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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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23 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.

  2. Aggiungerei due righe che NON hanno minimamente lo scopo di creare polemiche.
    È chiaro che il rendimento di conversione di una vettura elettrica è di gran lunga più conveniente di quello di un motore a combustione interna.
    Una domanda sorge spontanea: quale è il rendimento di conversione di una turbina a vapore che converte l’energia ricavata da carburanti di origine fossile (gas, gasolio ecc…) che poi produce (anzi, trasforma) l’energia che verrà (dopo tanta strada) inviata al veicolo elettrico? Se vogliamo pensare alle energie rinnovabili, quanta ne avremmo a disposizione per il fabbisogno attuale?
    Spero che questi argomenti vengano approfonditi sul serio.
    In realtà ho notato che si gira attorno all’argomento ma, salvo mia disattenzione, non ho letto mai nulla sui numeri “crudi”.
    Questo per evitare exploit del tipo “55 miliardi di vetture”. Ecco, per esempio, quante auto si stima circolino nel mondo attualmente?

    Ho già chiesto info del genere, per dare una forma e delle dimensioni all’argomento, ma ancora non ho affatto avuto modo di fare diradare questa nebbia.

    • Andando su una turbina a ciclo combinato (quindi col recupero del termico sui gas di scarico) si arriva a tipo il 50/60%. E soprattutto sta SEMPRE lì. Il motore di un’auto deve rispondere a un sacco di cambiamenti nel punto operativo e quindi NON sta al punto di efficienza massima per un sacco di tempo.

  3. Articolo assolutamente impareggiabile. Chiarissimo. Mastico la materia “corrente elettrica” ma spiegare con tanta trasparenza certi argomenti, non è da tutti.
    Vorrei tanto leggere il seguito.

  4. Sig. Gino, ho deciso di perdere qualche minuto del mio tempo per replicare al suo intervento perché lo trovo molto interessante in quanto esemplificativo di come vanno le cose oggi in questi mondi. Non nutro molte speranze che Lei legga questo mio commento in quanto la immagino già impegnato a spargere compulsivamente il seme della sua sapienza fra un forum e l’altro su moltitudini di argomenti sui quali sarà certamente particolarmente ferrato. Nel caso mi sbagliassi, ecco i miei umili suggerimenti (rigorosamente non richiesti) volesse mai intervenire di nuovo, suggerimenti che potrebbero comunque essere considerati da altri suoi “colleghi”.
    1- CONTESTUALIZZARE: quando casualmente si incappa in un forum chiedersi sempre se si tratta di un posto dove si discute seriamente e con competenza di determinati argomenti oppure se si è al Bar Sport dove la mia stupidaggine si aggiunge alle altre senza particolari problemi.
    2- CAPIRE: certo, questa è la parte più faticosa, mi rendo conto, ma prima di mettere le dita sulla tastiera sarebbe davvero utile cercare di comprendere almeno di cosa si sta parlando, accettando la terribile idea che il mondo è una faccenda complessa, che bisogna studiare, approfondire, e non esistono semplificazioni dettabili da ignoranti (in senso tecnico, naturalmente).
    3- INFORMARSI: se poi si sente proprio l’urgenza di dare un contributo alla causa, informarsi almeno su dati e numeri che si intendono citare per evitare di dire assurdità, ad esempio che ci sono 55 miliardi di auto nel mondo, con la conseguenza inevitabile di dichiararsi subito per quello che si è (intendo dire una persona senza il senso della misura delle cose).
    4- UMILTA’: su questo punto è in ottima e grande compagnia. Bisognerebbe evitare di porsi come l’illuminato che si abbassa a concedere la sua profonda e definitiva parola alla massa ottusa. Suggerisco anche di evitare la solita chiusa che prevede l’invocazione quasi minacciosa a tutti noi ad uscire dal sonno ipnotico dello stolto (“Svegliatevi! “, “Stampatevelo nella mente”, ecc..) che ormai non è più nemmeno originale e non fa più impressione.
    5- SINTASSI: rispettarne le regole di base sarebbe utile per facilitare la trasmissione del “pensiero” ( “pensiero”…)
    Spero di esserle stato in qualche modo utile. Cordiali saluti.

    • Grazie, lei ha schematizzato in modo esemplare, educato ed incisivo il mio pensiero.
      Aggiungo, purtroppo, che personaggi come Gino (“come”, è una generalizzazione e auspico che il sig. Gino ci stupisca benevolmente) non hanno l’umiltà per riflettere in senso critico sulle risposte argomentate come la sua.
      Rimane comunque utilissima per “noi” perché ci ricorda cosa significa imparare, pensare, rivedere le proprie convinzioni che spesso sono affette da numerosi bias.
      Grazie da un lettore umile.

  5. Sicuramente un bel trattato accademico ,ma sinceramente, da prendere puramente come interesse scientifico ,il problema è che 20 minuti minimo per ricaricare una macchina sono una vita ci sono al mondo 55miliardi di macchie al mondo di elettriche 5 milioni se volete farle funzionare tutte dovrete creare centinaia di centrali nucleari altro che rinnovabili …impensabile idrogeno unica soluzione stampatevelo nella mente

    • Sui 20 minuti io la vedo così.
      La ricarica lungo il percorso si farà soprattutto in autostrada.

      Oggi allo stop in autostrata si va a mangiare un panino, si fa un salto in bagno e poi si fa il pieno. Oppure il pieno si fa prima. Per fare queste cose 20-30 minuti passano.

      Con l’elettrica si arriverà, si metterà in carica e poi si andrà all’autogrill a fare le medesime cose. Al ritorno saranno stati ripristinati quei 200-250 km di autonomina che servono fino alla prossima pausa o per arrivare destinazione.

      Cambierà qualcosa rispetto ad oggi ma non sarà molto scomodo.

      Chiaramente servono stazioni di ricarica da almeno 100-150 kW, ma finalmente se ne parla con una certa frequenza e concretezza.

    • Nel mondo ci sono poco meno di 8 miliardi di persone, come possono esserci 55 miliardi di automobili? Basta una corbelleria del genere per capire che lei parla a vanvera. Si occupi d’altro.

    • Le sembra di aver dato un contributo utile al dibattito?
      Sono anch’io – pur con scarsissima competenza – convinto della necessità di sviluppare le auto a idrogeno, che peraltro sono anch’esse elettriche, giacché mi pare che i progetti per motori a combustione alimentati a idrogeno siano ormai accantonati. Ma sono anche consapevole che oggi è possibile parlare di auto a idrogeno – o dello sviluppo di altre tecnologie che potranno migliorare la mobilità elettrica – perché qualche cretino come me (sì, il suo tono mi fa pensare che lei mi reputi un cretino) 12 anni fa ha comprato una ibrida proprio per incoraggiare l’evoluzione della mobilità verso forme più efficienti. Lo Zecchino d’oro cantava “partiam, partiam, ma siamo sempre qui”: finché non c’è l’idrogeno dobbiamo aspettare?
      E se le sue esigenze di mobilità vedono come un problema i tempi di ricarica – cosa più che lecita – non vuol dire che questo sia un problema assoluto: per il mio uso normale, ora che ne ho una interamente belettrica, io ricarico una volta a settimana, di notte. Mi dispiace che le attuali auto elettriche non vadano bene per lei, ma se un domani troverà una elettrica che la soddisfa, ringrazi le elettriche di oggi.

    • La mia si ricarica in 20 secondi: 10 quando, mettendo l’auto in garage la sera come ho sempre fatto, collego il cavo di ricarica, e altri 10 quando la mattina lo stacco. E la ricarico una volta alla settimana. Sprecavo più tempo con la vecchia termica, ad andare a fare rifornimento.
      E per quanto riguarda un eventuale viaggio più lungo per le ferie o per viaggi lunghi, spendere 20 minuti 4 o 5 all’anno è un “contro” ridicolo in confronto a tutti i pro di un’elettrica

  6. Mille grazie, molto interessante e chiaro, ho appena acquistato una 500 E è questi sono gli articoli che vorrei leggere, chiari e precisi.
    Aspetto con impazienza i prossimi.

  7. Grazie di cuore per l’interessante approfondimento tecnico.
    Noi tutti, possessori e non di auto elettriche, ne abbiamo sicuramente molto bisogno.
    Buon lavoro.

  8. … poi proseguirei la serie di articoli spiegando anche perché è meglio produrre energia elettrica in una centrale (anche se termoelettrica) da utilizzare per caricare le batterie piuttosto che produrre energia meccanica con un motore a combustione interna (rendimenti, economie di scala nella depurazione dei fumi ecc ecc)

    • Ancora meglio eliminare la centrale e produrre (e accumulare) in modo distribuiti. Prima o poi anche sulle reti elettriche si scoprirà che l’architettura distribuita è più efficiente e più resiliente di quella centralizzata, è solo questione di tempo.

  9. La nebbia nelle nostre teste ha cominciato a diradarsi( ..o almeno nella mia), attendo con curiosità e impazienza gli altri articoli e ringrazio il professore

  10. Vorrei porgere un ringraziamento per questa miniserie di articoli. Si sa che in Italia scienza e matematica spesso sono considerate un po’ di serie B e molti sembrano vantarsi di non capire la matematica ma essere in grado di fare un po’ di conti in autonomia può aiutarci a capire meglio molte questioni ed anche tante fregature (come certi prodotti pubblicizzati correntemente). Un bel corso di azzeramento (nel senso che server per stabilire un punto zero, di inizio che vale per tutti) a cui fare magari in riferimento in futuro, ci vuole proprio.

    • Grazie Ivan. Il suo apprezzamento farà piacere soprattutto al professor Massimo Ceraolo che ha dedicato qualche nottata a questo lavoro. Colgo l’occasione per ringraziarlo di cuore a nome nostro e di tutti i nostri lettori. Non perda le prossime 4 puntate.

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