Mobilità urbana sostenibile: l'evoluzione dell'auto elettrica

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Pochi sanno che il primo veicolo elettrico fu costruito nel 1848 dallo statunitense Moses Farmer. In Europa il pioniere della mobilità sostenibile fu l’inglese J.K. Starley, con un modello costruito nel 1888. Grazie ad internet ed al Museo dell’Automobile di Compiègne, un paesino a pochi km da Parigi, molti possono ripercorrere l’evoluzione di questi veicoli escoprire che la prima automobile capace di superare “la barriera dei 100 km/h” fu elettrica. Piuttosto dovremmo dire “è elettrica”, in quanto laJamais Contente (Mai Contenta, n.d.r.) esiste ancora e la possiamo ammirare perfettamente conservata nel menzionato museo francese. Si dice che fu battezzata così dal suo creatore, l’ingegnere–imprenditore–corridore belga Camille Jenatzy, in onore al carattere capriccioso di sua moglie.
Foto in alto – La Jamais Contente nel Musée de la Voiture et du Tourisme, Château de Compiègne – Oise (Francia).

Camille era figlio d’un fabbricante di pneumatici e aveva fondato una fabbrica di veicoli elettrici vicino a Parigi nel 1888. Il suo business model era estremamente moderno: mettere a disposizione veicoli in stazioni di ricarica, simili a quelle che oggi chiameremmo “colonnine”. L’idea era di consentire agli utenti di noleggiare a poche monete tali veicoli opportunamente distribuiti nell’area urbana per i propri spostamenti, con il vantaggio di poterli lasciare nella colonnina più vicina alla propria destinazione. La geniale proposta era ciò che oggi chiameremmo car sharing e guardava già ad un modello di mobilità urbana sostenibile. Il suo principale concorrente era un fabbricante di carrozze, veicolo molto diffuso allora e che fungeva da “taxi” a prezzi molto competitivi. La motivazione di Jenatzy per costruire un “bolide” elettrico era dunque un moderno tentativo di marketing: nessun veicolo trainato da cavalli avrebbe potuto mai essere così veloce come i suoi prodotti.

Fu cosí che il 29 aprile (o il 1 maggio, secondo altre fonti) del 1899, ad Achères, una località vicino Parigi, la Jamais Contente raggiunse i 105,882 km/h, polverizzando il record che il conte Gaston de Chasseloup–Laubat (92,78 km/h ) aveva raggiunto il 4 marzo 1899 con un veicolo sempre elettrico, ma meno aerodinamico e forse anche più pesante. Jenatzy, chiamato Il Diavolo Rosso per la sua barba ed il suo temperamento, rimase invitto fino al 1902, anno in cui una vettura a vapore, con il francese Léon Serpollet alla guida, instaurò un nuovo record con… 120 km/h. Da quel momento lo sviluppo tecnologico si concentrò sui motori termici, passando in pochi anni da quelli a vapore alle più pratiche vetture con motore Otto o Diesel.

La Jamais Contente aveva un’autonomia di soltanto 1 km (era stata progettata per battere record, non per diventare un’ utilitaria). È dotata di 2 motori da 25 kW in corrente continua direttamente accoppiati alle ruote posteriori (concetto ripreso oggi dai più moderni veicoli ibridi ed elettrici). Le sue batterie originali (al piombo) pesavano circa 750 kg. La carrozzeria a forma di siluro (tutta una rivoluzione in un’epoca in cui le autovetture erano più simili alle carrozze a cavalli) è fatta in lega dialluminio, anche questo un accorgimento che colloca Janetzy diversi decenni avanti rispetto ad altri ingegneri del suo tempo. Il veicolo è piuttosto piccolo, ma pesa 1500 kg.

NIHIL NOVUS SUB SOLIS

È cambiato davvero qualcosa in 114 anni? I principali problemi ancora irrisolti per riuscire a sviluppare un veicolo elettrico concorrenziale sono ancora il peso e il costo delle batterie, la loro bassa densità energetica(quindi una ridotta autonomia) ed il lungo tempo necessario per la ricarica. Bisogna inoltre considerare il fattore culturale, che rimane immutato dai tempi di Jenatzy: il pubblico vuole anche velocità.
Il fatto sorprendente è nel costatare che Jenatzy tutto sommato fece un lavoro egregio visti i mezzi che aveva a disposizione. Ai suoi tempi le uniche batterie che si potessero chiamare tali erano quelle al piombo, la cui densità energetica è compresa fra 30 e 50 Wh/kg, e le sue, probabilmente non raggiungevano i 25 Wh/kg, mentre con la tecnologia moderna le batterie ione–litio offrono densità energetiche oltre i 110–160 Wh/kg.

Se oggi rimpiazzassimo il banco di batterie originale della Jamais Contente con lo stesso peso di batterie Li–ion, senza apportare altre modifiche, la vettura sarebbe capace di percorrere 240 km alla sua velocità di 100 km/h. Rimpiazzando i motori a CC con moderni motori controllati da inverter, forse riusciremmo a toccare i 300 km di autonomia. Se la compariamo con il più estremo dei veicoli attuali 100% elettrici, ilVenturi Fetish, non troveremo molta differenza quanto a prestazioni: 160 km di autonomia alla velocità di 160 km/h o 240 km d’autonomia con un ciclo misto, purtroppo con un prezzo al pubblico da supersportiva a benzina, 240 mila euro.

PERCHÈ L’INTERESSE DEL PUBBLICO SI CONCENTRA SULLE MACCHINE ELETTRICHE?

Sempre a proposito di mobilità sostenibile (privata), abbiamo comparato due autovetture a benzina uguali ma con diversi motori, per capire in cosa risiedesse la difficoltà di rendere la mobilità indipendente dai combustibili fossili. Quando si comparano macchine elettriche con macchine a combustione la situazione è un po’ più complessa: in un’auto elettrica i motori sono accoppiati direttamente alle ruote, mentre nelle auto a combustione fra motore e ruote ci sono il cambio, la trasmissione ed il differenziale. Tutti questi ingranaggi, interposti fra l’albero motore e le ruote, disperdono dal 50% al 60% dell’energia meccanica in forma di calore per attrito.
Una macchina elettrica, a parità di peso e resistenza aerodinamica, richiede solo la metà (o perfino il 40%) della potenza motrice di un motore a combustione ad esso equivalente per raggiungere le stesse prestazioni in termini di accelerazione e velocità massima. Malgrado tutte queste inefficienze, tipiche dei sistemi puramente meccanici, sommate alla limitazione termodinamica dei cicli Otto e Diesel (rendimenti attorno al 35%) ed al maggiore peso dei motori a combustione interna, i combustibili fossili offrono comunque densità energetiche circa 35 volte superiori alle migliori batterie Li–ion oggi disponibili. È dunque la maggiore densità del vettore energetico, benzina o gasolio, che rende le prestazioni delle automobili convenzionali difficili da battere.

Prendiamo come esempio la Panda a benzina: la sua potenza è di 40 kW. Se la compariamo con la Panda elettrica,la sua potenza di 15 kW risulta essere solo il 37,5% della “cugina” a benzina, nonostante la capacità di accelerazione e velocità massima dei due modelli siano paragonabili.

Mi è stato chiesto una volta se le auto elettriche davvero emettono meno CO2 delle omologhe a benzina o gasolio. Per poter rispondere al quesito con argomenti ragionevoli, immaginiamo di comparare una Panda elettrica con una a benzina, considerando un percorso di 600 km nelle stesse condizioni. Da un punto di vista teorico, possiamo iniziare i nostri calcoli assumendo 36 ldi consumo come benchmark. Posto il PCI della benzina pari a 43,7 MJ/kg e assumendo per approssimazione una densità di 0,8, allora la percorrenza dei 600 km con l’auto a benzina richiede un’energia primaria pari a 36 l * 0,8 kg/l * 43,7 MJ/kg = 1258,56 MJ (349,6 kWh di energia termica). Dato che il rendimento termodinamico del motore è circa il 35%, l’energia meccanica erogata dall’albero motore durante il percorso ipotizzato risulta pari a 0,35 * 349,6 = 122,36 kWh .

Assumiamo, ottimisticamente, il 50% di rendimento medio delle trasmissioni. Ciò vuol dire che alle ruote motrici arrivano solo 61,18 kWh di energia meccanica che effettivamente muove il veicolo.Supponiamo inoltre che i 600 km siano stati percorsi in una pista perfettamente orizzontale, senza mai toccare il freno, in modo da non dover complicare ulteriormente i calcoli. Se ora immaginiamo di dover realizzare lo stesso esperimento con una Panda elettrica nelle stesse condizioni, possiamo rifare i calcoli a ritroso, partendo dall’energia necessaria per imprimere alle ruote il moto per percorrere lo stesso tragitto nelle stesse condizioni. Essendo che un motore asincrono ad alto rendimento della potenza di 15 kW ha un rendimento pari al 92% (Classe EFF1 o I.E.3 ), l’energia elettrica assorbita dal motore durante l’intero tragitto è dunque: 61,18 / 0,92 = 66,5 kWh.

Assumiamo che il rendimento dell’inverter sia del 97%, dunque l’energia estratta dalla batteria risulta 66,5/0,97 = 68,55 kWh.Più difficile è stimare il rendimento di carica della batteria al litio. Assumiamo conservativamente che il sistema caricatore–batteria abbia un’efficienza complessiva dell’80%, quindi l’energia prelevata dalla rete risulta 68,55/0,8 = 85,7 kWh. L’efficienza della rete nazionale, secondo quanto stabilito dal DM 05/09/2011, si assume pari a 0,46. Quindi l’energia primaria consumata dallo Stato italiano per produrre 85,7 kWh –necessari per caricare la Panda con la presa di corrente affinchè percorra i 600 km ipotizzati, equivale a 85,7 kWh / 0,46 = 186,29 kWh.

Secondo le ipotesi suddette, una Panda elettrica consuma effettivamenteil 53% dell’energia primaria (fossile) che consumerebbe la sua omologa a benzina per percorrere la stessa distanza nelle stesse condizioni di guida, quindi emette (indirettamente) il 53% della CO2 di un’auto convenzionale.Va sottolineato che se ripetessimo i calcoli con il mix energetico della rete elettrica di qualsiasi altro Paese, probabilmente i risultati sarebbero diversi in quanto ogni Paese, per questioni storiche e scelte politiche proprie, dipende in maggiore o minore misura dai combustibili fossili per la produzione di energia elettrica.

Possiamo dunque dare per scontata la supremazia delle autovetture elettriche, almeno in termini di sostenibilità?

 

Mario Rosato

Mario Rosato Ingegnere

La sua passione sono le soluzioni soft tech per lo sviluppo sostenibile, possibilmente costruite con materiale da riciclaggio. Un progetto per quando andrà in pensione: costruire un'imbarcazione a propulsione eolica capace di andare più veloce del vento in ogni direzione.

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