- scritto da Mario Rosato
- categoria Mobilità sostenibile
La mobilità urbana sostenibile: tra futurologi e limiti tecnologici
Per quanto esperti (veri), futurologi più o meno informati e “tuttologi” da internet pontifichino, o piuttosto tirino ad indovinare, sulla più probabile soluzione che ci consenterà di raggiungere la mobilità urbana davvero sostenibile, dobbiamo riconoscere che in più di 100 anni le tecnologie alternative al motore a combustione interna non si sono sviluppate alla stessa velocità chein altri settori
industriali. Il problema fondamentale da superare era, e rimane ancora, una barriera trascurata da molti: la densità di energia ottenibile con una data tecnologia. Purtroppo è impossibile prescindere dal ricorso al linguaggio tecnico, per cui al finale dell’articolo, i non addetti ai lavori troveranno un glossario che faciliterà loro la comprensione.
I concetti di “densità di energia” e “densità di potenza” sono di fondamentale importanza per capire la difficoltà di rendere la mobilità indipendente dai combustibili fossili. Niente è più utile di un esempio pratico per addentrarsi nella questione. Supponiamo di comparare due autovetture con identiche caratteristiche aerodinamiche, identiche gomme ed entrambe con un serbatoio di 50 l di benzina (il tipico caso di due auto dello stesso modello e serie, ma con motori diversi). L’autovettura che chiameremo “A” è dotata di un motore da 60 kW e pesa 1900 kg, mentre l’autovettura “B” ha invece un motore da 100 kW e pesa 2100 kg. La densità di potenza (il famoso rapporto “potenza/peso" per gli amanti della F1) sarà rispettivamente di 0,0316 kW/kg e 0,0476 kW/kg. Posto che entrambe hanno un serbatoio da 50 l, la quantità di energia disponibile è la stessa, ovvero 50 l x 12,21 kWh/kg x 0,73 kg/l = 445,7 kWh. La densità di energia disponibile risulta quindi pari a 0,234 kWh/kg per la vettura “A” e 0,212 kWh/kg per la vettura “B”.
Morale della favola: la vettura B sarà in grado di erogare accelerazioni più scattanti e raggiungere una velocità massima maggiore rispetto alla vettura A, ma per contro il suo consumo di benzina sarà maggiore.
La società moderna deve risolvere, assieme all’aumento della domanda di energia (intesa come valore assoluto di carburanti ed elettricità consumati annualmente) l’esigenza dei consumatori e dell’industria di possedere prodotti dotati di densità di potenza sempre maggiori. Se non ci credete, basti questo esempio: un I–Pad WiFi+Cellular ha una densità di potenza pari a 0,007 kW/kg. Sembra poco, ma è 7 volte più alta della densità di potenza che può erogare un uomo e quasi il doppio rispetto alla prima locomotiva a vapore, la Rocket di Robert Stephenson.
Purtroppo anche l’incapacità dell’essere umano di vivere in pace ha alimentato l’incremento delle prestazioni in tal senso, in quanto i veicoli e gli ordigni bellici hanno le più alte densità di potenza mai raggiunte fino ad ora. La grafica successiva ci mostra chiaramente come è aumentata la richiesta di macchinari sempre più potenti, ma allo stesso tempo sempre più compatti e leggeri, dall’era preindustriale fino ai nostri giorni. Osserviamo che la scala è logaritmica, quindi ogni divisione corrisponde ad una grandezza 10 volte superiore a quella precedente!
Ad esempio, un moderno aereo da combattimento ha una densità di potenza ben 6 volte superiore a quella di un ferro da stiro, e quasi 24 volte quella di un’autovettura sportiva.
È interessante anche osservare come l’invenzione del ferro da stiro (2kW/kg) – e la diffusione degli elettrodomestici in senso ampio – a partire dagli anni ’20 segna il vero energy boom della società occidentale moderna.
La trave portante per sostenere questa crescente domanda di prodotti sempre più compatti e potenti è stata, come noto, la disponibilità di combustibili fossili. Aldilà delle lobby petroliere e poteri occulti che hanno frenato lo sviluppo di tecnologie capaci di sostituire i combustibili fossili, esistono delle ragioni oggettive che tuttora rendono indispensabile il loro utilizzo come vettori energetici. La figura 2 mostra chiaramente il perché (di nuovo in scala logaritmica, ogni divisione è 10 volte maggiore della precedente!).
Osserviamo come i combustibili fossili, e derivati, presentino un buon compromesso fra densità di potenza volumetrica e densità di potenza massica, cioè occupano relativamente poco spazio e pesano poco. Possiamo osservare come l’idrogeno –tanto decantato dai futurologi, da qualche casa automobilistica d’oltralpe e da molti politici “esperti” autoproclamati– abbia una elevatissima densità di energia massica (pochi kg di H2 contengono tantissima energia) e allo stesso tempo abbia però una bassissima densità di energia volumetrica (un serbatoio di idrogeno ad alta pressione occupa molto più spazio che una tanica di benzina con la stessa capacità calorifica). Tali caratteristiche rendono l’idrogeno interessante come vettore energetico per applicazioni aeronautiche o spaziali, ma non altrettanto per la mobilità urbana. Allo stesso modo, osserviamo come le batterie al litio (Li) si trovino all’estremo inferiore sia per volume che per peso: le prestazioni migliori, corrispondenti alla batteria al LiMn2O4 raggiungono appena 972 kJ/l, di gran lunga inferiori a quelle del gasolio, che ha una densità di energia pari a 36.600 kJ/l .
Siamo dunque di fronte ad un’utopia o realmente l’auto elettrica potrà sostituire pienamente l’auto a combustibili fossili? Vedremo nella prossima puntata una possibile risposta analizzando l’evoluzione dell’auto elettrica fino ai nostri giorni e quale futuro si prospetta per la mobilità sostenibile urbana.
Glossario di termini tecnici
Fonti di energia:
Fenomeni naturali o materie disponibili in natura dalle quali, mediante una trasformazione termodinamica (in senso ampio), è possibile estrarre energia utile.
Esempi: Luce solare, correnti d’acqua o aria, biomassa, carbone, uranio.
Vettore energetico:
Porzione di materia contenente energia immagazzinata tramite un certo processo tecnologico, adatta ad essere trasportata, immagazzinata e trasformata al momento più opportuno per il suo utilizzo.
Esempi :Benzina, GPL, idrogeno, aria compressa, batteria elettrica, campo magnetico., carica elettrostatica, una molla carica, qualsiasi sostanza esplosiva.
Densità di energia:
La quantità di energia utile che l’unità di massa o di volume di un vettore energetico è capace di restituire.
Densità di potenza:
L’energia che una unità di massa o volume di un vettore energetico è in grado di erogare nell’unità di tempo.
È importante sottolineare una differenza concettuale: un vettore energetico può avere una densità di energia bassa, ma anche una densità di potenza elevata, in quanto energia e potenza sono due grandezze fisiche molto diverse (l’energia è l’integrale della potenza nel tempo. Se la potenza è costante, l’energia è il semplice prodotto dei fattori “potenza” e “tempo”).
