Premetto che ho già cercato nel forum se ci fossero discussioni interessanti riguardo l'argomento, ma non ne ho trovate.
Detto ciò, la mia intenzione era di fare una panoramica più o meno completa riguardo l'argomento, scendendo, se possibile, anche su questioni più tecniche. Dividerò l'argomento in più parti (non so ancora quante).
Innanzitutto volevo consigliare la lettura di questo articolo, lungo ma estremamente ben fatto e di facile lettura, che introduce l'argomento:
How Tesla Will Change The World - Wait But Why
Allora, iniziamo con il fare alcune considerazioni energetiche. Cercherò di essere breve e coinciso, quindi forse anche un pò superficiale, ma l'argomento è stato approfondito già in altri topics. Innanzitutto, come saprete, le maggiori fonti che alimentano la nostra società sono i combustibili fossili: petrolio, gas naturale e carbone. Il petrolio viene usato principalmente dal sistema dei trasporti, mentre le altre due soprattutto nell'industria ed, in particolare, nella produzione dell'energia elettrica. Giusto per dare qualche dato: nel 2011 sono state consumate circa 14 GTEP (giga-tonnellate-equivalenti-di-petrolio, ossia 1.63E14 kWh, ossia 1.63E8 GWh) a livello mondiale da fonti primarie. Di queste l'82% provenivano da fonti fossili, 11% da rinnovabili (soprattutto da bio-combustibili del terzo mondo, i.e. legna), 2% idroelettrico, 5% nucleare.
Scendendo più nel dettaglio, solo circa il 20% di questa energia è stata usata per la conversione in energia elettrica (classificata, infatti, come fonte secondaria di energia). L'energia elettrica, come probabilmente sapete, viene ad oggi prodotta principalmente da centrali termoelettriche: carbone, per effettuare il cosiddetto "base-load", ossia la potenza minima indispensabile per far funzionare un paese, e gas naturale per il peak-load, che avviene durante le ore centrali della giornata. Inoltre ci sono; le rinnovabili solare ed eolico, ma non mi soffermo su pro-contro di queste tecnologie; nucleare fissile: usato soprattutto per il base-load a sostituire il carbone; idroelettrico: forma di energia molto versatile, usata molto per la regolazione dei parametri principali della rete (frequenza e potenza attiva).
Fatta questa breve ed, ahimè, superficiale panoramica, veniamo all'argomento principale: le auto elettriche.
Come funzionano?
Beh, innanzitutto il power-train può essere suddiviso in 3 parti: serbatoio di energia, controllo, attuatore (motore).
Il serbatoio di energia può, per le auto elettriche essere: una batteria, una super-capacità o una bombola ad idrogeno. Sulle ultime due non mi soffermo, in quanto le super-capacità sono ancora in stato embrionale, mentre per l'idrogeno servirebbe un topic a parte.
Le batterie. Le tecnologie principali usate ad oggi sono: Piombo (Pb-acido), Nickel-Metallo-Idruri (Ni-MH) e ioni di Litio (Li-ion). Le Pb-acido, probabilmente, le conoscete bene: ogni macchina con MCI (motori a combustione interna) ne usa una per la cosiddetta operazione di start-light-ignition. Sono batterie molto pesanti (contengono circa 40-60 Wh/kg di energia) ed hanno breve durata (500-1000 cicli di carica-scarica completa). Nelle auto elettriche vengono usate soprattutto per le mini-car: mezzi a bassa potenza (4 kW max) e con autonomia ridotta (100 km max con 10 kWh di batterie). Le Ni-MH, invece, hanno prestazioni migliori (100 Wh/kg), ma sono più delicate, in quanto risentono di un certo "effetto memoria", che ne riduce la capacità se si effettuano scariche incomplete. Tuttavia sono molto usate nei veicoli ibridi: quasi tutte le ibride Toyota hanno queste batterie che consento 5 km di autonomia in elettrico. Infine, ci sono le Li-ion.
Li-ion. Queste batterie sono quelle che, ad oggi, dominano il mercato delle auto elettriche. Offrono ottime prestazioni (le batterie delle Tesla di ultima generazione arrivano fino a 350 Wh/kg stimati per la Model 3) e buona durata di vita (sempre le batterie Tesla perdono circa il 3% di capacità ogni 50000 km e sono garantite 8 anni). Tuttavia costano veramente tanto: si parla di circa 200 $/kWh, che, a conti fatti, sono 20000$ per una batteria da 100 kWh, che dovrebbe garantire 450 km di autonomia.
Sviluppi futuri delle batterie. Per migliorare le prestazioni di una batteria servono soprattutto anni di ricerca su nuove composizioni chimiche e morfologiche dei materiali anodici e catodici. Per le batterie Li-ion si sta puntando molto sulla sostituzione degli anodi in grafite con quelli in Silicio o ibridi Silicio-Grafite, per esempio. Altre ricerche vengono effettuate sugli elettroliti ed, in particolare, sui solventi organici degli elettroliti delle batterie Li-ion, in modo da alzare la tensione delle celle (anche oltre i 5V per cella). Inoltre, si stanno sviluppando nuove chimiche: batterie metallo-aria, ioni di sodio (Na-ion)... Gli obiettivi principali comuni per tutte queste ricerche sono, comunque, essenzialmente tre: raggiungere un'energia specifica di almeno 1 kWh/kg, abbattere i costi sotto i 100$/kWh e sviluppare la ricarica veloce.
Motore elettrico. Innanzitutto esistono due grandi famiglie di macchine elettriche: macchine sincrone (dette anche "brushless") e macchine asincrone. Senza scendere nei dettagli teorici del loro funzionamento, le principali distinzioni sono:
-gli asincroni non necessitano di un sistema di controllo preciso: idealmente possono essere attaccati ad una presa elettrica ed essi iniziano a girare;
-i sincroni necessitano di un controllo molto preciso, che richiede, inoltre, di sapere con precisione la posizione angolare del rotore della macchina;
-i sincroni, generalmente, sviluppano coppie più elevate ed hanno efficienze di picco più elevate;
-gli asincroni hanno efficienze minori, ma possono operare a temperature (sul rotore) più elevate ed il recupero energetico è, dal punto di vista del controllo, un pelo più semplice;
Detto ciò, alla fine, per esempio, le Tesla usano solo motori asincroni, in quanto, se l'algoritmo di controllo è scritto bene, hanno un'efficienza media più elevata. Parlando di efficienze, i motori elettrici hanno efficienze molto più elevate dei MCI: gli elettrici hanno efficienze anche superiori al 95% in quasi tutti i regimi di funzionamento (se controllati bene), i termici, invece, hanno efficienze tipiche del 20%, che possono raggiungere picchi fino al 35% (motori diesel) in certi particolari regimi. Inoltre i motori elettrici hanno prestazioni più elevate: coppia istantanea, reattività ottima (latenze nell'ordine di 0.1-1 ms), possibilità di recupero energetico. Inoltre sono, tipicamente, molto più compatti, cosa che consente di mettere più motori sulla stessa auto, addirittura posizionandoli all'interno delle ruote stesse (in-wheel motor), ed hanno la possibilità di essere "direct-drive", ossia la totale assenza di ingranaggi di riduzione e marce a valle del motore (soprattutto con i motori sincroni).
Controllo. Nel paragrafo precedente ho sempre sottolineato che il controllo deve essere fatto bene. "Fatto bene", quando si parla di controlli, significa soprattutto precisione: ossia il controllore deve sempre sapere in che stato si trova la macchina istante per istante. Tipicamente, nelle auto, si effettua un controllo di coppia del motore, che, nel caso delle macchine elettriche, si traduce in un controllo di corrente: infatti la coppia è proporzionale alla corrente applicata. I motori elettrici usati sono, oramai sempre, di tipo trifase sinusoidale. Come sapete, però, le batterie danno in output solo tensioni costanti (continue), ma che, comunque, possono variare nel tempo a seconda della corrente erogata dalla batterie (cosa, in parole povere, dovuta alle resistenze interne della batteria stessa). Dunque sono necessari due elementi onnipresenti nei circuiti di potenza delle auto elettriche: un convertitore DC/DC (continua/continua), per fare in modo che la tensione di output del sistema batteria+converitore sia sempre costante (per esempio 500V), e un convertitore DC/AC3F (continua-alternata trifase), che alimenta con tensioni sinusoidali, a frequenza ed ampiezza variabili, il motore elettrico. Entrambi questi convertitori (detti statici, in quanto non hanno parti in movimento), si basano su interruttori a semiconduttori (si usano, tipicamente, i cosiddetti Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT), ossia sostanzialmente dei BJT comandati da un MOS-FET) che commutano con frequenze tipiche che vanno dai 10 kHz (semiconduttori in Si) ai 60 e più kHz (semiconduttori in carburo di Silicio, SiC). Questi semiconduttori possono portare correnti dell'ordine del kA e tenere tensioni dell'ordine dei kV. Dunque, come si può intendere, il controllo può aggiornare la corrente (e quindi la coppia) erogata al motore decine di migliaia di volte al secondo, ottenendo delle latenze estremamente basse. Tuttavia, per fare tutti i calcoli necessari a generare l'output finale di corrente da erogare al motore, sono necessari microprocessori sufficientemente potenti, a seconda dell'algoritmo di controllo usato. Si parte da configurazioni base con processori ARM a 32-bit e 60 MHz a cui tipicamente vengono affiancate board dotate di FPGA per la gestione delle misure ed il controllo di eventuali "fault" del sistema. Gli algoritmi più avanzati, come i predittivi e i sensorless, necessitano, invece, di potenze di calcolo maggiori, in quanto al loro interno viene implementato un modello matematico della macchina elettrica ed, addirittura, si ricavano da soli i vari parametri della macchina (resistenza, induttanza, flusso magnetico dei magneti permanenti) ma mano che essa "gira". In conclusione, grazie a questi sistemi (che, badate bene, sono tutt'altro che lineari), si possono far funzionare i motori elettrici (variando coppia e velocità) sempre alla massima efficienza ed, inoltre, consentono anche il recupero energetico in maniera molto efficiente.
FINE PRIMA PARTE (a breve metterò una seconda parte in cui farò dei discorsi più generali, ma anche più dibattuti)
- - - Updated - - -
SECONDA PARTE
Sapendo ora, più o meno, come funziona un'auto elettrica, possiamo dedicarci alle problematiche ed ai vantaggi di questo sistema di trasporto ed ai miti e leggende che ne derivano.
CO2 free. Le auto elettriche, di per sé, non producono gas serra ed inquinanti. La prima conseguenza di ciò è che l'aria delle nostre città sarà molto più pulita. In un mondo futuro (prossimo, spero), l'aria di città potrebbe potenzialmente essere pulita quasi tanto quanto l'aria di montagna, tutto, ovviamente, a beneficio dei cittadini. La seconda conseguenza sarebbe una riduzione dei gas serra. Ma ciò è effettivamente vero? Circa. Bisogna ricordarsi che i combustibili fossili verrebbero comunque usati in maniera massiccia per produrre l'energia elettrica necessaria. Tuttavia si possono fare alcuni calcoli. Mediamente l'energia elettrica viene prodotta nelle nostre centrali con un'efficienza del 35-40%, la rete elettrica distribuisce l'energia con un efficienza media del 95%, a valle di ciò ci sono i vari convertitori statici del carica batteria (97%), nonché la batteria (efficienza di ciclo 90%) ed il motore (95%). Si ottiene un'efficienza finale del 28%. Parimenti, per un'auto a MCI, si può calcolare 90% efficienza di estrazione, 55% efficienza di distribuzione, 20% efficienza motore. Si ottiene circa il 10%. Nonostante tutto le auto elettriche rimangono circa 3 volte più efficienti. Se, infine, calcoliamo che per muovere un'auto di una tonnellata servono 120 Wh/km alle ruote, risulta che un'auto elettrica consuma circa 430 Wh/km di energia primaria, mentre un'auto termica circa 1200 Wh/km (tenete conto che variando le varie percentuali il risultato cambia di poco e gli ordini di grandezza sono circa gli stessi). Ipotizzando che tutta l'elettricità prodotta provenga dal carbone, poichè il carbone produce 1kg/kWh di CO2, allora risulta che un'auto elettrica produrrebbe circa 430 g/km di CO2. Vice-versa, sapendo che il petrolio grezzo produce circa 0.25 kg/kWh di CO2, si otterrebbero 300 g/km di CO2, che è ben più basso di un'auto elettrica. Tuttavia non è assolutamente vero che tutta l'energia elettrica viene prodotta del carbone, per esempio in Francia il 75% dell'energia elettrica viene prodotta dal nucleare ed infatti un'auto elettrica produce circa 75 gCO2/km. In Italia dove il 50% dell'energia elettrica viene dal gas naturale, un'elettrica produce circa 170 g/km. Solo in India, dove si fa uso massiccio di carbone, si raggiungono circa 350 g/km, mentre la Cina viaggia sui 250 g/km. Inoltre si deve considerare l'esponenzialmente crescente ruolo delle rinnovabili, che dovrebbero fortemente ridurre la produzione di CO2 del nostro sistema elettrico, a cui si possono aggiungere: il ruolo del nucleare in Cina (sta andando avanti ad un ritmo di quasi 20 centrali nuove all'anno) e l'avvento delle tecnologia di cattura e stoccaggio di CO2 (carbon capture and storage CCS) che verranno applicate alle centrali a carbone (impianti pilota si trovano anche in Italia).
FINE SECONDA PARTE (questo pezzo mi è costato parecchio tempo :grat: nel prossimo descriverò la range anxiety)
- - - Updated - - -
TERZA PARTE
Range anxiety. Per definizione è la paura che il proprio veicolo non abbia autonomia sufficiente per raggiungere la propria destinazione e che, quindi, si rimanga "appiedati" a metà strada. Dunque è un problema strettamente correlato all'autonomia dei veicoli elettrici. Ad oggi, una buona auto elettrica ha un'autonomia sui 300 km ed in futuro, probabilmente già entro il 2020, tutte le auto elettriche potrebbero avere almeno 300 km di autonomia. Di per sé, questa autonomia è più che sufficiente per coprire le tratte giornaliere di più del 90% dei patentati in circolazione. Inoltre si dovrebbe tener conto che tipicamente la gente caricherà la macchina la notte per trovarsela completamente carica la mattina seguente, in modo da arrivare a fine giornata senza problemi. Inoltre c'è da dire che per la maggior parte del tempo la macchina rimane ferma e, se in futuro ci sarà una buona capillarità delle colonnine di ricarica, la macchina potrà venir ricaricata fintanto che sarà parcheggiata. Infatti, un modo molto veloce ed efficiente per abbattere la range anxiety, più che aumentare la capacità delle batterie, è certamente estendere e rendere via via più capillare la rete di stazioni di ricarica. Ciò è, in effetti, una cosa su cui sta investendo molto la Tesla, ma anche altre compagnie tipo ENEL.Certamente questa soluzione si porta dietro due problemi: i tempi di ricarica e la potenza che la colonnina può erogare. Riguardo ai tempi di ricarica, ad oggi, si sono fatti passi da gigante, soprattutto spinti dai sistemi di quick-charge degli smartphone e quant'altro.
Prima di fare altre affermazioni, bisogna sapere come avviene la carica delle batterie, in generale:
-fase uno: carica a corrente impressa, la batteria viene ricaricata molto velocemente imponendo alte correnti in ingresso, tuttavia, a causa delle resistenze interne della batteria, in questo modo essa può essere ricaricata solo fno a circa l'80%;
-fase due: carica a tensione impressa: una volta arrivati a circa l'80%, si mantiene una tensione costante ai morsetti della batteria, in questo modo la corrente ed il tasso di carica vengono "decisi" in maniera naturale dalla batteria stessa, il livello di carica salirà, quindi, in maniera asintotica verso il 100%, in maniera, però, molto più lenta (simile ad un circuito RC, per chi se ne intende);
Da ciò, si capisce perchè, tipicamente, le case pubblicizzano sempre la ricarica veloce con frasi tipo "la batteria si ricarica fino all'80% in 15 min" e così via. Dietro questa frase c'è, di fatto, una precisa liitazione fisica imposta dalla batteria stessa. Ad oggi, le ricariche veloce consentono di raggiungere l'80% circa di carica in 20/30 min, che, a pensarci bene, è un ottimo tempo, soprattutto se si considera che ciò viene fatto dopo un viaggio di 300 km (circa 3h di auto).
A questo punto sopraggiunge il secondo problema: la colonnina di ricarica riesce veramente ad erogare la potenza elettrica necessaria? Ni. Secondo specifica le colonnine SuperCharger della Tesla possono erogare 120 kW di potenza massima, ossia 120 kJ/s. Una batteria che garantisca 300 km di autonomia tipicamente ha 60 kWh (anche meno, ma teniamoci larghi), ossia contiene 216 MJ circa, il che significa che, idealmente verrebbe ricaricata in 30 min. Tuttavia si riesce a mantenere quei livelli di potenza solo fino all'80% della carica, ossia solo per i primi 172.8 MJ, che verrebbero riforniti in 24 min. Però, quel livello di potenza non viene sempre mantenuto del supercharger: infatti un'auto in ricarica, dal punto di vista della rete elettrica, corrisponde ad un carico bello grosso che viene mantenuto solo per pochi minuti, cosa che può disturbare la rete di media tensione (MT) locale al quale viene attaccato. La cosa si fa sentire di più soprattutto se la colonnina si trova in zone isolate, dove essa è l'unico carico in un raggio di qualche decina di km. Infatti, per sopperire a questa "mancanza di potenza" dalla rete i supercharger sono quasi sempre equipaggiati con impianti fotovoltaici, che, inoltre, fanno anche bella figura per ovvi motivi (N.B.: questo discorso dovrebbe essere approfondito). Un altro problema strettamente legato alle potenze che devono essere erogate alle batterie è: se tutti caricano l'auto di notte, la rete regge? Ad oggi, probabilmente, se tutti di notte richiedessero i 3 kW pieni, probabilmente la rete non reggerebbe. Per due motivi: ad oggi, di notte, non si programmano mai le centrali per funzionare tutte a pieno regime, ma questo problema può essere facilmente risolto, inoltre la rete di bassa tensione, che alimenta le nostre case, non viene mai dimensionata contando che tutte le utenze consumino i 3 kW contemporaneamente.
Riguardo il primo problema, c'è da dire che, per quanto non sia difficile da risolvere, è anche vero che di notte l'unica rinnovabile che funzione è l'eolico, quindi, IN ITALIA, si ricaricherebbe l'auto sfruttando soprattutto: il nucleare della francia e il carbone, con un altro 10% di idroelettrico. In Italia, infatti, l'eolico non andrà mai oltre i 12 GW di potenza installata, in quanto nel nostro paese il "potenziale eolico" è piuttosto scarso.
Anche il secondo problema, in realtà, non è così difficile da risolvere: basta aumentare la capacità delle reti di media e bassa tensione delle nostre città, cosa che non richiede particolari sforzi tecnologici, ma solo economici. Tuttavia, lo sforzo economico sarebbe pienamente giustificato dalla grossa richiesta di energia che si avrebbe.
In conclusione, la range anxiety ed l'autonomia non sono un problema, ma piuttosto una paranoia, alimentata soprattutto dalla scarsa conoscenza di un prodotto nuovo come le auto elettriche.
E con questa parte direi di aver concluso le tematiche principale. Ora la parola passa a voi. Spero che questa discussione proceda in maniera costruttiva e segnalo che, certamente, qualche imprecisione ci sarà in quello che ho scritto.
Detto ciò, la mia intenzione era di fare una panoramica più o meno completa riguardo l'argomento, scendendo, se possibile, anche su questioni più tecniche. Dividerò l'argomento in più parti (non so ancora quante).
Innanzitutto volevo consigliare la lettura di questo articolo, lungo ma estremamente ben fatto e di facile lettura, che introduce l'argomento:
How Tesla Will Change The World - Wait But Why
Allora, iniziamo con il fare alcune considerazioni energetiche. Cercherò di essere breve e coinciso, quindi forse anche un pò superficiale, ma l'argomento è stato approfondito già in altri topics. Innanzitutto, come saprete, le maggiori fonti che alimentano la nostra società sono i combustibili fossili: petrolio, gas naturale e carbone. Il petrolio viene usato principalmente dal sistema dei trasporti, mentre le altre due soprattutto nell'industria ed, in particolare, nella produzione dell'energia elettrica. Giusto per dare qualche dato: nel 2011 sono state consumate circa 14 GTEP (giga-tonnellate-equivalenti-di-petrolio, ossia 1.63E14 kWh, ossia 1.63E8 GWh) a livello mondiale da fonti primarie. Di queste l'82% provenivano da fonti fossili, 11% da rinnovabili (soprattutto da bio-combustibili del terzo mondo, i.e. legna), 2% idroelettrico, 5% nucleare.
Scendendo più nel dettaglio, solo circa il 20% di questa energia è stata usata per la conversione in energia elettrica (classificata, infatti, come fonte secondaria di energia). L'energia elettrica, come probabilmente sapete, viene ad oggi prodotta principalmente da centrali termoelettriche: carbone, per effettuare il cosiddetto "base-load", ossia la potenza minima indispensabile per far funzionare un paese, e gas naturale per il peak-load, che avviene durante le ore centrali della giornata. Inoltre ci sono; le rinnovabili solare ed eolico, ma non mi soffermo su pro-contro di queste tecnologie; nucleare fissile: usato soprattutto per il base-load a sostituire il carbone; idroelettrico: forma di energia molto versatile, usata molto per la regolazione dei parametri principali della rete (frequenza e potenza attiva).
Fatta questa breve ed, ahimè, superficiale panoramica, veniamo all'argomento principale: le auto elettriche.
Come funzionano?
Beh, innanzitutto il power-train può essere suddiviso in 3 parti: serbatoio di energia, controllo, attuatore (motore).
Il serbatoio di energia può, per le auto elettriche essere: una batteria, una super-capacità o una bombola ad idrogeno. Sulle ultime due non mi soffermo, in quanto le super-capacità sono ancora in stato embrionale, mentre per l'idrogeno servirebbe un topic a parte.
Le batterie. Le tecnologie principali usate ad oggi sono: Piombo (Pb-acido), Nickel-Metallo-Idruri (Ni-MH) e ioni di Litio (Li-ion). Le Pb-acido, probabilmente, le conoscete bene: ogni macchina con MCI (motori a combustione interna) ne usa una per la cosiddetta operazione di start-light-ignition. Sono batterie molto pesanti (contengono circa 40-60 Wh/kg di energia) ed hanno breve durata (500-1000 cicli di carica-scarica completa). Nelle auto elettriche vengono usate soprattutto per le mini-car: mezzi a bassa potenza (4 kW max) e con autonomia ridotta (100 km max con 10 kWh di batterie). Le Ni-MH, invece, hanno prestazioni migliori (100 Wh/kg), ma sono più delicate, in quanto risentono di un certo "effetto memoria", che ne riduce la capacità se si effettuano scariche incomplete. Tuttavia sono molto usate nei veicoli ibridi: quasi tutte le ibride Toyota hanno queste batterie che consento 5 km di autonomia in elettrico. Infine, ci sono le Li-ion.
Li-ion. Queste batterie sono quelle che, ad oggi, dominano il mercato delle auto elettriche. Offrono ottime prestazioni (le batterie delle Tesla di ultima generazione arrivano fino a 350 Wh/kg stimati per la Model 3) e buona durata di vita (sempre le batterie Tesla perdono circa il 3% di capacità ogni 50000 km e sono garantite 8 anni). Tuttavia costano veramente tanto: si parla di circa 200 $/kWh, che, a conti fatti, sono 20000$ per una batteria da 100 kWh, che dovrebbe garantire 450 km di autonomia.
Sviluppi futuri delle batterie. Per migliorare le prestazioni di una batteria servono soprattutto anni di ricerca su nuove composizioni chimiche e morfologiche dei materiali anodici e catodici. Per le batterie Li-ion si sta puntando molto sulla sostituzione degli anodi in grafite con quelli in Silicio o ibridi Silicio-Grafite, per esempio. Altre ricerche vengono effettuate sugli elettroliti ed, in particolare, sui solventi organici degli elettroliti delle batterie Li-ion, in modo da alzare la tensione delle celle (anche oltre i 5V per cella). Inoltre, si stanno sviluppando nuove chimiche: batterie metallo-aria, ioni di sodio (Na-ion)... Gli obiettivi principali comuni per tutte queste ricerche sono, comunque, essenzialmente tre: raggiungere un'energia specifica di almeno 1 kWh/kg, abbattere i costi sotto i 100$/kWh e sviluppare la ricarica veloce.
Motore elettrico. Innanzitutto esistono due grandi famiglie di macchine elettriche: macchine sincrone (dette anche "brushless") e macchine asincrone. Senza scendere nei dettagli teorici del loro funzionamento, le principali distinzioni sono:
-gli asincroni non necessitano di un sistema di controllo preciso: idealmente possono essere attaccati ad una presa elettrica ed essi iniziano a girare;
-i sincroni necessitano di un controllo molto preciso, che richiede, inoltre, di sapere con precisione la posizione angolare del rotore della macchina;
-i sincroni, generalmente, sviluppano coppie più elevate ed hanno efficienze di picco più elevate;
-gli asincroni hanno efficienze minori, ma possono operare a temperature (sul rotore) più elevate ed il recupero energetico è, dal punto di vista del controllo, un pelo più semplice;
Detto ciò, alla fine, per esempio, le Tesla usano solo motori asincroni, in quanto, se l'algoritmo di controllo è scritto bene, hanno un'efficienza media più elevata. Parlando di efficienze, i motori elettrici hanno efficienze molto più elevate dei MCI: gli elettrici hanno efficienze anche superiori al 95% in quasi tutti i regimi di funzionamento (se controllati bene), i termici, invece, hanno efficienze tipiche del 20%, che possono raggiungere picchi fino al 35% (motori diesel) in certi particolari regimi. Inoltre i motori elettrici hanno prestazioni più elevate: coppia istantanea, reattività ottima (latenze nell'ordine di 0.1-1 ms), possibilità di recupero energetico. Inoltre sono, tipicamente, molto più compatti, cosa che consente di mettere più motori sulla stessa auto, addirittura posizionandoli all'interno delle ruote stesse (in-wheel motor), ed hanno la possibilità di essere "direct-drive", ossia la totale assenza di ingranaggi di riduzione e marce a valle del motore (soprattutto con i motori sincroni).
Controllo. Nel paragrafo precedente ho sempre sottolineato che il controllo deve essere fatto bene. "Fatto bene", quando si parla di controlli, significa soprattutto precisione: ossia il controllore deve sempre sapere in che stato si trova la macchina istante per istante. Tipicamente, nelle auto, si effettua un controllo di coppia del motore, che, nel caso delle macchine elettriche, si traduce in un controllo di corrente: infatti la coppia è proporzionale alla corrente applicata. I motori elettrici usati sono, oramai sempre, di tipo trifase sinusoidale. Come sapete, però, le batterie danno in output solo tensioni costanti (continue), ma che, comunque, possono variare nel tempo a seconda della corrente erogata dalla batterie (cosa, in parole povere, dovuta alle resistenze interne della batteria stessa). Dunque sono necessari due elementi onnipresenti nei circuiti di potenza delle auto elettriche: un convertitore DC/DC (continua/continua), per fare in modo che la tensione di output del sistema batteria+converitore sia sempre costante (per esempio 500V), e un convertitore DC/AC3F (continua-alternata trifase), che alimenta con tensioni sinusoidali, a frequenza ed ampiezza variabili, il motore elettrico. Entrambi questi convertitori (detti statici, in quanto non hanno parti in movimento), si basano su interruttori a semiconduttori (si usano, tipicamente, i cosiddetti Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT), ossia sostanzialmente dei BJT comandati da un MOS-FET) che commutano con frequenze tipiche che vanno dai 10 kHz (semiconduttori in Si) ai 60 e più kHz (semiconduttori in carburo di Silicio, SiC). Questi semiconduttori possono portare correnti dell'ordine del kA e tenere tensioni dell'ordine dei kV. Dunque, come si può intendere, il controllo può aggiornare la corrente (e quindi la coppia) erogata al motore decine di migliaia di volte al secondo, ottenendo delle latenze estremamente basse. Tuttavia, per fare tutti i calcoli necessari a generare l'output finale di corrente da erogare al motore, sono necessari microprocessori sufficientemente potenti, a seconda dell'algoritmo di controllo usato. Si parte da configurazioni base con processori ARM a 32-bit e 60 MHz a cui tipicamente vengono affiancate board dotate di FPGA per la gestione delle misure ed il controllo di eventuali "fault" del sistema. Gli algoritmi più avanzati, come i predittivi e i sensorless, necessitano, invece, di potenze di calcolo maggiori, in quanto al loro interno viene implementato un modello matematico della macchina elettrica ed, addirittura, si ricavano da soli i vari parametri della macchina (resistenza, induttanza, flusso magnetico dei magneti permanenti) ma mano che essa "gira". In conclusione, grazie a questi sistemi (che, badate bene, sono tutt'altro che lineari), si possono far funzionare i motori elettrici (variando coppia e velocità) sempre alla massima efficienza ed, inoltre, consentono anche il recupero energetico in maniera molto efficiente.
FINE PRIMA PARTE (a breve metterò una seconda parte in cui farò dei discorsi più generali, ma anche più dibattuti)
- - - Updated - - -
SECONDA PARTE
Sapendo ora, più o meno, come funziona un'auto elettrica, possiamo dedicarci alle problematiche ed ai vantaggi di questo sistema di trasporto ed ai miti e leggende che ne derivano.
CO2 free. Le auto elettriche, di per sé, non producono gas serra ed inquinanti. La prima conseguenza di ciò è che l'aria delle nostre città sarà molto più pulita. In un mondo futuro (prossimo, spero), l'aria di città potrebbe potenzialmente essere pulita quasi tanto quanto l'aria di montagna, tutto, ovviamente, a beneficio dei cittadini. La seconda conseguenza sarebbe una riduzione dei gas serra. Ma ciò è effettivamente vero? Circa. Bisogna ricordarsi che i combustibili fossili verrebbero comunque usati in maniera massiccia per produrre l'energia elettrica necessaria. Tuttavia si possono fare alcuni calcoli. Mediamente l'energia elettrica viene prodotta nelle nostre centrali con un'efficienza del 35-40%, la rete elettrica distribuisce l'energia con un efficienza media del 95%, a valle di ciò ci sono i vari convertitori statici del carica batteria (97%), nonché la batteria (efficienza di ciclo 90%) ed il motore (95%). Si ottiene un'efficienza finale del 28%. Parimenti, per un'auto a MCI, si può calcolare 90% efficienza di estrazione, 55% efficienza di distribuzione, 20% efficienza motore. Si ottiene circa il 10%. Nonostante tutto le auto elettriche rimangono circa 3 volte più efficienti. Se, infine, calcoliamo che per muovere un'auto di una tonnellata servono 120 Wh/km alle ruote, risulta che un'auto elettrica consuma circa 430 Wh/km di energia primaria, mentre un'auto termica circa 1200 Wh/km (tenete conto che variando le varie percentuali il risultato cambia di poco e gli ordini di grandezza sono circa gli stessi). Ipotizzando che tutta l'elettricità prodotta provenga dal carbone, poichè il carbone produce 1kg/kWh di CO2, allora risulta che un'auto elettrica produrrebbe circa 430 g/km di CO2. Vice-versa, sapendo che il petrolio grezzo produce circa 0.25 kg/kWh di CO2, si otterrebbero 300 g/km di CO2, che è ben più basso di un'auto elettrica. Tuttavia non è assolutamente vero che tutta l'energia elettrica viene prodotta del carbone, per esempio in Francia il 75% dell'energia elettrica viene prodotta dal nucleare ed infatti un'auto elettrica produce circa 75 gCO2/km. In Italia dove il 50% dell'energia elettrica viene dal gas naturale, un'elettrica produce circa 170 g/km. Solo in India, dove si fa uso massiccio di carbone, si raggiungono circa 350 g/km, mentre la Cina viaggia sui 250 g/km. Inoltre si deve considerare l'esponenzialmente crescente ruolo delle rinnovabili, che dovrebbero fortemente ridurre la produzione di CO2 del nostro sistema elettrico, a cui si possono aggiungere: il ruolo del nucleare in Cina (sta andando avanti ad un ritmo di quasi 20 centrali nuove all'anno) e l'avvento delle tecnologia di cattura e stoccaggio di CO2 (carbon capture and storage CCS) che verranno applicate alle centrali a carbone (impianti pilota si trovano anche in Italia).
FINE SECONDA PARTE (questo pezzo mi è costato parecchio tempo :grat: nel prossimo descriverò la range anxiety)
- - - Updated - - -
TERZA PARTE
Range anxiety. Per definizione è la paura che il proprio veicolo non abbia autonomia sufficiente per raggiungere la propria destinazione e che, quindi, si rimanga "appiedati" a metà strada. Dunque è un problema strettamente correlato all'autonomia dei veicoli elettrici. Ad oggi, una buona auto elettrica ha un'autonomia sui 300 km ed in futuro, probabilmente già entro il 2020, tutte le auto elettriche potrebbero avere almeno 300 km di autonomia. Di per sé, questa autonomia è più che sufficiente per coprire le tratte giornaliere di più del 90% dei patentati in circolazione. Inoltre si dovrebbe tener conto che tipicamente la gente caricherà la macchina la notte per trovarsela completamente carica la mattina seguente, in modo da arrivare a fine giornata senza problemi. Inoltre c'è da dire che per la maggior parte del tempo la macchina rimane ferma e, se in futuro ci sarà una buona capillarità delle colonnine di ricarica, la macchina potrà venir ricaricata fintanto che sarà parcheggiata. Infatti, un modo molto veloce ed efficiente per abbattere la range anxiety, più che aumentare la capacità delle batterie, è certamente estendere e rendere via via più capillare la rete di stazioni di ricarica. Ciò è, in effetti, una cosa su cui sta investendo molto la Tesla, ma anche altre compagnie tipo ENEL.Certamente questa soluzione si porta dietro due problemi: i tempi di ricarica e la potenza che la colonnina può erogare. Riguardo ai tempi di ricarica, ad oggi, si sono fatti passi da gigante, soprattutto spinti dai sistemi di quick-charge degli smartphone e quant'altro.
Prima di fare altre affermazioni, bisogna sapere come avviene la carica delle batterie, in generale:
-fase uno: carica a corrente impressa, la batteria viene ricaricata molto velocemente imponendo alte correnti in ingresso, tuttavia, a causa delle resistenze interne della batteria, in questo modo essa può essere ricaricata solo fno a circa l'80%;
-fase due: carica a tensione impressa: una volta arrivati a circa l'80%, si mantiene una tensione costante ai morsetti della batteria, in questo modo la corrente ed il tasso di carica vengono "decisi" in maniera naturale dalla batteria stessa, il livello di carica salirà, quindi, in maniera asintotica verso il 100%, in maniera, però, molto più lenta (simile ad un circuito RC, per chi se ne intende);
Da ciò, si capisce perchè, tipicamente, le case pubblicizzano sempre la ricarica veloce con frasi tipo "la batteria si ricarica fino all'80% in 15 min" e così via. Dietro questa frase c'è, di fatto, una precisa liitazione fisica imposta dalla batteria stessa. Ad oggi, le ricariche veloce consentono di raggiungere l'80% circa di carica in 20/30 min, che, a pensarci bene, è un ottimo tempo, soprattutto se si considera che ciò viene fatto dopo un viaggio di 300 km (circa 3h di auto).
A questo punto sopraggiunge il secondo problema: la colonnina di ricarica riesce veramente ad erogare la potenza elettrica necessaria? Ni. Secondo specifica le colonnine SuperCharger della Tesla possono erogare 120 kW di potenza massima, ossia 120 kJ/s. Una batteria che garantisca 300 km di autonomia tipicamente ha 60 kWh (anche meno, ma teniamoci larghi), ossia contiene 216 MJ circa, il che significa che, idealmente verrebbe ricaricata in 30 min. Tuttavia si riesce a mantenere quei livelli di potenza solo fino all'80% della carica, ossia solo per i primi 172.8 MJ, che verrebbero riforniti in 24 min. Però, quel livello di potenza non viene sempre mantenuto del supercharger: infatti un'auto in ricarica, dal punto di vista della rete elettrica, corrisponde ad un carico bello grosso che viene mantenuto solo per pochi minuti, cosa che può disturbare la rete di media tensione (MT) locale al quale viene attaccato. La cosa si fa sentire di più soprattutto se la colonnina si trova in zone isolate, dove essa è l'unico carico in un raggio di qualche decina di km. Infatti, per sopperire a questa "mancanza di potenza" dalla rete i supercharger sono quasi sempre equipaggiati con impianti fotovoltaici, che, inoltre, fanno anche bella figura per ovvi motivi (N.B.: questo discorso dovrebbe essere approfondito). Un altro problema strettamente legato alle potenze che devono essere erogate alle batterie è: se tutti caricano l'auto di notte, la rete regge? Ad oggi, probabilmente, se tutti di notte richiedessero i 3 kW pieni, probabilmente la rete non reggerebbe. Per due motivi: ad oggi, di notte, non si programmano mai le centrali per funzionare tutte a pieno regime, ma questo problema può essere facilmente risolto, inoltre la rete di bassa tensione, che alimenta le nostre case, non viene mai dimensionata contando che tutte le utenze consumino i 3 kW contemporaneamente.
Riguardo il primo problema, c'è da dire che, per quanto non sia difficile da risolvere, è anche vero che di notte l'unica rinnovabile che funzione è l'eolico, quindi, IN ITALIA, si ricaricherebbe l'auto sfruttando soprattutto: il nucleare della francia e il carbone, con un altro 10% di idroelettrico. In Italia, infatti, l'eolico non andrà mai oltre i 12 GW di potenza installata, in quanto nel nostro paese il "potenziale eolico" è piuttosto scarso.
Anche il secondo problema, in realtà, non è così difficile da risolvere: basta aumentare la capacità delle reti di media e bassa tensione delle nostre città, cosa che non richiede particolari sforzi tecnologici, ma solo economici. Tuttavia, lo sforzo economico sarebbe pienamente giustificato dalla grossa richiesta di energia che si avrebbe.
In conclusione, la range anxiety ed l'autonomia non sono un problema, ma piuttosto una paranoia, alimentata soprattutto dalla scarsa conoscenza di un prodotto nuovo come le auto elettriche.
E con questa parte direi di aver concluso le tematiche principale. Ora la parola passa a voi. Spero che questa discussione proceda in maniera costruttiva e segnalo che, certamente, qualche imprecisione ci sarà in quello che ho scritto.
