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 i vantaggi si moltiplicano. E’ proprio quello che si ottiene 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 proporzione la potenza necessaria ad accelerare il veicolo o a farlo viaggiare in salita. E naturalmente il fabbisogno di potenza aumenta ancora di più se le accelerazioni sono 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 anche 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 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 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.


La Tesla
C’è già la prima vera auto elettrica. 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.

Le auto elettriche prossime venture
Però la Tesla, essendo un’auto sportiva, ha un mercato limitato. Però stanno diventando elettriche anche le auto di grande serie.
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 quella 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 sono 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. Come si può leggere nel sito della Fiat, quest’auto percorre 100 Km con un (1) Euro di energia elettrica!
E’ un dato quasi incredibile, ma che si può spiegare da una parte con il fabbisogno di energia molto più contenuto, e dall’altra con il fatto che questa energia viene dal gas naturale (che alimenta le centrali elettriche), che non è gravato dalle tasse che rendono così costosa la benzina.
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. Inoltre di gas naturale o di metano ne servirà molto di meno. E i consumi potrebbero diminuire ancora di più se venisse usata dappertutto, come a Torino, l’acqua di raffreddamento delle centrali elettriche per scaldare case e uffici. Il rendimento di questi impianti, già molto alto, salirebbe dal 58% al 75% e oltre, e con esso l’efficienza delle auto elettriche.
Infine ci sarebbe ancora una altro beneficio in termini di riduzione dei 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. Molte auto elettriche potranno ricaricare le batterie di notte usando questa energia elettrica inutilizzata.
Considerati i consumi molto più bassi, la maggiore efficienza delle centrali a turbogas e l’uso dell’energia prodotta in più di notte, il risparmio energetico potrebbe anche eguagliare i consumi attuali di carburante! Ed è tutto petrolio che non dovremo più importare dall’estero, il cui costo oggi impoverisce la nostra economia. E poi ci sono i benefici ambientali: crollano i consumi di energia, diminuiscono ancora di più le emissioni di anidride carbonica e viene azzerato l’inquinamento da polveri sottili. Infine diminuirà anche il traffico delle petroliere che solcano i mari e gli oceani.
In questo momento il costo delle auto elettriche è ancora alto. Per esempio la 500 elettrica, al netto degli incentivi, costa 26.000 Euro. Però nel giro di pochi anni compariranno sul mercato i nuovi modelli di batterie molto più performanti, sia in termini di costi che di prestazioni. Nel frattempo 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.