Sviluppo dei veicoli elettrici

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1 Sviluppo dei veicoli elettrici In un contesto di crescente domanda di mobilità, una maggiore diffusione dei veicoli elettrici rappresenta la soluzione per un modello sostenibile ed energeticamente efficiente Essendo uno dei principali responsabili delle emissioni di CO 2, il settore dei trasporti, in particolare il segmento delle autovetture, è quello che vede svilupparsi i maggiori sforzi al fine di ottenere sostanziali miglioramenti per quanto riguarda la sostenibilità dʼutilizzo. In questo contesto, con una previsione al 2050 di 273 milioni di sole autovetture circolanti in Europa e di 2,5 miliardi a livello mondiale, non si può pensare di raggiungere gli obiettivi di contenimento delle emissioni nocive attraverso i soli perfezionamenti, per quanto importanti, dei tradizionali motori a combustione interna. Una maggiore diffusione dei veicoli elettrici è spesso considerata come la principale soluzione per sviluppare un modello di mobilità sostenibile più innovativo ed energeticamente efficiente. Sempre più, quindi, si parla di e-mobility, riferendosi ai veicoli che utilizzano lʼelettricità come principale fonte di energia, con possibilità di ricaricare la batteria collegandosi con una presa alla rete elettrica, indipendentemente dal fatto che siano dotati anche di un motore ausiliario a combustione interna da utilizzare negli spostamenti su lunghe distanze o per mantenere carica la batteria. Nonostante quello dei veicoli elettrici sia un tema ricorrente nella storia dellʼindustria automobilistica, la loro diffusione sulle strade è oggi ancora limitata.

2 1914: Thomas A. Edison con il modello 47 della Detroit Electric Car Company (fonte National Museum of American History) Uno scenario, però, destinato a cambiare sulla spinta delle innovazioni tecnologiche che ne hanno migliorato notevolmente le prestazioni, della costante riduzione del loro prezzo dʼacquisto e delle azioni incentivanti messe in atto dalle Autorità nazionali e locali, che prevedono speciali trattamenti fiscali e facilitazioni nel loro utilizzo (agevolazioni nei parcheggi, accesso alle zone a traffico limitato, uso delle corsie preferenziali, ecc.). Inoltre, con lʼingresso nel mercato di alcuni nuovi prodotti, è attualmente disponibile una più ampia gamma di veicoli, dai modelli micro-ibridi alle auto elettriche pure, incluse molte tecnologie elettriche intermedie. Le stazioni di ricarica iniziano a diffondersi in alcune città, favorendo così la diffusione dellʼutilizzo dei veicoli elettrici

3 Veicoli elettrici Nellʼampia famiglia dei veicoli elettrici si possono distinguere due tipologie principali: - i veicoli a batteria (BEV), in cui un motore elettrico alimentato dagli accumulatori installati a bordo fornisce la potenza necessaria per gli spostamenti. Le batterie vengono ricaricate solo connettendosi con una presa o con un collegamento induttivo alla rete elettrica, senza fonti ausiliarie di energia sul veicolo (a parte la parziale ricarica dovuta al motore elettrico reversibile che, in fase di frenata, si trasforma in generatore sfruttando lʼenergia cinetica del veicolo); - i veicoli ibridi plug-in (PHEV) e i veicoli elettrici ad autonomia estesa (EREV): i primi sono dotati di doppia motorizzazione (elettrica ed endotermica) e di un pacco batterie che può essere ricaricato dalla rete o dal motore a combustione interna durante la marcia. I secondi si muovono utilizzando esclusivamente la trazione elettrica, alimentata dalle batterie che possono essere ricaricate dalla rete oppure sfruttando un motore a combustione interna presente a bordo. Questo, non dovendo provvedere alla trazione del veicolo, ha il vantaggio di funzionare a regime costante nel punto di maggior rendimento e minor consumo. Infrastrutture di ricarica Attualmente la maggior parte delle ricariche delle auto elettriche avviene di notte, nei posti auto privati e condominiali. Tuttavia, per un utilizzo comparabile con quello delle auto tradizionali a combustione interna, è indispensabile, oltre che aumentare lʼautonomia degli attuali veicoli, predisporre un adeguato numero di stazioni pubbliche di ricarica.

4 La maggior parte delle ricariche delle auto elettriche avviene di notte, nei posti auto privati e condominiali Le tecnologie oggi disponibili per ripristinare il livello di carica delle batterie possono essere individuate in tre grandi famiglie: conduttiva, induttiva e battery swap. Ricarica conduttiva La ricarica conduttiva permette il ripristino della carica per mezzo di un collegamento fisico, attraverso il cavo di alimentazione, tra veicolo e infrastruttura di ricarica. Può essere effettuata collegando alla rete di alimentazione in corrente alternata (CA) il caricabatteria a bordo del veicolo oppure utilizzando un caricabatteria esterno che fornisce corrente continua (CC) alle batterie dei veicolo. Nellʼambito della ricarica conduttiva, si distinguono poi i sistemi lenti (monofase o trifase) e veloci (in CA e in CC). Per lenta sʼintende una ricarica in corrente alternata monofase o trifase a 16 A, il cui collegamento alla rete avviene attraverso un connettore standard per uso domestico e/o industriale come previsto dal Modo 1 e Modo 2 della Norma CEI EN In questo caso, la ricarica richiede dalle 6 alle 8 ore, in base alla capacità delle batterie, quando la ricarica avvenga alla potenza di 3 kw, e 1 3 ore con ricarica trifase a 7 kw. Utilizzando una potenza di 22 kw (32 A trifase a 400 V), il tempo necessario può ridursi a poco più di unʼora per una batteria intorno ai kwh. Per

5 questa soluzione di ricarica accelerata è preferibile, anche se non obbligatorio, utilizzare in tutti i casi il Modo 3. Poiché uno dei punti deboli delle diverse tecnologie descritte, che rappresentano un fattore limitante nella diffusione delle auto elettriche, è il tempo di ricarica, una soluzione che si sta affermando è quella veloce, dove le potenze disponibili variano tra i 43 kw (63 A trifase a 400 Vca) e i kw (120 A a 400 Vcc). Nel primo caso (CA), si può ricaricare lʼ80% della capacità di un veicolo in soli 30 minuti, mentre nel secondo (CC) il tempo si aggira sui minuti. Stazione di ricarica veloce Ricarica induttiva La ricarica induttiva si basa sul trasferimento di energia attraverso lʼaccoppiamento elettromagnetico di un circuito composto da due bobine: una annegata nel terreno o posizionata sopra il manto stradale e lʼaltra installata sul pianale dellʼauto. Sarà quindi sufficiente parcheggiare il veicolo in modo che le due piastre siano una sopra lʼaltra, anche non perfettamente allineate, per ricaricare le batterie, senza cavi e connettori da collegare e scollegare.

6 Sistema di ricarica induttiva Uno svantaggio di questa tecnologia, oltre alla maggiore complessità del sistema di ricarica, è rappresentato dal rendimento di trasferimento, che risulta normalmente pari al 90%. Ciò comporta che un 10% dellʼenergia elettrica vada perso nel processo di passaggio tra trasmettitore e ricevitore. I più recenti sviluppi della ricarica induttiva hanno portato alla riduzione delle perdite attraverso lʼimpiego di bobine più sottili, di frequenze di risonanza più elevate e grazie allʼottimizzazione della componentistica elettronica. Battery swap Anche se può essere considerata impropriamente come tecnologia di ricarica, questa soluzione prevede la sostituzione delle batterie in stazioni appositamente costruite ed attrezzate. Unʼoperazione che, nei veicoli opportunamente progettati, richiede pochi minuti, ma che comporta elevatissimi investimenti per le necessarie infrastrutture. Prestazioni delle batterie In passato, lo sviluppo dei veicoli elettrici è stato limitato dal fatto che gli accumulatori elettrochimici utilizzati non raggiungevano le prestazioni minime richieste per questo tipo di utilizzo. Le batterie più diffuse tradizionalmente sono quelle al piombo, tecnologicamente ed economicamente le più mature, ma caratterizzate da unʼenergia specifica troppo bassa, da durata breve e da prestazioni molto

7 variabili in base alle condizioni dʼutilizzo. Le batterie nichel/metalidruri, da parte loro, offrono prestazioni migliori, ma non ancora sufficienti, a fronte di un costo maggiore. Attualmente sono già industrializzate alcune tecnologie di accumulo che presentano caratteristiche adatte ad un utilizzo nel campo della trazione elettrica, con anche ampi margini di miglioramento economico, in grado di assicurare buone prestazioni. Le più promettenti sono le celle ioni-litio, con elettrolita liquido o polimerico. A queste si affianca la tecnologia sodio/cloruro di nichel, con buone prospettive, ma penalizzata dalle temperature di funzionamento elevate. I sistemi di accumulo per utilizzo veicolare devono avere: alti valori di energia e potenza specifiche, opportunamente bilanciati tra loro; elevata affidabilità e facilità di manutenzione; durata comparabile con la vita del veicolo; possibilità di ricarica in tempi brevi con alti valori di corrente; capacità di lavoro in un ampio campo di temperature (da -40 C a + 60 C) senza un significativo degrado delle prestazioni e della vita utile; prospettive di riduzione del costo del kwh allʼaumentare della produzione. Le prestazioni richieste agli accumulatori per uso veicolare si differenziano in funzione del tipo di veicolo su cui vengono utilizzati, puramente elettrici oppure ibridi. La principale differenza riguarda la capacità (e, di conseguenza, le dimensioni) che è legata in modo diretto allʼautonomia attesa in funzionamento elettrico. Un veicolo ibrido ha unʼautonomia molto limitata, che può variare da pochi chilometri a 60 km, mentre un veicolo totalmente elettrico ha la necessità di autonomie superiori ai 100 km. Inoltre, una batteria su un veicolo ibrido opera con un profilo di lavoro in cui normalmente non viene scaricata o caricata a fondo, ma è sottoposta a rapide variazioni di carico e a picchi di potenza sia in carica, sia in scarica. Al contrario, un accumulatore di un veicolo totalmente elettrico lavora con variazioni dello stato di carica molto più ampie e con più ridotta potenza massima di lavoro in rapporto allʼenergia nominale.

8 A fronte di queste esigenze, la ricerca nel settore delle batterie litio-ioni è molto attiva, alla luce proprio dellʼutilizzo su veicoli elettrici, puntando oltre che su migliori prestazioni anche su un aumento della sicurezza intrinseca delle celle. Integrazione nelle Smart Grid La possibilità di modulare le ricariche dei veicoli elettrici, quando sono connessi alla rete per lunghi periodi, rappresenta unʼimportante risorsa per i sistemi di controllo delle reti elettriche al fine di ottimizzare il sistema elettrico a fronte della discontinuità delle fonti rinnovabili dʼenergia. Le auto elettriche, infatti, sono un comodo serbatoio per immagazzinare gli eccessi della generazione da rinnovabili, ma anche un carico differibile in caso di scarsità di produzione. Tuttavia, perché questo scenario trovi piena attuazione, tutti i punti di ricarica, sia pubblici, sia privati, dovranno essere di tipo intelligente, cioè in grado di colloquiare direttamente con i sistemi di controllo delle Smart Grid.