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Capire i veicoli elettrici/1 Perché sfruttano meglio l’energia

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veicoli elettrici

L’industria dell’auto ha scelto una via “dolce” per la transizione dai vecioli a benzina ai veicoli elettrici. Nell’aspetto e nelle funzionalità, infatti, tutti hanno cercato di riproporre qualcosa che fosse il più possibile identico al già conosciuto. Perfino chi, come Tesla, è “nativo elettrico” non si è discostato troppo dalla tradizione. Tutto ciò, se da un lato ha avuto il pregio di non traumatizzare gli utenti, dall’altro ha indotto la falsa convinzione che un’auto a batteria possa essere guidata, gestita e vissuta esattamente come un’auto termica. Il che non è vero, come molti hanno scoperto a posteriori e a proprie spese, trovandosi alle prese con problemi nuovi e inattesi. Primo fra tutti l’autonomia “ballerina”.

La verità è che la tecnologia di un veicolo elettrico è completamente diversa rispetto a quella di uno combustione interna. Prendere confidenza con nuovi concetti come corrente, tensione, carica, energia, o con termini familiari però da reinterpretare,  come potenza, forza, coppia, è indispensabile per evitare brutte sorprese.

Grazie al lavoro del professor Massimo Ceraolo, Professore di Veicoli Elettrici e
Ibridi presso Ingegneria dei Veicoli all’Università di Pisa, Vaielettrico ha deciso di pubblicare una sintetica guida alla tecnologia elettrica. In cinque successive puntate cercheremo di chiarire le basi teoriche su cui poggia un sistema di trazione elettrico.

                                         di Massimo Ceraolo

1.1 Premessa

co2 e auto elettrica
Massimo Ceraolo

Da frequentatore di Vaielettrico leggo spesso i commenti dei lettori. Sento così gli umori di chi, come me, ha già un veicolo elettrico, di chi ne sta valutando l’acquisto o di chi, infine, vuole semplicemente comprenderli perché, chissà, un giorno potrebbe averne uno.
Da professore di Vecoli Elettrici e Ibridi all’Università di Pisa, ovviamente, ho delle specifiche conoscenze sull’argomento, e spesso mi trovo a notare una certa confusione su elementi tipici dei veicoli elettrici, che li rendono molto distanti da quelli a combustione  che tutti noi abbiamo posseduto, guidato e, perché no, talvolta così amato.

Ho pensato quindi che avrei potuto fornire un contributo utile alla comprensione di
questi nuovi veicoli. La conoscenza è sempre alla base delle buone opinioni e delle analisi individuali. La mia sfida qui è dunque quella di aumentare il livello di comprensione dei veicoli elettrici ai lettori di VaiElettrico, senza usare un linguaggio troppo tecnico o pretenzioso, ma cercando di chiarire il più possibile i concetti, spesso complicati, semplificandoli il più possibile, ma cercando sempre di non rinunciare alla necessaria precisione metodologica e del linguaggio.

Il taglio che ho dato all’articolo non è orientato al lettore occasionale, che sicuramente
lo troverebbe ostico e noioso, ma all’appassionato di veicoli e in particolare di veicoli
elettrici. Ritengo che possa essere utile anche a qualche giornalista che si interessa di veicoli elettrici, in quanto il livello di approfondimento è un po’ superiore a quello che
normalmente si trova sugli articoli di giornale (ovviamente anche on-line).

1.2 Piccola cassetta degli attrezzi matematica a fisica

veicoli elettrici

Nel seguito userò pochissima matematica ed è quella che si studia a scuola.
Comunque qualche piccolo richiamo non guasta. In matematica le lettere in corsivo rappresentando grandezze numeriche, e spesso vengono arricchite da pedici per aumentarne la chiarezza. La moltiplicazione (quindi il prodotto) fra due grandezze si fa semplicemente mettendo accanto le due lettere. Consideriamo ad esempio la seguente formula che rappresenta la famosissima legge di Ohm.

U1 = RI 

Essa ci dice che la grandezza a sinistra, rappresentata da una U con pedice 1  (si legge  U-con-1: ricordiamo ad esempio il famoso R-con-zero che abbiamo imparato a conoscere durante le prime fasi della pandemia Covid) è matematicamente uguale al prodotto della grandezza rappresentata da R per la grandezza rappresentata da I. I pedici sono utili talvolta per distinguere due variabili dello stesso tipo ma diverse, ad es. U1 e U2 possono rappresentare due diverse tensioni.

2 Non posso non menzionare il coulomb in quanto è l’unità “ufficiale” della carica. Però nel nostro articolo, per semplificarci la vita useremo invece sempre l’ampere-ora

Se una formula matematica rappresenta, come in quest’esempio anche una legge fisica,
si cercano di usare sempre le stesse lettere per le stesse grandezze fisiche. Nel seguito
seguiremo questa regoletta e i simboli saranno quindi associati alle grandezze secondo la
seguente tabella.

La tecnica è precisa. I simboli delle grandezze sono da scrivere in corsivo, i loro nomi iniziano con la minuscola e le unità di misura, salvo pochissime eccezioni (fra cui il metro, che ha per simbolo “m” e il grammo, che ha “g”) hanno la lettera maiuscola. Per i più curiosi posso aggiungere che sono maiuscole le unità che sono le iniziali di uno scienziato da cui il nome deriva: V da Volta, N da Newton, ecc. Quelli che invece non sono le iniziali di scienziati sono minuscole, quali quelle riportate ad esempio nel testo. Poi però quando i nomi diventano unità di misura divengono nomi comuni e per questo vanno scritte in minuscolo.

Tornando alla nostra formuletta essa ci consente ad esempio di trovare la tensione che
compare ai capi di una resistenza essendo nota la corrente che la attraversa o la corrente
essendo nota la tensione. Se ad esempio ho una resistenza di 2 ohm (si scrive R = 2Ω), e so che la corrente è 10 ampere (si scrive I= 10 A) la tensione si calcolerà con la formula:

U = RI = 2 X 10 = 20V

Se invece ho la tensione  U = 10 V e la resistenza è sempre pari a 2 ohm, evidentemente per calcolare la corrente dovrò dividere la tensione per la corrente:

I = U/R = 10/2 = 5A

1.3 Dalla benzina all’elettricità, questione di efficienza

Spero che il titolo di questo paragrafo non spaventi: non voglio fare una storia dei
veicoli. Però alcuni elementi di base sulle differenze fondamentali fra i veicoli a
combustione e quelli elettrici li vorrei dare, a costo di apparire uno che dice delle ovvietà.
Li voglio dare, nel convincimento che alle volte riflettere un po’ più a fondo del solito su
cose che conosciamo già bene, può risultare proficuo.

veicoli elettrici

-La benzina (e gli altri combustibili fossili) ha in sé, come dire, “accumulata”, della
quantità di energia in forma chimica. Questa energia può essere misurata con il potere calorifico: che rappresenta quanto calore un kg di combustibile può fornire quando viene bruciato. Il calore è una forma di energia, e come tale si misura con una qualunque unità adatta alla misura dell’energia. Noi preferiamo o l’unità “standard”, quella del Sistema internazionale delle unità di misura, il joule (simbolo J), oppure, in quanto spesso è molto più comodo, il wattora (simbolo Wh).

Trattandosi di due diverse unità di misura della stessa grandezza, si può passare da una
misura all’altra tramite la moltiplicazione di un coefficiente, né più né meno di come si fa
ad es. nel passare dai chilowatt (kW) ai Cavalli-Vapore (CV o HP) o dalle miglia ai
chilometri. Banalmente: ci voglio no 3600 joule per fare un Wh.

 

-Anche dentro una batteria l’energia è accumulata in forma chimica. Con due differenze
fondamentali:

vecicoli elettrici

  • l’energia chimica della benzina può solo essere prelevata trasformandola in calore ma non si può fare il percorso opposto: non si può riottenere la benzina dal calore
    prodotto (e dalla CO 2 e l’acqua che escono dal tubo di scappamento). Viceversa
    l’energia elettrica può essere parzialmente recuperata in frenata e reimmessa nella batteria.
  • l’energia elettrica è qualitativamente superiore all’energia termica. Spiegare il perché di questa differenza qualitativa è assolutamente al di fuori della portata di questo articolo, però è bene che questo sia chiaro. Un wattora di energia disponibile nella benzina ha meno valore di un wattora meccanico o elettrico. Per chi fra i lettori ha ancora con sé i libri di fisica del liceo o si ricorda qualcosa della fisica del liceo, dico solo che questa differenza è strettamente connaturata addirittura con il teorema di Carnot della termodinamica che fissa dei valori massimi all’efficienza di conversione che si può avere nel passaggio dall’energia termica all’energia meccanica.

Sono due semplici considerazioni che tutti condividiamo, però portano immediatamente alle due principali caratteristiche dei veicoli elettrici:

  •  il primo punto porta con sé la conseguenza che i veicoli a combustione (non
    ibridizzati), debbono “buttar via” l’energia delle frenate, mentre i veicoli dotati di
    batteria, possono recuperarne un’ ampia parte.
  •  il secondo punto porta con sé che le efficienze dei veicoli elettrici siano molto
    superiori a quelle dei veicoli a combustione. Durante il moto di un veicolo, è
    assolutamente possibile che il 90% dell’energia prelevata dalla batteria sia convertita in energia meccanica che serve al moto; è invece per contro molto difficile che nell’uso reale più del 35% dell’energia chimica di un combustibile fossile possa essere convertita in energia meccanica.

Questo non è dovuto al fatto che i veicoli a  combustione “sono fatti male”. E’ invece dovuto al fatto che per sfruttare l’energia contenuta nela benzina si passa dal calore che, come si diceva sopra, è un’energia di forma qualitativamente inferiore a quella elettrica.

CONTINUA CON  Capire i veicoli elettrici/2 Quel che succede nelle batterie

 

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22 COMMENTI

  1. GRAZIE! Da elettrotecnico specializzato in bassa tensione/corrente continua e batterie, sono anni che cerco di spiegare questi concetti ad amici e clienti. È un piacere leggere un articolo così ben spiegato.

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