1.1 Principali vantaggi della trazione elettrica e ibrida

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1 CAPITOLO 1 LA TRAZIONE ELETTRICA 1.1 Principali vantaggi della trazione elettrica e ibrida I principali vantaggi della trazione elettrica allo stato attuale della tecnologia si hanno principalmente in ambito urbano. La velocità media di molte città italiane ed europee per percorsi urbani è inferiore a 20 Km/h, ed in molte grandi città la congestione è tale per cui risulta per lungo tempo difficile poter superare i 30-35Km/h. Si hanno quindi in ambito urbano continue accelerazioni e decelerazioni, e continui e brevi arresti di marcia con il motore in moto. Un tale tipo di percorso fa consumare molto combustibile ad un'automobile: durante la fase di accelerazione si spende molta energia perché occorre vincere l inerzia, e durante la frenata questa energia viene completamente dissipata dal sistema frenante. Inoltre non bisogna dimenticare che durante le fermate temporanee il motore rimane comunque in moto dissipando inutilmente energia e contribuendo all inquinamento. Un veicolo elettrico presenta due importanti vantaggi rispetto ad un veicolo con motore endotermico: possibilità del recupero di energia durante la fase di frenata; consumo nullo a veicolo fermo. Si sta quindi diffondendo la convinzione che l inizio del prossimo secolo vedrà una penetrazione via via crescente dei veicoli elettrici. La piena disponibilità e la larga diffusione dei veicoli a trazione elettrica e mista passano attraverso alcuni importanti passi di innovazione tecnologica: 6

2 aumento dell efficienza energetica dell intero veicolo con nuove configurazioni dell azionamento; sviluppo di sistemi di accumulo avanzati; sviluppo di azionamenti più efficienti ed economicamente competitivi; azionamenti ibridi con nuove soluzioni progettuali (serie, parallelo, intermedie tra le due) e con l introduzione di nuovi generatori di potenza (celle a combustibile, turbine a gas) e nuovi dispositivi e strategie di gestione e controllo; sviluppo di nuovi dispositivi di ricarica e nuove logiche di ricarica. I veicoli che attualmente vengono presi in considerazione quando si cerca di minimizzare consumi ed inquinamento sono: 1. Veicoli elettrici a batteria 2. Veicoli ibridi a motorizzazione elettrica e termica 3. Veicoli a celle a combustibile I veicoli ibridi e quelli a celle a combustibile possono garantire un elevata autonomia e una notevole diminuzione delle emissioni inquinanti sia in ambito urbano che extraurbano: essi si prestano a sostituire quindi le automobili tradizionali. Il problema resta lo stato della tecnologia: molti di questi veicoli sono ancora allo stato di prototipo e occorreranno ancora diversi anni prima che si possa giungere ad una produzione di serie che garantisca una certa affidabilità superando alcune limitazioni di carattere tecnologico (sviluppo delle batterie per quel che riguarda il peso e l energia immagazzinata, trattamento del combustibile nel caso dei veicoli a celle, ecc. ). Gli unici veicoli che si prestano nell immediato ad una discreta diffusione sono i veicoli elettrici: attualmente presentano caratteristiche tali da renderli particolarmente interessanti per ridurre l inquinamento atmosferico ed acustico nelle aree urbane ed anche, in diverse applicazioni, per contenere i consumi di energia. 7

3 1.2 I veicoli elettrici a batteria Caratteristiche principali I veicoli elettrici a batteria che sono oggi sul mercato o che sono in fase di sviluppo sono di due tipi: veicoli ottenuti convertendo veicoli a combustione interna e veicoli appositamente progettati come elettrici. I veicoli appositamente progettati come elettrici stentano a decollare perché manca una reale motivazione all acquisto per l utente privato che rende difficile la nascita di un industria dei veicoli elettrici e lo sviluppo di economie di scala che ne giustifichino gli investimenti. La conseguenza di tale situazione è che la maggior parte dei veicoli elettrici oggi commercializzati è costituita dalla conversione di veicoli convenzionali. Veicolo Autonomia Velocità massima Tempo di ricarica FIAT 600 Elettra 90 [Km] 100 [Km\h] 8 [h] Boxel Staff van 110 [Km] 60 [Km\h] 8 [h] FAR Twip (3 ruote) 40 [Km] 18 [Km\h] 3 [h] Celco Profil Cip 025 (2 ruote) 60 [Km] 40 [Km\h] 6-8 [h] FAAM Jolly [Km] 53 [Km\h] 6-8 [h] Tecnobus Gulliver 88 [Km] 35 [Km\h] 6-7 [h] Micro-vett / PIAGGIO Porter 70 [Km] 50 [Km\h] 8 [h] IVECO Altrobus 60 [Km] 53 [Km\h] 7 [h] Tab. 1.1 Comparativa tra diversi veicoli attualmente in produzione Dalla Tab.1.1 si può notare come le attuali prestazioni dei veicoli elettrici costituiscano una grande limitazione ad una più larga diffusione: presentano un autonomia limitata che raggiunge al massimo i 100km, richiedono almeno 6-7 ore per la ricarica delle batterie, la velocità massima è generalmente inferiore a 100 km/h ed i costi di acquisto sono a sfavore di questi veicoli. Tuttavia l attuale livello di sviluppo della tecnologia può già rappresentare una valida modalità di trasporto pulito e silenzioso di beni e persone in aree urbane. Nel caso di veicoli 8

4 operanti in condizioni controllate ed in ambienti limitati alcune applicazioni di nicchia sono già possibili: percorsi inferiori all autonomia consentita da una singola carica delle batterie; percorsi ripetitivi e con soste intermedie che consentano la ricarica delle batterie; modalità di trasporto innovative nelle quali i costi di proprietà sono disgiunti dai costi di esercizio, come nel caso di sistemi a noleggio Stato della tecnologia Il veicolo elettrico a batteria può essere schematicamente distinto da un veicolo convenzionale per quattro componenti principali: Il sistema di accumulo (la batteria) Il regolatore dell energia e della potenza (controllore elettronico) Il motore elettrico Il carica batteria La Fig1.1 seguente mostra lo schema a blocchi di un generico veicolo elettrico: Controllore Interfaccia elettronica CC\CA Motore elettrico Trasmissione La conversione CC\CA può essere anche CC\CC se il motore è in CC Accumulo di energia Fig.1.1 Rappresentazione schematica di un veicolo elettrico Di seguito verrà data una breve descrizione dei componenti principali: Batteria: la batteria sostituisce il serbatoio del combustibile dei veicoli tradizionali, è di tipo ricaricabile ed il numero di cicli di ricarica dipende dal tipo di batteria in uso. Ci sono alcune caratteristiche peculiari delle batterie che 9

5 occorre tenere ben presenti, in quanto determinano la rispondenza ai requisiti richiesti per l applicazione alla trazione elettrica: il contenuto energetico e di potenza, la vita ciclica (che dipende dal numero dei cicli di carica e scarica), la disponibilità ed il costo dei materiali di cui si compone ed i conseguenti impatti ambientali dei materiali di partenza e dei processi di fabbricazione e smaltimento. Allo stato attuale risulta essere il componente più critico e necessita ancora di ulteriori sviluppi riguardanti l efficienza, l autonomia e i tempi di ricarica. Controllore (convertitore elettronico): La regolazione ed il controllo dei flussi di energia nel veicolo sono svolti da un dispositivo elettronico dedicato (chopper o inverter a seconda del tipo di motore installato). Lo sviluppo di questi convertitori va di pari passo con lo sviluppo dei componenti impiegati nell elettronica di potenza e dall evoluzione delle strategie di controllo e regolazione. Da un punto di vista energetico, attualmente gli inverter raggiungono rendimenti superiori al 95% con costi ragionevoli. Motori elettrici: Fino ad ora sono stati utilizzati quasi esclusivamente motori in corrente continua, soprattutto per la facilità di gestione e controllo; hanno il vantaggio di poter essere controllati da un chopper che non è particolarmente complesso. Attualmente stanno cominciando a prendere piede i motori in corrente alternata (brushless), grazie alla diminuzione di costo dei sistemi di alimentazione (inverter) ed alla migliorata efficienza delle strategie di controllo. Il brushless presenta un buon rendimento rispetto al motore in corrente continua e di gran lunga superiore rispetto ad un motore a combustione interna (30/35 % per il motore a combustione interna; ~98 % per un brushless). 10

6 Carica batterie: Il tempo di ricarica della batteria è il parametro che influenza maggiormente l accettabilità di un veicolo elettrico da parte del mercato. I caricabatteria normalmente convertono la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua necessaria alla ricarica delle batterie.attualmente sono disponibili due tipi di caricabatteria: a bordo del veicolo, oppure a terra. Il caricabatteria a terra riduce il peso del veicolo consentendo un piccolo aumento dell autonomia, mentre il caricabatteria a bordo offre maggiore libertà operativa, in quanto può consentire la ricarica in punti differenti.recentemente per ragioni di sicurezza, si stanno diffondendo sistemi di ricarica conduttiva, induttiva e rapida Impatto ambientale I veicoli elettrici sono attualmente l unica soluzione in grado di ottenere un emissione nulla nel punto di utilizzo, contrariamente ai veicoli a combustione interna. Infatti l elettricità può essere prodotta in maniera flessibile partendo da diverse fonti di energia primaria e lontano dalle aree urbane dove le emissioni inquinanti possono essere meglio controllate ed abbattute.i veicoli elettrici offrono quindi due tipi di vantaggi sul controllo della qualità dell aria: non ci sono emissioni locali e le emissioni vengono spostate dalle aree urbane, dove sono difficilmente controllabili, a zone dove è più facile ridurne la concentrazione. Diesel Benzina Elettricità Emissioni al punto d uso SO 2 (g/km) NO x (g/km) CO 2 (g/km) SO 2 (g/km) NO x (g/km) CO 2 (g/km) Emissioni totali (+ emissioni per produzione e trasporto) Tab.1.2 Comparativa sulle emissioni di varie tipologie di veicoli 11