Chi uccide l’auto elettrica
october 2011 by abeggi
Tutte le case automobilistiche mondiali sono impegnate in percorsi ecologici, molti dei quali includono lo sviluppo dell’auto elettrica. L’assente probabilmente più noto in materia è FIAT, come più volte chiarito da Marchionne, ma anche altri.
A parole, tutti concordano che l’auto elettrica è una di quelle cose che farebbe bene all’ambiente. Nei fatti, pochissimi ne comprano una. Nonostante gli incentivi, infatti, dall’inizio dell’anno infatti le vendite di Nissan Leaf e Chevrolet Volt – campioni della categoria – negli Stati Uniti si sono fermate a solamente circa 10mila unità, in Italia i veicoli elettrici immatricolati nel 2011 sono stati 103. Per darvi un paragone, negli USA si vendono circa 10 milioni di veicoli all’anno mentre solo in Italia si vendono quasi 200mila FIAT Punto all’anno (1).
Non è la prima volta che l’auto elettrica è sembrata pronta al debutto. All’inizio degli anni 90, General Motors, grazie ai sussidi dell’amministrazione Clinton, introdusse sul mercato americano l’elettrica EV1. Ma nonostante le numerose richieste di noleggio e i feeback positivi degli utenti, i 5000 pre-ordini si tramutarono in solo 50 acquirenti, motivo che indusse GM a sospendere la produzione del veicolo, generando furiose polemiche con ambientalisti e complottisti.
Le previsioni elaborate dai centri di ricerca sul numero di veicoli elettrici in circolazione nel futuro prossimo sono una di quelle cose dove regna il disaccordo più totale. Per il 2020, infatti, gli studi prevedono una diffusione dell’auto elettrica (o ibrida plug-in) che va dallo zerovirgola fino al 25 per cento del totale. Per il 2050 ancora peggio: le percentuali di vendite stimate variano dal 20 all’80 per cento. Questo accade perché le stime vengono generalmente fatte ragionando sul fronte della domanda. Si stima cioè la disponibilità dei consumatori a pagare di più per prodotti ecologici e si tramuta questa disponibilità in numero di veicoli venduti. Coi risultati di cui sopra.
Il problema è che il prezzo, anche se conta, non è tutto. Ragionando sul fronte dell’energia le cose diventano molto più chiare. Insomma, vendite al 10 o 20 per cento del totale del mercato significa considerare l’auto elettrica un prodotto di massa, maturo al pari di GPL e metano, e come tale deve essere attrezzato per autonomia, infrastrutture e consumi. La domanda da porsi dunque è: quali sono le condizioni tecnologiche per una motorizzazione di massa basata sull’auto elettrica?
Il problema dell’auto elettrica
La Nissan Leaf è stata eletta Car of the Year 2011 qualche mese fa ed è oggi probabilmente l’auto elettrica più diffusa. Simile per dimensioni e peso alla Volkswagen Golf, la prenderemo a modello da qui in avanti. Andiamo direttamente al nocciolo del problema dell’auto elettrica: la batteria, o, meglio, il suo costo e l’autonomia che garantisce. La batteria della Leaf è di quelle moderne agli ioni di litio: capacità 24 kWh, ha un costo stimato di 18mila dollari (2) e consente di percorrere circa 120 o 130 chilometri, decisamente pochi. Per cui, data la mancanza di una infrastruttura di ricarica, o si pianificano attentamente gli spostamenti o si corre il concreto rischio di rimanere per strada. In pratica, un’autonomia così limitata è un limite molto pesante alla flessibilità d’utilizzo e mal si adatta alla moderna società dei trasporti. A peggiorare le cose, i test mostrano che con un “pieno elettrico”, cioè con la batteria carica, l’autonomia varia da 75 a 220 chilometri in diverse modalità di utilizzo (3). Questa incertezza ha originato il fenomeno della “range anxiety”, la paura di rimanere a piedi, magari nel momento meno opportuno, per inaspettato esaurimento della batteria.
I motivi sono facilmente spiegabili. In un’auto che viaggia a velocità costante – ignoriamo per ora accelerazioni e frenate – l’energia viene usata per compensare le perdite dovute a essenzialmente quattro motivi:
- Resistenza dell’aria;
- Resistenza di rotolamento delle ruote (quella che vi evita di finire dritti in curva quando sterzate);
- Perdite nella trasmissione (inverter, motore, cambio, cuscinetti);
- Perdite ausiliarie (luci, display, ventole di raffreddamento, eccetera).
I primi due termini sono quelli più importanti. Ad alte velocità, infatti, l’energia viene essenzialmente usata per vincere la resistenza dell’aria, che aumenta come il quadrato della velocità. Raddoppiando la velocità, si spende quattro volte più energia per vincere la resistenza dell’aria. A basse velocità, invece, l’energia viene essenzialmente consumata dall’attrito delle ruote, proporzionalmente al peso dell’auto. Il calcolo preciso di questi termini è molto complesso e richiede la conoscenza di molti parametri generalmente noti solo ai costruttori. Per chiarire le dinamiche in gioco, però, anche un calcolo semplificato è sufficiente allo scopo.
La tabella sotto mostra l’energia usata della Nissan Leaf per percorrere 100 km a velocità costante e la relativa autonomia. Guardatela bene, poi facciamo alcune considerazioni.
Energia
A basse velocità (50 km/h) la resistenza dell’aria conta poco. Come scritto sopra. Il consumo dell’auto è basso e l’autonomia è di circa 175 km. A velocità medie (80 km/h) la resistenza dell’aria comincia a farsi sentire: l’energia usata aumenta del 50 per cento e l’autonomia cala di conseguenza a 130 km. Questo valore è molto vicino all’autonomia media segnalata dagli utenti – tra i 120 e i 140 km – a conferma della funzionalità del modello. Ad alta velocità (120 km/h) l’autonomia crolla a 90 km, come confermato da utenti americani. La ragione, come scritto sopra, è la resistenza dell’aria, che aumenta come il quadrato della velocità e fa impennare i consumi.
Allora basta andare piano? In fondo, dove si arriva in due ore si arriva anche in quattro. Non così in fretta. Primo perchè in autostrada a 50 km/h non potete proprio andare. Inoltre, tenere anche una più moderata velocità di 80 km/h vuol dire farsi sorpassare di continuo dai camion. Chiunque sia mai stato in autostrada sa bene quanto questa situazione sia pericolosa. In pratica, in autostrada siete obbligati a tenere una velocità sostenuta, aumentando i consumi e limitando l’autonomia dell’auto elettrica. Va aggiunto che in molti paesi europei l’autostrada è una scelta obbligata negli spostamenti extraurbani. Per quanto riguarda la guida cittadina le cose non vanno meglio. E’ vero che la velocità è generalmente ridotta, ma è anche vero che frenate e accelerazioni costano energia – e molto, nonostante il parziale recupero in decelerazione o col sistema Start-Stop – e sono molto più frequenti che non in autostrada (semafori, pedoni, ingorghi, eccetera). Insomma, anche in città ben difficilmente l’autonomia supera i soliti 120 o 130 km.
La grande differenza della batteria rispetto alla benzina sta nella densità di energia accumulabile e quindi nell’autonomia garantita al veicolo. Numeri alla mano, le moderne batterie agli ioni di litio hanno una capacità di circa 140 Wh/kg, mentre la densità di energia della benzina è di 12000 Wh/kg, 80 volte maggiore. Questo è da sempre l’enorme vantaggio della benzina sull’elettricità, e il motivo per cui la mobilità si è sviluppata attorno alla prima: perchè la benzina contiene molta più energia e, conseguentemente ma non solo, è più pratica da trasportare.
Intendiamoci, è possibile che domani le cose cambino. Togliendo tutti i camion dalle autostrade e abbassando i limiti di velocità le cose potrebbero volgere a favore dell’auto elettrica. O la scoperta di una nuova batteria con capacità due o tre volte maggiore degli ioni di litio (e costo possibilmente al di sotto della stratosfera). Purtroppo oggi nessuna di queste è in vista nel breve periodo. Il che sottolinea, ce ne fosse bisogno, l’importanza della ricerca.
Peso e materiali
Maggiore il peso dell’auto maggiori i consumi e, dunque, minore l’autonomia. Probabilmente lo sapete tutti. Questo avviene perchè il peso dell’auto grava sugli pneumatici che, quando si deformano, dissipano energia sotto forma di calore. La Nissan Leaf pesa circa 1500 chili, di cui quasi 200 di batterie. Raddoppiando la batterie si raddoppiano anche le perdite, oltre a raddoppiarne il prezzo per l’utente (e son altri 18mila dollari). La maggior parte del peso deriva dall’acciaio di cui è costituita la carrozzeria. Chi pensa che sia lusso e ostentazione si sbaglia. Il peso della carrozzeria deriva principalmente dagli standard di sicurezza, per evitare di passare a miglior vita al primo incidente.
Per ridurre il peso dell’auto è possibile usare materiali avanzati quali – in ordine crescente di costo e decrescente di peso – acciai ad alta resistenza, leghe di alluminio e plastica riforzata con fibra di carbonio (CFRP). L’acciaio ad alta resistenza è già usato nelle auto di segmento medio alto, l’alluminio è usato per le parti strutturali degli aerei e le CFRP nelle auto di Formula Uno.
La Tesla Roadster è probabilmente l’auto elettrica più avanzata esistente. Aerodinamica sportiva, dimensioni ridotte (è una due posti), costruita in alluminio e CFRP, monta una batteria da 53 kWh, più del doppio della Leaf. Nonostante la batteria pesi 400 kg, grazie all’impiego dei materiali avanzati la Roadster pesa solamente 1200 kg ed ha un’autonomia di oltre 400 Km. Tutto perfetto, se non fosse il prezzo: 100mila dollari. Oltre alla batteria, purtroppo anche i materiali avanzati costano un sacco.
La sfida del peso dunque si gioca non solo sul fronte delle batterie, ma anche sui materiali avanzati. La strategia intrapresa da alcune case automotibilistiche (tra cui BMW e Audi) mira a introdurre i materiali avanzati nel mercato di massa, riducendone il costo tramite nuovi sistemi produttivi. Purtroppo la pos[…]
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A parole, tutti concordano che l’auto elettrica è una di quelle cose che farebbe bene all’ambiente. Nei fatti, pochissimi ne comprano una. Nonostante gli incentivi, infatti, dall’inizio dell’anno infatti le vendite di Nissan Leaf e Chevrolet Volt – campioni della categoria – negli Stati Uniti si sono fermate a solamente circa 10mila unità, in Italia i veicoli elettrici immatricolati nel 2011 sono stati 103. Per darvi un paragone, negli USA si vendono circa 10 milioni di veicoli all’anno mentre solo in Italia si vendono quasi 200mila FIAT Punto all’anno (1).
Non è la prima volta che l’auto elettrica è sembrata pronta al debutto. All’inizio degli anni 90, General Motors, grazie ai sussidi dell’amministrazione Clinton, introdusse sul mercato americano l’elettrica EV1. Ma nonostante le numerose richieste di noleggio e i feeback positivi degli utenti, i 5000 pre-ordini si tramutarono in solo 50 acquirenti, motivo che indusse GM a sospendere la produzione del veicolo, generando furiose polemiche con ambientalisti e complottisti.
Le previsioni elaborate dai centri di ricerca sul numero di veicoli elettrici in circolazione nel futuro prossimo sono una di quelle cose dove regna il disaccordo più totale. Per il 2020, infatti, gli studi prevedono una diffusione dell’auto elettrica (o ibrida plug-in) che va dallo zerovirgola fino al 25 per cento del totale. Per il 2050 ancora peggio: le percentuali di vendite stimate variano dal 20 all’80 per cento. Questo accade perché le stime vengono generalmente fatte ragionando sul fronte della domanda. Si stima cioè la disponibilità dei consumatori a pagare di più per prodotti ecologici e si tramuta questa disponibilità in numero di veicoli venduti. Coi risultati di cui sopra.
Il problema è che il prezzo, anche se conta, non è tutto. Ragionando sul fronte dell’energia le cose diventano molto più chiare. Insomma, vendite al 10 o 20 per cento del totale del mercato significa considerare l’auto elettrica un prodotto di massa, maturo al pari di GPL e metano, e come tale deve essere attrezzato per autonomia, infrastrutture e consumi. La domanda da porsi dunque è: quali sono le condizioni tecnologiche per una motorizzazione di massa basata sull’auto elettrica?
Il problema dell’auto elettrica
La Nissan Leaf è stata eletta Car of the Year 2011 qualche mese fa ed è oggi probabilmente l’auto elettrica più diffusa. Simile per dimensioni e peso alla Volkswagen Golf, la prenderemo a modello da qui in avanti. Andiamo direttamente al nocciolo del problema dell’auto elettrica: la batteria, o, meglio, il suo costo e l’autonomia che garantisce. La batteria della Leaf è di quelle moderne agli ioni di litio: capacità 24 kWh, ha un costo stimato di 18mila dollari (2) e consente di percorrere circa 120 o 130 chilometri, decisamente pochi. Per cui, data la mancanza di una infrastruttura di ricarica, o si pianificano attentamente gli spostamenti o si corre il concreto rischio di rimanere per strada. In pratica, un’autonomia così limitata è un limite molto pesante alla flessibilità d’utilizzo e mal si adatta alla moderna società dei trasporti. A peggiorare le cose, i test mostrano che con un “pieno elettrico”, cioè con la batteria carica, l’autonomia varia da 75 a 220 chilometri in diverse modalità di utilizzo (3). Questa incertezza ha originato il fenomeno della “range anxiety”, la paura di rimanere a piedi, magari nel momento meno opportuno, per inaspettato esaurimento della batteria.
I motivi sono facilmente spiegabili. In un’auto che viaggia a velocità costante – ignoriamo per ora accelerazioni e frenate – l’energia viene usata per compensare le perdite dovute a essenzialmente quattro motivi:
- Resistenza dell’aria;
- Resistenza di rotolamento delle ruote (quella che vi evita di finire dritti in curva quando sterzate);
- Perdite nella trasmissione (inverter, motore, cambio, cuscinetti);
- Perdite ausiliarie (luci, display, ventole di raffreddamento, eccetera).
I primi due termini sono quelli più importanti. Ad alte velocità, infatti, l’energia viene essenzialmente usata per vincere la resistenza dell’aria, che aumenta come il quadrato della velocità. Raddoppiando la velocità, si spende quattro volte più energia per vincere la resistenza dell’aria. A basse velocità, invece, l’energia viene essenzialmente consumata dall’attrito delle ruote, proporzionalmente al peso dell’auto. Il calcolo preciso di questi termini è molto complesso e richiede la conoscenza di molti parametri generalmente noti solo ai costruttori. Per chiarire le dinamiche in gioco, però, anche un calcolo semplificato è sufficiente allo scopo.
La tabella sotto mostra l’energia usata della Nissan Leaf per percorrere 100 km a velocità costante e la relativa autonomia. Guardatela bene, poi facciamo alcune considerazioni.
Energia
A basse velocità (50 km/h) la resistenza dell’aria conta poco. Come scritto sopra. Il consumo dell’auto è basso e l’autonomia è di circa 175 km. A velocità medie (80 km/h) la resistenza dell’aria comincia a farsi sentire: l’energia usata aumenta del 50 per cento e l’autonomia cala di conseguenza a 130 km. Questo valore è molto vicino all’autonomia media segnalata dagli utenti – tra i 120 e i 140 km – a conferma della funzionalità del modello. Ad alta velocità (120 km/h) l’autonomia crolla a 90 km, come confermato da utenti americani. La ragione, come scritto sopra, è la resistenza dell’aria, che aumenta come il quadrato della velocità e fa impennare i consumi.
Allora basta andare piano? In fondo, dove si arriva in due ore si arriva anche in quattro. Non così in fretta. Primo perchè in autostrada a 50 km/h non potete proprio andare. Inoltre, tenere anche una più moderata velocità di 80 km/h vuol dire farsi sorpassare di continuo dai camion. Chiunque sia mai stato in autostrada sa bene quanto questa situazione sia pericolosa. In pratica, in autostrada siete obbligati a tenere una velocità sostenuta, aumentando i consumi e limitando l’autonomia dell’auto elettrica. Va aggiunto che in molti paesi europei l’autostrada è una scelta obbligata negli spostamenti extraurbani. Per quanto riguarda la guida cittadina le cose non vanno meglio. E’ vero che la velocità è generalmente ridotta, ma è anche vero che frenate e accelerazioni costano energia – e molto, nonostante il parziale recupero in decelerazione o col sistema Start-Stop – e sono molto più frequenti che non in autostrada (semafori, pedoni, ingorghi, eccetera). Insomma, anche in città ben difficilmente l’autonomia supera i soliti 120 o 130 km.
La grande differenza della batteria rispetto alla benzina sta nella densità di energia accumulabile e quindi nell’autonomia garantita al veicolo. Numeri alla mano, le moderne batterie agli ioni di litio hanno una capacità di circa 140 Wh/kg, mentre la densità di energia della benzina è di 12000 Wh/kg, 80 volte maggiore. Questo è da sempre l’enorme vantaggio della benzina sull’elettricità, e il motivo per cui la mobilità si è sviluppata attorno alla prima: perchè la benzina contiene molta più energia e, conseguentemente ma non solo, è più pratica da trasportare.
Intendiamoci, è possibile che domani le cose cambino. Togliendo tutti i camion dalle autostrade e abbassando i limiti di velocità le cose potrebbero volgere a favore dell’auto elettrica. O la scoperta di una nuova batteria con capacità due o tre volte maggiore degli ioni di litio (e costo possibilmente al di sotto della stratosfera). Purtroppo oggi nessuna di queste è in vista nel breve periodo. Il che sottolinea, ce ne fosse bisogno, l’importanza della ricerca.
Peso e materiali
Maggiore il peso dell’auto maggiori i consumi e, dunque, minore l’autonomia. Probabilmente lo sapete tutti. Questo avviene perchè il peso dell’auto grava sugli pneumatici che, quando si deformano, dissipano energia sotto forma di calore. La Nissan Leaf pesa circa 1500 chili, di cui quasi 200 di batterie. Raddoppiando la batterie si raddoppiano anche le perdite, oltre a raddoppiarne il prezzo per l’utente (e son altri 18mila dollari). La maggior parte del peso deriva dall’acciaio di cui è costituita la carrozzeria. Chi pensa che sia lusso e ostentazione si sbaglia. Il peso della carrozzeria deriva principalmente dagli standard di sicurezza, per evitare di passare a miglior vita al primo incidente.
Per ridurre il peso dell’auto è possibile usare materiali avanzati quali – in ordine crescente di costo e decrescente di peso – acciai ad alta resistenza, leghe di alluminio e plastica riforzata con fibra di carbonio (CFRP). L’acciaio ad alta resistenza è già usato nelle auto di segmento medio alto, l’alluminio è usato per le parti strutturali degli aerei e le CFRP nelle auto di Formula Uno.
La Tesla Roadster è probabilmente l’auto elettrica più avanzata esistente. Aerodinamica sportiva, dimensioni ridotte (è una due posti), costruita in alluminio e CFRP, monta una batteria da 53 kWh, più del doppio della Leaf. Nonostante la batteria pesi 400 kg, grazie all’impiego dei materiali avanzati la Roadster pesa solamente 1200 kg ed ha un’autonomia di oltre 400 Km. Tutto perfetto, se non fosse il prezzo: 100mila dollari. Oltre alla batteria, purtroppo anche i materiali avanzati costano un sacco.
La sfida del peso dunque si gioca non solo sul fronte delle batterie, ma anche sui materiali avanzati. La strategia intrapresa da alcune case automotibilistiche (tra cui BMW e Audi) mira a introdurre i materiali avanzati nel mercato di massa, riducendone il costo tramite nuovi sistemi produttivi. Purtroppo la pos[…]
october 2011 by abeggi