I VANTAGGI DELLA TRAZIONE ELETTRICA

 
Se aumentano dimensioni, peso e velocità, il fabbisogno di potenza delle auto cresce in maniera esponenziale. Viceversa, limitando la velocità a valori che comunque sono prossimi a quelli massimi permessi in autostrada e riducendo il peso il più possibile, i vantaggi si moltiplicano. E’ quello che si potrebbe ottenere con la trazione elettrica. In più il motore elettrico è vantaggioso perché consuma di meno alle basse velocità e ha una riserva di potenza aggiuntiva che può arrivare a raddoppiare le sue prestazioni.
Sono tre le forze che si oppongono all’avanzamento di un veicolo: la resistenza dell’aria, l’attrito dovuto al rotolamento delle ruote, e la forza d’inerzia nelle accelerazioni e la forza di gravità nelle salite.
 
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 venti o trenta 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 maniera proporzionale la potenza necessaria ad accelerare il veicolo o a farlo viaggiare in salita. E naturalmente il fabbisogno di potenza aumenta ancora di più con le accelerazioni sempre più spinte. Questa 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, che a sua volta richiede un motore ancora più grosso ecc. 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 velocemente.
L’aumento del peso del veicolo ha poi la conseguenza di far crescere in pari misura 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 forte peso, grandi dimensioni e accelerazioni brucianti, richiedono potenze sempre 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 è molto alto, come la maggior parte dei SUV (in compenso le ruote di maggiore diametro fanno diminuire un po’ l’attrito). 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 l’asfalto, i pneumatici vengono gonfiati (o sgonfiati?) a meno di 2 atmosfere. Ciò aumenta ancora di più la superficie di contatto con la strada, che a sua volta aumenta ancora di più l’attrito e il fabbisogno di potenza. Ecco spiegato perché i SUV da 2 / 3 tonnellate, e che possono andare alla velocità di 180 / 200 km/h, hanno (bisogno di) potenze 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 dei 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 raffrescamento, 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. E 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 deve essere 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’auto del futuro
Ci sono due strade che portano all’auto elettrica. Una è quella seguita dalla Tesla. La Tesla è una vera auto elettrica perché, a differenza delle ibride, non ha più il motore termico ma solo quello elettrico. Per avere una sufficiente autonomia (350 / 400 Km) sia la carrozzeria che le parti strutturali sono in alluminio. Questo, insieme ai vantaggi della trazione elettrica, compreso il recupero dell’energia delle frenate, riduce il fabbisogno di potenza in misura tale da rendere sufficienti le batterie che l’auto può portare a bordo. Però, sia il costo dell’alluminio che quello delle batterie, rendono la Tesla piuttosto costosa. Un costo che può essere giustificato per un’auto sportiva dalle brillanti prestazioni, per le quali non è necessaria della potenza aggiuntiva.
Però, affinché quest’auto possa conquistare nicchie di mercato sempre più grandi, fino a coprire una quota significativa del mercato, è necessario che nei prossimi anni migliorino molto le prestazioni delle batterie, sia in termini di maggiore capacità che di costi. Anzi, moltissimo, perché dovrebbero compensare anche il maggior costo dell’alluminio.
C’è però un’altra strada per arrivare all’auto elettrica, anche se è ancora da verificare. Una possibilità da verificare, ma che è anche una delle direzioni più interessanti verso cui indirizzare la ricerca.
Come riferisce l’art. di LeScienze del mese di febbraio 2012 a firma di Ezio Puppin, Daniel Schechtman nell’anno 2011 ha vinto il premio Nobel per la chimica per avere scoperto i quasi cristalli. Sono leghe a base di alluminio nelle quali gli atomi sono disposti secondo una inedita simmetria pentagonale che si ripete ad intervalli. Questa scoperta è importante perché ci si può aspettare che questi nuovi materiali esibiscano delle proprietà inedite e interessanti. E in effetti è proprio così perché, a detta dell’articolo, con alcuni quasi cristalli si possono fabbricare delle termocoppie così efficienti nella trasformazione del calore in elettricità da pensare di usarle nella normale produzione elettrica. Ma se questo è vero, è ancora più interessante la possibilità di trasformare il calore in elettricità a bordo di un’auto, in modo da realizzare una vera auto elettrica.
Le termocoppie sfruttano l’effetto Seebeck; quelle normali hanno rendimenti del 5 / 6%, ma con alcuni particolare materiali si può arrivare al 7 / 8%. Però, disponendo alcune termocoppie in serie come viene fatto con i veicoli spaziali che si allontanano molto dal Sole e non possono usare i pannelli fotovoltaici, questo rendimento può essere moltiplicato. Un flusso di aria calda investe l’estremità di una prima termocoppia (l’altra è raffreddata dal freddo siderale). Una parte di questo calore si trasforma in elettricità. Ma l’aria in uscita è ancora molto calda e investe una seconda termocoppia, poi una terza, una quarta, una quinta … E ogni volta viene prodotta un po’ meno energia elettrica, ma che si somma. Alla fine il rendimento viene moltiplicato di alcune volte.
Con questi nuovi materiali si dovrebbero ottenere rendimenti finali del 50 / 60%, competitivi con quelli delle grandi centrali, ma con impianti senza parti in movimento e che potrebbero essere anche molto piccoli, e che potrebbero sfruttare qualsiasi fonte di calore, per esempio dell’energia geotermica. E forse si scoprirebbe che si sarebbero potuto costruire delle auto elettriche già 50 anni fa. Sarebbe stato sufficiente raggiungere un rendimento complessivo del 20 / 25%, che è quello di un motore a benzina, ma con in più tutti i vantaggi della trazione elettrica. E forse con queste nuove termocoppie si potrebbero alimentare delle auto elettriche anche senza costruirle tutte in alluminio. Quindi fin dall’inizio delle auto elettriche economiche in grado di sostituire le auto convenzionali più diffuse.
Queste nuove auto elettriche consumerebbero forse solo un terzo del carburante o combustibile. Avrebbero quindi un piccolo serbatoio di metano (o di propano – butano), un sistema a termocoppie e il motore elettrico. Quello che bisogna verificare è quanto grande e pesante dovrebbe essere il sistema a termocoppie per produrre l’energia elettrica minima sufficiente per alimentare un’automobile, e specialmente un’auto utilitaria, in modo da sostituire fin dall’inizio una quota consistente dell’attuale parco macchine.
Queste auto costerebbero troppo poco? E’ questo il problema? Però, per aumentarne il valore, e accontentare l’industria automobilistica, bisognerebbe andare in direzioni diverse dal continuo aumento delle dimensioni, della potenza e dei consumi. Lo si può fare incorporando nelle auto dei dispositivi per l’assistenza alla guida fino ad arrivare alla guida automatica, in modo da soddisfare anche le esigenze degli automobilisti. Inoltre l’industria dovrebbe puntare sulle finiture di lusso, sul comfort e l’intrattenimento.
Per il resto, il fatto che i consumi si riducano ad un terzo, e che siano costituiti dal molto più economico (e pulito) gas naturale, farebbe risparmiare agli automobilisti quasi tutto il costo del carburante, e quindi aumenterebbe la loro propensione a spendere di più per l’acquisto di una nuova automobile.
Ecco, questa è l’auto del futuro.