Trazione elettrica veicolare: stato dell arte ed evoluzioni future

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1 Trazione elettrica veicolare: stato dell arte ed evoluzioni future Lo stato dell arte sui veicoli elettrici, esperienze di ricerca e tendenze di mercato

2 Veicoli elettrici Il veicolo elettrico è un automobile con motore elettrico che utilizza l energia chimica immagazzinata in un serbatoio energetico costituito da una o più batterie ricaricabili. Le prime auto elettriche sono nate all inizio del XIX secolo insieme alle automobili a combustione poiché in quegli anni l energia elettrica era ormai di uso comune. Nella prima metà dell Ottocento, precisamente nel 1837, Davenport realizzò un mezzo di trasporto costituito da un elettromagnete e da un arpionismo.

3 Veicoli elettrici Solo nel 1865, Marcus installa un motore a scoppio a benzina su un veicolo, perfezionato nel 1885 da Daimler. Tuttavia, il motore a benzina non riesce inizialmente ad esprimere la sua superiorità sui prototipi elettrici perché era sporco, rumoroso e difficile da fare funzionare. Successivamente il palese limite della capacità degli accumulatori e la scoperta di grossi giacimenti petroliferi favorirono lo sviluppo del motore a combustione interna e vengono abbandonati gli studi per scoprire un modo efficiente di immagazzinare energia elettrica. Nel 1899 Jenatzy supera il traguardo di 100 km/h con un veicolo elettrico, mentre anche Bugatti nel 1908 costruisce una vettura elettrica per uso personale.

4 Veicoli elettrici Le sperimentazioni continuate fino agli anni Venti non danno risultati sperati, determinando un declino nell interesse per i veicoli elettrici. Solo la seconda guerra mondiale è un periodo di ripensamento per ovviare alla scarsità di combustibili da petrolio: pochi privilegiati addirittura si fanno trasformare i veicoli convenzionali con l applicazione di motori elettrici.

5 Veicoli elettrici Negli anni Settanta, la nuova politica ecologica pone in modo sempre più stringente il problema dell inquinamento nelle città per le quali non è sufficiente ricorrere a provvedimenti limitanti (parzialmente o totalmente) la circolazione, ma occorre ricorrere a sistemi innovativi di trasporto. Nasce così un rinnovato interesse per il veicolo elettrico. Tale veicolo, infatti, in quanto dotato di un sistema di trazione costituito da un motore elettrico, che sostituisce il motore a combustione interna, e da una batteria di accumulatori, che sostituisce il carburante quale fonte di energia, non ha emissioni nocive, non produce rumore e quindi non inquina.

6 Veicoli elettrici Attualmente circolano al mondo circa 700 milioni di veicoli e si prevede che nei prossimi 50 anni il loro numero crescerà fino ai 2.5 miliardi. Questa prospettiva richiede il perseguimento di due obiettivi: l aumento dell efficienza della conversione energetica da fonte primaria a lavoro utile per la trazione dei veicoli per contenere lo sfruttamento delle risorse primarie ad un livello accettabile il contenimento delle emissioni di agenti inquinanti nocivi nei centri urbani per migliorare la qualità dell aria nelle zone densamente popolate.

7 Veicoli elettrici Il sistema di propulsione di un autoveicolo deve essere in grado di erogare potenza in un ampio range di valori (ivi compresi i valori negativi in frenatura). Un normale motore a combustione interna difficilmente riuscirà a mantenere un efficienza ottimale in tutto il range di potenze richiesto. Oltre a ciò deve tenersi presente che la potenza negativa corrispondente ai periodi di frenatura non può che essere dissipata, non avendo a disposizione un sistema reversibile, e che le emissioni di un motore a combustione interna sono molto influenzate dalla dinamica di funzionamento, peggiorando sensibilmente quando si abbia a che fare con brusche variazioni di regime come nei cicli urbani.

8 Veicoli elettrici I veicoli eletrici hanno molti vantaggi rispetto ai tradizionali veicoli a combustione interna (benzina, diesel). I principali sono: riduzione dei consumi di carburante, basse emissioni inquinanti e funzionamento silenzioso Possibilità di sfruttare la frenatura a recupero. Esistono fondamentalmente due tipi di veicoli elettrici: veicoli elettrici puri, sono dotati del solo motore elettrico con il proprio sistema di batterie; veicoli elettrici ibridi utilizzano sia motori elettrici che motori a combustione interna.

9 Veicoli ibridi Per veicolo ibrido si intende un veicolo in cui l energia per la propulsione può provenire da due o più sorgenti diverse. Un veicolo ibrido elettrico è tale se almeno una delle suddette sorgenti è in grado di fornire energia elettrica. Per evitare confusione tra le molteplici configurazioni possibili di sistemi di generazione e di accumulo, in letteratura si riserva il termine di veicolo ibrido elettrico (Hybrid Electric Vehicle: HEV) al sistema costituito da un motore a combustione interna ed un motore elettrico (con ovviamente un sistema di accumulo). Tale configurazione, attualmente la più matura, è anche quella che consente di poter sviluppare veicoli innovativi senza necessitare la creazione di una infrastruttura onerosa per la loro ricarica (veicoli elettrici puri) o rifornimento (veicoli a celle a combustibile), ma sfruttando la normale rete di rifornimento dei carburanti per autotrazione.

10 Veicoli ibridi A seconda della topologia di bordo sono poi identificabili due strutture di base dei veicoli ibridi che rispondono alle seguenti classificazioni: Veicolo ibrido elettrico serie: è un veicolo ibrido elettrico in cui la potenza meccanica di propulsione è fornita esclusivamente da un motore elettrico, Veicolo ibrido elettrico parallelo: è un veicolo ibrido elettrico in cui la potenza meccanica di propulsione può essere fornita da più sistemi di conversione (motore elettrico e motore a combustione interna). L ibrido serie si avvicina al principio di un veicolo elettrico puro a cui sia stata data la possibilità di effettuare la ricarica a bordo con un sistema di generazione. L ibrido parallelo è invece molto più simile ad un veicolo tradizionale in cui il motore elettrico coopera con quello a combustione interna per coprire i picchi di richiesta e consentire il recupero in frenatura.

11 Veicoli elettrici

12 Veicoli ibridi I due propulsori sono adatti a coesistere in quanto hanno caratteristiche complementari. Il motore a combustione interna trasforma l'energia chimica del combustibile (di notevole densità energetica e facilmente approvvigionabile dalla rete di rifornimento) con una efficienza accettabile, in particolare in alcuni punti di funzionamento. Il motore elettrico invece converte con maggiore efficienza e versatilità una piccola quantità di energia presente a bordo del veicolo.

13 Veicoli ibridi In base al grado di ibridazione (potenza del propulsore elettrico rispetto alla potenza totale installata) e alla capacità del sistema di propulsione ibrido di immagazzinare energia elettrica, si definiscono informalmente tre livelli di ibridazione: Ibridazione piena (full hybrid): il sistema elettrico è in grado da solo di far avanzare il veicolo su un ciclo di guida normalizzato, prescindendo dall'autonomia delle batterie; Ibridazione leggera (mild hybrid): il modo di funzionamento puramente elettrico non è in grado di seguire per intero un ciclo di guida normalizzato; Ibridazione minima (minimal hybrid): normalmente confusa con la propulsione tradizionale munita di funzione stop and start, è caratterizzata da una limitata percorrenza in modalità elettrica pura e da un minor grado di ibridazione.

14 Veicoli ibridi Una speciale famiglia dei veicoli elettrici ibridi sono i cosi detti veicoli elettrici plug - in, cioè dei veicoli elettrici con batterie ricaricabili che possono essere pienamente ricaricate semplicemente collegandole ad una presa elettrica esterna come quelle presenti in casa. Potenziali vantaggi: si sfrutta la produzione di energia elettrica dalla rete fissa, a rendimento particolarmente elevato, specie se la ricarica è effettuata di notte è possibile utilizzare un mix di produzione dell energia che contenga anche fonti di tipo rinnovabile (oggi) si può sfruttare una situazione fiscalmente molto favorevole all uso di energia elettrica Svantaggi: È richiesto un accumulo particolarmente capiente perché i vantaggi siano significativi Per l utilizzo del plug-in è necessaria la disponibilità nel punto di parcheggio di una presa elettrica, cosa che oggi raramente avviene.

15 Veicoli ibridi ibrido parallelo (ibrido minimo con ISA)

16 Veicoli ibridi Honda Insight IMA ibrido parallelo (ibrido minimo con ISA)

17 Veicoli ibridi Honda Civic Hybrid

18 Veicoli ibridi Honda Insight Hybrid

19 Veicoli ibridi BMW ActiveHybrid 7

20 Veicoli ibridi Toyota Prius II

21 Veicoli ibridi Toyota Prius II (azionamento detto THS II)

22 Veicoli a celle a combustibile Un promettente sviluppo a medio termine dei veicoli ibridi è il veicolo a celle a combustibile che consente di migliorare ulteriormente le efficienze di conversione delle fonti primarie e di abbattere drasticamente le emissioni di agenti inquinanti. Lo scoglio maggiore da superare, oltre alla maturazione della tecnologia delle celle, è l approvvigionamento del combustibile, ovvero dell idrogeno. Data la caratteristica fondamentale delle celle a combustibile di essere dei generatori di energia elettrica, l unica struttura possibile è quella di un veicolo ibrido serie.

23 Fuel Cell CAr

24 Prospettive e tendenze di mercato Mai come oggi l attenzione sull auto elettrica è stata così viva. Dopo una gestazione di oltre trenta anni questa opzione, la sola potenzialmente in grado di migliorare radicalmente l ambiente delle nostre città, riemerge allo stesso tempo come la soluzione più efficace per il contenimento dei gas serra e per ridurre la dipendenza dai prodotti petroliferi. A questo rinnovato interesse si è giunti attraverso la convergenza di più fattori concomitanti: la pressione ambientale ed energetica, il progredire della tecnologia delle batterie e la lenta presa di coscienza dell industria dell auto che ha gradatamente interiorizzato l esigenza di un cambiamento del proprio DNA che passi dalle tecnologie elettriche.

25 Prospettive e tendenze di mercato L annuncio di una imminente offerta di prodotti da parte di molte grandi case produttrici non deve però suggerire che si sia già pronti ad una rapida diffusione di massa; i temi ancora aperti sono almeno tre. Il primo la vita delle batterie. Dalle prime auto ibride prototipali alla loro proposizione su vasta scala (nell ultimo anno ne sono state prodotte ) sono trascorsi parecchi anni di sperimentazioni sul campo, per convalidare e affinare le tecnologie ma soprattutto per raggiungere la certezza di potere attribuire un adeguato periodo di garanzia alle batterie.

26 Prospettive e tendenze di mercato Per l auto a batteria o l ibrida ricaricabile (plug-in), che pongono alle batterie condizioni operative anche più severe, occorrono analoghe certezze, oggi fortemente incoraggiate dai positivi risultati di laboratorio e dai test dimostrativi. Ma sembra ragionevole e comprensibile, che prima di affrontare gli enormi investimenti di un mercato di massa, l industria voglia attendere le certezze che verranno dal campo attraverso la progressiva introduzione di appropriati quantitativi su dimensioni pilota.

27 Prospettive e tendenze di mercato Il secondo tema è l infrastruttura di ricarica. L applicazione di massa richiederà, oltre alla ricarica privata, anche una rete di rifornimento pubblico in parcheggi e aree pubbliche o condivise, sviluppata di concerto tra il mondo dell auto, le utilities elettriche e le amministrazioni pubbliche; una rete collocata in un mercato globale con veicoli di taglie e caratteristiche diverse, che si muoveranno quantomeno a livello interregionale. Da qui, forti vincoli di standardizzazione (un ingrediente fondamentale) e l esigenza di soluzioni intelligenti con capacità di comunicazione tra veicoli e infrastruttura.

28 Prospettive e tendenze di mercato Occorre inoltre identificare le esigenze di allacciamento, identificare l utente e provvedere alla fatturazione dei consumi e anche pensare in una prospettiva di uso delle batterie come accumulo distribuito accessibile alle utilities, per gestire il flusso di energia in modo bidirezionale. Ma la stessa connotazione e pianificazione del sistema richiede ancora analisi e risposte: quale ricarica? Ricarica più o meno lenta fatta nottetempo che può assicurare lo stoccaggio in batteria di 200 km senza richiedere adeguamenti alle reti di distribuzione né alla generazione elettrica? O, piuttosto, una ricarica rapida misurabile in minuti invece che ore, che aumenterebbe l attrattività e il mercato dell auto elettrica?

29 Prospettive e tendenze di mercato In una decina di minuti le batterie litio ioni possono reintegrare in batteria parecchie decine di chilometri, ma in questo caso il carico gravante sulla rete elettrica potrebbe richiederne il potenziamento; e, soprattutto, mancano ancora esperienze consolidate sulla vita delle batterie qualora questa procedura di rifornimento diventasse la regola. Un ulteriore opzione potrebbe essere la sostituzione rapida delle batterie, che presuppone però una straordinaria capacità di accordo e standardizzazione tra le case automobilistiche in merito alla taglia delle batterie, al loro alloggiamento sui veicoli, alle modalità di estrazione e sostituzione. L assieme delle esperienze pilota oggi avviate su tutti questi fronti permetterà di delineare meglio i tratti dell infrastruttura.

30 Prospettive e tendenze di mercato Il terzo tema è quello economico. Anche dando per certo che a regime l economia complessiva dell auto elettrica raggiunga l area della competitività (magari con un maggior investimento iniziale, riequilibrato però da un minor costo di esercizio) e quindi l accettazione da parte della domanda, si pone il problema dell avvio del mercato, con prezzi più alti. A fronte dei pregi di sostenibilità sociale che verrebbe dalla diffusione massiva, e che si traduce in definitiva in minori costi collettivi, la mano pubblica potrebbe assumere a proprio carico, in una fase iniziale, parte degli extracosti sotto forma di incentivazioni economiche.

31 Prospettive e tendenze di mercato Ma anche in presenza di un embrione di infrastruttura, anche in presenza di sostegni economici che paghino i sovraccosti, non è da dare per scontato un facile sviluppo del mercato che raggiunga spontaneamente volumi sufficienti ad incoraggiare l offerta. La motivazione ambientalista, per quanto più sentita che in passato, potrebbe di per sé essere insufficiente, perché il passaggio a questo nuovo modello di mobilità si deve misurare con motivazioni culturali di abitudini, di praticità (la ricarica), di prestazioni meno attraenti dei veicoli. Esaurita una fase introduttiva di domanda spinta dalla curiosità, da atteggiamenti di status e immagine o anche solo dall appeal estetico dei nuovi mezzi, vi è il rischio di un allentamento di interesse.

32 Prospettive e tendenze di mercato Occorrerebbe allora anche su questo versante, e almeno nella fase di impulso iniziale al mercato, mettere in opera interventi che concretamente vengano percepiti in termine di valore aggiunto e di motivazione individuale: una politica di regolamentazione locale della mobilità che ponga convintamente al centro l esigenza di stimolare e privilegiare le soluzioni autenticamente sostenibili quali sono le emissioni zero, intervenendo sulla regolamentazione delle soste, sull accesso alle zone a traffico limitato, sugli orari di carico e scarico delle merci, favorendo fortemente i veicoli puliti e sanzionando quelli più inquinanti, utilizzando i consueti strumenti dell incoraggiamento e del divieto.

33 Prospettive e tendenze di mercato La sinergia di tutto questo infrastruttura, copertura degli extracosti, regolamentazione della mobilità può dare in definitiva apporti non meno rilevanti di quelli delle tecnologie, come è del resto confermato dal nascere in molti paesi di Piani Nazionali a favore dei veicoli elettrici, che accanto al sostegno al mercato dell auto si preoccupano proprio dell attivare iniziative di avvio del mercato. L Italia è stata tra i precursori in Europa della mobilità elettrica, mantenendo per lungo tempo una posizione di tutto rilievo alla quale aveva contribuito una ragionevole politica di sostegno. La situazione attuale, ambientale ed energetica, del Paese ripropone con forza l esigenza di una azione organica ed integrata per il sostegno della mobilità elettrica, al pari di quanto sta già avvenendo nel resto d Europa.

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