I VANTAGGI DELLA TRAZIONE ELETTRICA

Sono tre le forze che si oppongono all’avanzamento di un veicolo: la resistenza dell’aria, l’attrito dovuto al rotolamento delle ruote, la forza d’inerzia nelle accelerazioni e la forza di gravità nelle salite.
Se aumentano dimensioni, peso e velocità, il fabbisogno di potenza delle auto si moltiplica. Viceversa, limitando la velocità a valori che comunque sono prossimi a quelli massimi permessi in autostrada e riducendo il peso, a moltiplicarsi sono i vantaggi. E’ proprio quello che si ottiene con la trazione elettrica. Inoltre il motore elettrico trasforma l’elettricità in movimento rotatorio con un’efficienza del 90%. Infine il motore elettrico è vantaggioso alla partenza e alle basse velocità e ha una riserva di potenza aggiuntiva che può arrivare a raddoppiare le sue prestazioni.


Resistenza dell’aria. All’aumentare della velocità, la potenza necessaria per vincere la resistenza dell’aria aumenta in maniera esponenziale. Per esempio, un veicolo che viaggia a 50 km/h, con una sezione di 2 metri quadrati e un coefficiente di penetrazione di 0,5, ha bisogno di una potenza di 1,7 kW. Se la velocità aumentasse a 100 km/h, la potenza necessaria salirebbe a 5,8 kW, a 130 km/h a 11,5 kW ecc.


Attrito delle ruote. Il secondo fattore che si oppone all’avanzata del veicolo è l’attrito delle ruote. Esso non varia al variare della velocità, è direttamente proporzionale alla superficie dei pneumatici a contatto con la strada e al peso del veicolo, ed è inversamente proporzionale al raggio delle ruote. A sua volta la superficie a contatto con la strada dipende dalla pressione delle gomme. Normalmente le gomme hanno una pressione che va da 1,8 a 2,4 atmosfere. In molti casi la pressione potrebbe essere più alta, fino a 4 atmosfere (com’era fino a qualche decina di anni fa), cosa che ridurrebbe l’attrito delle ruote e quindi i consumi.


Forza d’inerzia e forza di gravità. Sia la forza d’inerzia che la forza di gravità si oppongono al moto del veicolo durante le accelerazioni e le salite, e ambedue sono direttamente proporzionali al peso dell’auto.


Il fabbisogno di potenza dei SUV.
All’aumentare del peso, aumenta in proporzione la potenza necessaria ad accelerare il veicolo o a farlo viaggiare in salita. La potenza aggiuntiva richiede un motore più grosso, oppure un motore capace di un numero di giri più alto. Ma se aumenta il peso del motore, aumenta ancora di più il peso del veicolo, e quindi la potenza necessaria ad accelerarlo. D’altra parte aumentare il numero dei giri significa avere più potenza a parità di dimensioni del motore, ma significa anche che nell’unità di tempo ci sono più cicli di combustione e che il carburante viene consumato più in fretta.
L’aumento del peso del veicolo ha anche la conseguenza di aumentare l’attrito delle ruote. Anche qui si tratta di aumenti del fabbisogno di potenza che provocano altri aumenti, che vanno a sommarsi a quelli necessari per le accelerazioni e le salite.
Infine la resistenza dell’aria aumenta in misura esponenziale in funzione dell’aumento della velocità. La resistenza dell’aria però aumenta ancora di più se i veicoli diventano più larghi e più alti. E a velocità molto elevate il fabbisogno di potenza per vincere la resistenza dell’aria diventa enorme. Velocità molto spinte, combinate con un grande peso, grandi dimensioni e accelerazioni brucianti, richiedono potenze enormemente più grandi. Potenze più grandi richiedono, di nuovo, motori molto più grossi e pesanti, che a loro volta fanno sì che il veicolo abbia bisogno di una potenza ancora maggiore.
Inoltre, all’aumentare della velocità, aumentano anche i problemi di tenuta di strada; problemi che aumentano ancora di più se il veicolo ha il baricentro più alto, come la maggior parte dei SUV (in compenso le ruote di maggiore diametro fanno diminuire un po’ l’attrito sull’asfalto). Aumenta quindi la necessità di avere pneumatici con maggiore aderenza e quindi con un battistrada più largo. Per aumentare l’aderenza, e anche per ottenere un contatto più morbido con la strada, i pneumatici vengono gonfiati (o sgonfiati?) a meno di 2 atmosfere. Ciò aumenta ancora di più l’attrito degli pneumatici sull’asfalto e quindi il fabbisogno di potenza. Ecco spiegato perché i SUV di 2 / 3 tonnellate e che possono viaggiare a 180 / 200 km/h, hanno bisogno di centinaia di cavalli.


I vantaggi della leggerezza.
Al contrario, se ci si muove nella direzione opposta, sono i vantaggi che si moltiplicano.
Se si riduce il peso di un’utilitaria da 1.000 a 500 chili e se si porta la pressione degli pneumatici a 4 atmosfere, la forza contraria dell’attrito si riduce a 2,5 kW. Il dimezzamento del peso dimezza anche la potenza necessaria nelle accelerazioni e nelle salite. Se poi la velocità massima viene contenuta a 120 km/ora, anche la potenza necessaria per vincere la resistenza dell’aria viene contenuta a dimensioni ancora modeste: 9 kW. Altra energia serve per il sistema di riscaldamento e ancora di più per il sistema di raffreddamento, fino a 3 kW.
Questo in sostanza significa che un’auto di 500 chili e 120 km/ora di velocità massima, avrebbe bisogno di una potenza di circa 13 kW, che corrispondono a 17,7 cavalli vapore (1 CV = 735 W).
Ma la trazione elettrica rende possibili ulteriori risparmi nei consumi di carburante nelle condizioni tipiche del traffico urbano, e prestazione particolarmente brillanti alle velocità più alte.
Il motore elettrico sviluppa la stessa coppia motrice a tutti i regimi di giri, non ha quindi bisogno del cambio, e l’energia che consuma è esattamente proporzionale alla potenza che trasmette alle ruote. E alle velocità maggiori, quando eroga tutto il suo potenziale nominale, ha ancora a disposizione una grande riserva di potenza.


Il motore elettrico.
Circa il 10% dell’elettricità che arriva al motore si trasforma in calore dovuto alla resistenza dei fili elettrici. Il restante 90% viene convertito in energia meccanica. Se il calore non viene interamente dissipato, la temperatura aumenta fino a danneggiare la resina isolante degli avvolgimenti, e a questo punto il motore “fonde”.
Quindi la potenza può aumentare finché i lamierini e la carcassa del motore riescono a dissipare il calore dei fili elettrici che formano gli avvolgimenti. Oppure si può dire che la potenza massima viene raggiunta quando la temperatura aumenta fino a un punto di equilibrio tra il calore che viene prodotto e quello che viene dissipato. Pertanto se aumenta l’efficienza con cui il calore viene dissipato, per esempio grazie ad un sistema di raffreddamento a liquido, la potenza del motore può ancora aumentare.
Questa è la potenza che un motore elettrico può esprimere quando funziona in maniera continuativa. Questa è la sua potenza nominale. Se diamo più corrente elettrica, il calore non viene interamente smaltito, la temperatura progressivamente sale, finché nel giro di qualche minuto il motore fonde.
Tutto questo però significa che, in caso di necessità, è possibile aumentare per brevi periodi la potenza di un motore elettrico senza alcun pericolo. Un limitatore automatico di corrente, collegato ad un termometro, impedisce al motore di avvicinarsi troppo al punto di fusione.
I motori normali reggono circa il doppio della corrente continuativa (cioè la corrente può essere aumentata – per brevi periodi - finché il ferro che incanala il campo magnetico giunge a saturazione; oltre la corrente cresce senza aumentare il campo magnetico, e diventa incontrollabile).
Di fatto questo significa che la potenza di un motore elettrico può aumentare del 50% per una quarantina di secondi, o del 100% per circa 20 secondi. Una potenza aggiuntiva che rende il motore elettrico particolarmente brillante, e che potrebbe essere usata, per esempio, durante un sorpasso quando l’auto già corre alla sua massima velocità.
Si tratta di un grande vantaggio rispetto al motore a scoppio il quale, per raggiungere le stesse prestazioni, dovrebbe avere una potenza nominale doppia, e consumare poi in proporzione a tutti i regimi di giri.


Altri vantaggi della trazione elettrica.
In città, dove si svolge l’80% del traffico auto, l’uso del cambio è più frequente, e durante le cambiate viene dispersa molta energia. Ma la presa diretta del motore elettrico, oltre ad essere più comoda, elimina queste perdite. Ugualmente quando l’auto a trazione elettrica è ferma al semaforo oppure si muove a passo d’uomo nel traffico intasato, essa consuma esattamente l’energia di cui ha bisogno in quel momento, mentre il motore a scoppio è sempre acceso e tenuto al minimo. E un minimo abbastanza alto da consumare un bel po’ di carburante.
Ma ci sono vantaggi anche per gli spostamenti fuori città e in autostrada, perché non essendoci più gli organi della trasmissione, anche la parte inferiore della carrozzeria può essere resa piana e liscia in modo da aumentare la penetrazione aerodinamica, can vantaggi che sono tanto più grandi quanto maggiore è la velocità.


L’era delle auto elettriche
Diverse Case automobilistiche hanno già messo in produzione i primi modelli di vere auto elettriche, che non sono più solo delle city car. Per esempio la 500 elettrica della Fiat ha un’autonomia di 320 Km e di oltre 400 in città: quasi quella delle auto normali. E anche le altre prestazioni non sono da city car. La velocità massima è di 150 Km/ora. Considerato che in autostrada non si possono superare i 130 Km/ora, i 20 in più servono per i sorpassi. Infatti non c’è bisogno di una maggiore potenza o di velocità superiori per dare brillantezza alle prestazioni, perché il motore elettrico è già di per sé brillante. Le batterie agli ioni di litio si possono ricaricare all’80% in 35 minuti nei punti attrezzati, e ce ne sono già migliaia. Mentre una ricarica completa con la corrente di casa richiede 4 ore. Ma il dato più interessante riguarda i consumi. Prima dell’attuale crisi energetica dovuta alla guerra in Ucraina, nel sito della FIAT si poteva leggere che quest’auto percorre 100 Km con un (1) Euro di energia elettrica!
E’ un dato quasi incredibile, ma che si può spiegare con il fabbisogno di energia molto più contenuto e con la grande efficienza del motore elettrico. Un altro dato positivo è che i consumi vengono trasferiti da un combustibile peggiore, il petrolio, ad uno migliore, che non inquina e che produce meno anidride carbonica. E i consumi del metano per alimentare le centrali elettriche potrebbero diminuire ancora di più se venisse usata dappertutto, come a Torino, l’acqua di raffreddamento delle centrali per scaldare case e uffici in inverno. Il rendimento di questi impianti, già molto alto, salirebbe da quasi il 60% al 75% in ragione d’anno, e con esso l’efficienza delle auto elettriche che usano la loro energia.
Infine c’è ancora un altro modo per ridurre i consumi. Di notte e nei giorni non lavorativi la domanda di energia elettrica crolla. Però le centrali elettriche non possono essere spente alla sera e riaccese alla mattina: queste sono operazioni complesse che durano delle ore e che logorano gli impianti. Per questo le centrali vengono portate al minimo, ma anche così, specialmente nelle ore più profonde della notte, producono più energia di quella che il mercato richiede. Energia che oggi rimane inutilizzata e che le auto elettriche che fanno la ricarica di notte potrebbero usare.
Considerati il basso livello dei consumi, la maggiore efficienza delle centrali a turbogas e l’uso dell’energia prodotta di notte e non utilizzata, il risparmio della trazione elettrica potrebbe persino eguagliare gli attuali consumi di benzina! Ed è tutto petrolio che non dovremo più importare dall’estero, il cui costo impoverisce la nostra economia. E poi ci sono i benefici ambientali: se diminuiscono i consumi delle auto, diminuiscono ancora di più le emissioni di anidride carbonica e viene azzerato l’inquinamento da polveri sottili.
Le Case produttrici si stanno già preparando. La Fiat Chrysler ha appena stretto un accordo con la Peugeot e con la cinese Dongfeng per costituire il gruppo Stellantis, che sarà il quarto produttore di auto del mondo, proprio in vista dell’elettrificazione del mercato delle automobili. E c’è già almeno un paese, la Gran Bretagna, che ha deciso che entro il 2030 tutte le sue auto dovranno essere elettriche.