazione locale della mobilità che ponga
convintamente al centro l’esigenza di stimolare e privilegiare
le soluzioni autenticamente sostenibili quali sono le
“emissioni zero”, intervenendo sulla regolamentazione delle
soste, sull’accesso alle zone a traffico limitato, sugli orari di
carico e scarico delle merci, favorendo fortemente i veicoli
puliti e sanzionando quelli più inquinanti, utilizzando i
consueti strumenti dell’incoraggiamento e del divieto.
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Prospettive e tendenze di mercato
La sinergia di tutto questo – infrastruttura, copertura degli
extracosti, regolamentazione della mobilità – può dare in
definitiva apporti non meno rilevanti di quelli delle tecnologie,
come è del resto confermato dal nascere in molti paesi di
Piani Nazionali a favore dei veicoli elettrici, che accanto al
sostegno al mercato dell’auto si preoccupano proprio
dell’attivare iniziative di avvio del mercato. L’Italia è stata tra i
precursori in Europa della mobilità elettrica, mantenendo per
lungo tempo una posizione di tutto rilievo alla quale aveva
contribuito una ragionevole politica di sostegno. La situazione
attuale, ambientale ed energetica, del Paese ripropone con
forza l’esigenza di una azione organica ed integrata per il
sostegno della mobilità elettrica, al pari di quanto sta già
avvenendo nel resto d’Europa.
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