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OrizzontEnergia

Auto elettrica

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In realtà l’auto elettrica (EV – Electric Vehicle o BEV - Battery Electric Vehicle), rivoluzione tecnologica che dovrebbe contribuire ad una mobilità più sostenibile, era già commercializzata negli anni ‘30 del 1800!

Grazie al belga Camille Jenatzy, già nel 1899, per la prima volta, un'auto elettrica superò il muro dei 100 km/h, coprendo il chilometro lanciato in 34 secondi.

Negli anni ’10 del Novecento le auto a benzina hanno soppiantato le auto elettriche che non furono in grado di evolvere per i limiti tecnologici dell’epoca, particolarmente riguardo alle batterie.

Nonostante l’ottima immagine pubblica e le politiche di sostegno a suo favore, la penetrazione dell’auto elettrica nel mercato è in realtà ancora oggi molto modesta: alle 50.000 unità elettriche immatricolate nel 2012 negli USA, su un totale di 14 milioni di nuove immatricolazioni di vetture tradizionali, si contrappongono le sole 500 immatricolazioni italiane, quasi unicamente facenti capo a istituzioni o enti.

I modelli attualmente in commercio sono adatti a percorrenze urbane o – al massimo – a coprire breve distanze extraurbane e soffrono ancora di alti costi e insufficienti infrastrutture per la ricarica.

 

COME FUNZIONA UN'AUTO ELETTRICA OGGI

Div/1 EN/4 RISP/MOBILITA'_COSA FARE_Div3_auto eco.jpgLa pura auto elettrica in sostanza è un veicolo che converte l’energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
chimica contenuta nelle batterie in energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
e quindi, tramite un motore elettrico, in energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
, destinata a muovere il mezzo.

Dall’esterno l’auto elettrica è come un auto tradizionale a benzina o diesel.

E’ aprendo il cofano che si scoprono le differenze. Il motore a benzina è sostituito da un motore elettrico. Non ci sono cambio e frizione visto che generalmente il motore elettrico è a presa diretta (direttamente accoppiato al differenziale ed alle ruote) e neppure esiste un tubo di scappamento od un serbatoio della benzina, che di fatto è sostituito dalla batteria.

In realtà le componenti ed il funzionamento dell’auto elettrica sono minori e più semplici dell’auto a combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
interna (più elettronica e meno meccanica).

 

COMPONENTI DELL’AUTO ELETTRICA

BATTERIE

Le batterie utilizzate dalle autovetture elettriche utilizzano il medesimo principio della pila scoperto da Alessandro Volta nel 1799, cioè la conversione di energia chimica in energia elettrica. Ciò avviene mediante una reazione di ossidoriduzione nella quale una sostanza si ossida perdendo elettroni che transitano verso una seconda sostanza, producendo di conseguenza un flusso di elettroni fra le due sostanze attraverso un elettrolita, e quindi un flusso di corrente continua. Le due sostanze, per evitare il cortocircuito, sono tenute divise da un separatore. Il trucco è utilizzare batterie ricaricabili in modo che il processo non si esaurisca in una sola volta ma si possa ripetere molte volte.

Sebbene il principio di base sia rimasto lo stesso dalla sua invenzione, nel tempo si sono succedute numerose batterie di tipi molto diversi fra loro. Data la grande confusione su questo argomento, è necessaria una breve digressione sui tipi di batterie esistenti con la precisazione che, per evidenti ragioni di spazio, non è possibile trattare accuratamente tutti i numerosi tipi di batterie esistenti e tantomeno i numerosi tipi di batterie in via di sperimentazione. Ci limiteremo quindi soltanto a brevi cenni sulle caratteristiche delle batterie dei tipi più diffusi.

  • La pila alcalina è quella più comunemente utilizzata nei telecomandi e nei giochi per bambini. Inventate negli anni ’50 del 1900, utilizzano biossido di manganese e zinco metallico, immersi in un elettrolita formato da una gelatina alcalina a base di idrossido di potassiopotassio
    Elemento chimico che si trova prevalentemente sottoforma di minerali sulla crosta terrestre (per esempio nell' argilla). Il potassio contenuto nel corpo umano è quasi tutto presente nei liquidi intracellulari. L'applicazione industriale più importante del potassio è la produzione di fertilizzanti. Viene anche impiegato nell'industria del vetro e anche nell'industria farmaceutica.
    . Non sono utilizzate nelle vetture elettriche;
  • La batteria al nichel-cadmio NiCd, di aspetto simile alle batterie alcaline, utilizzate in settori particolari. Non sono utilizzate nelle vetture elettriche;
  • Batterie al piombo-acido: Si tratta di uno dei tipi più diffusi di batteria nel settore automobilistico: sono quelle utilizzate dai motori di avviamento per mettere in moto i motori termici delle vetture “normali”, ma sono anche usate come batterie di trazione nei mezzi di movimentazione (muletti, transpallet) nella logistica del settore industriale e commerciale, mezzi che non sono autorizzati a circolare sulle strade pubbliche. Non sono utilizzati come batterie di trazione in nessuna autovettura elettrica;
  • Batterie al nichel-metallo idruro NIMH - Una volta erano diffusamente utilizzate nelle vetture elettriche: le prime Prius avevano questo tipo di batterie, così come anche la Honda Insight. Oggi sono quasi completamente sostituite dalle batterie agli ioni di litio. Simili alle batterie al nichel-cadmio, dove l’anodo anziché essere cadmio è una lega, hanno capacità superiore rispetto alle Ni-Cd e l’effetto memoria è meno rilevante, ma rispetto alle batterie al litio hanno maggiore autoscarica e minore densità di energia;
  • Batterie agli ioni di litio Li-ion - Sono batterie ermeticamente sigillate: tutti i nostri cellulari e computer portatili hanno questo tipo di batterie, grazie all’ottimo rapporto peso-potenzapotenza
    Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
    , ad un effetto memoria molto ridotto ed anche ad una lentissima perdita di carica quando non in uso (autoscarica). Il vantaggio costituito dalla densità di carica elevata è però compensato dal costo e da una vita non lunghissima: si parla di mesi o al massimo di qualche anno. Ecco perché alcune marche di auto elettriche affittano i pacchi batteria ai clienti che acquistano le vetture. Queste batterie sono molto utilizzate anche come batterie di trazione nelle autovetture elettriche; dalle informazioni disponibili, le più diffuse batterie Li-ion non contengono 
    metalli pesantimetalli pesanti
    Metalli come il piombo, il cadmio e il mercurio che hanno elevata massa atomica e densità superiore ai 5 g/cm3. Alcuni metalli pesanti (per esempio il rame, lo zinco e il selenio), se presenti in tracce, sono fondamentali per mantenere un equilibrato metabolismo nel corpo umano, poichè, invece, ad elevate concentrazioni, possono creare problemi di avvelenamento. Essi infatti tendono ad accumularsi più velocemente di quanto sono espulsi (bioaccumulazione).
     come piombo, cadmio o mercurio. Essendo ermeticamente sigillate, ovviamente le batterie Li-ion non emettono alcun tipo di gas durante la fase di ricarica;
  • Batterie ai polimeri di litio Li-pol - Sono una evoluzione delle batterie Li-ion, tanto che spesso vengono raggruppate nella stessa categoria: tipiche sono le batterie della Panasonic utilizzate dalle automobili Tesla. La principale differenza rispetto alle “classiche” batterie Li-ion è che l’elettrolita, anziché essere un solvente organicoorganico
    Aggettivo applicato a qualunque sostanza abbia origine animale o vegetale.
     liquido, è un polimero solido: il vantaggio è che in tal modo l’elettrolita solido non è infiammabile e quindi le batterie sono meno pericolose in caso di danneggiamento accidentale. Inoltre è possibile realizzare batterie molto sottili.

Altri tipi di batterie sono in via di sperimentazione, come le batterie al litio-aria (molto promettenti), zinco-aria o al sodio-aria, o le batterie calde ai sali fusi (Ni-NaCl). Altre ancora sono già in uso ma non nel settore automobilistico, come le batterie argento-zinco utilizzate nei mezzi aerospaziali o nei sommergibili diesel-elettrici come quelli tedeschi del tipo U-212, realizzati su licenza anche in Italia per la Marina Militare Italiana.

Dato che le batterie durante l’uso e la ricarica possono riscaldarsi, spesso i pacchi batteria dispongono di sistemi per il raffreddamento, tipicamente pochi litri di acqua e glicole etilenico.

 

Per approfondire il tema consulta la seguente intervista:

Mobilita': Il rischio di incendio dei veicoli elettrici

 

 

 

SISTEMI DI RICARICA

TROVA LE STAZIONI DI RICARICA PIU' VICINEAl momento è un altro punto dolente.

I tempi per una piena ricarica a 220V sono normalmente nell’ordine di 4-8 ore, tempo perfetto per una ricarica notturna presso il proprio garage.

Tempi più brevi sono raggiungibili sfruttando la corrente industriali da 380V.

E’ poi possibile un reintegro della batteria presso una colonnina: in appena un’oretta è possibile un ‘rabbocco’ del 15-20%.

Le principali città stanno installando stazioni di ricarica presso i principali parcheggi o centri commerciali, ma le infrastrutture di ricarica sono ancora ampiamente insufficienti.

Un aiuto viene comunque dalla tecnologia:  applicazioni sugli smartphone permettono di individuare la colonnina di ricarica più vicina e di calcolare la distanza percorribile in base alla carica raggiunta.

Diversi prototipi mostrano capacità di ricarica molto più rapide ed autonomie anche di centinaia di km, ma restano al momento lontani da applicazioni commerciali.

Altra tecnica è la ricarica induttiva.

A differenza della ricarica conduttiva che richiede il collegamento con un cavo elettrico ad una presa, quella induttiva avviene tramite trasferendo l’energia da un captatore elettromagnetico installato nel suolo di una stazione di ricarica ed il captatore montato sull’auto.

Il sistema ha maggiori complessità rispetto alla ricarica conduttiva ma anche il pregio di scongiurare eventuali folgorazioni, rischio se pur remoto del sistema di ricarica conduttiva.

Ulteriore soluzione è relativa a batterie modulari, che invece di essere ricaricate sono sostituite con moduli rigenerati presso apposite stazioni.

Al momento pare che il sistema difficilmente avrà diffusione a causa degli elevati costi.

 

SISTEMA DI CONTROLLO

E’ il sistema elettronico che salvaguardia e gestisce la batteria erogando potenza in base alla richiesta del guidatore e regolando le fasi di carica e scarica della batteria.

 

Div/1 EN/4 RISP/MOT&INV_Div1_Inverter.jpgINVERTERINVERTER
Dispositivi atti a modificare la velocità  di un motore elettrico modulandone la frequenza di alimentazione in base al carico richiesto, ovvero adattando il funzionamento del motore alle necessità  del momento evitando, quindi, sovradimensionamenti e sprechi.

I motori generalmente funzionano a corrente alternata. L’inverter converte quindi la corrente continua delle batterie in alternata.

 

RIDUTTORE

Il riduttore trasferisce la potenza generata dal motore alle ruote. E’ simile a una scatola di trasmissionetrasmissione
Attività di trasporto dell'elettricità sulla rete a partire dai centri di produzione sino ai centri di utilizzo. Il maggiore proprietario della rete di trasmissione nazionale dell'energia elettrica ad alta tensione è Terna.
ma con rapporto di trasmissione fisso.

 

VANTAGGI E SVANTAGGI DELL’AUTO ELETTRICA

Efficienza

L’efficienza ovvero la conversione energetica dalle batterie alle ruote è intorno al 90%. Ben oltre all’efficienza del 25-40% che caratterizza le auto tradizionali a benzina o gasoliogasolio
Prodotto derivante dalla distillazione del petrolio greggio. Viene utilizzato soprattutto per alimentare motori Diesel oppure negli impianti di riscaldamento civile. Nei motori Diesel, detti anche ad accensione spontanea, il gasolio viene iniettato nel cilindro dove trova aria molto compressa (anche 40 volte la pressione ambiante). Per poter essere impiegato nei motori il gasolio deve avere determinate caratteristiche, per esempio una buona capacità di accensione (soprattutto alla basse temperature) e un opportuno potere lubrificante.
.

All’incirca il 15% dell’efficienza è ottenuto tramite un sistema di recupero automatico dell’energia cineticaenergia cinetica
Energia di movimento, ovvero l'energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d'acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di 'far muovere' qualcos'altro mentre cade o si muove. L'energia cinetica è data dall'espressione: Ec=1/2 x M x V2.
in fase di frenata e di decelerazione o discesa, a parziale ricarica della batteria.

In realtà il rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
è ben diverso se valutato lungo tutto il ciclo di vita del sistema, a partire dal combustibile utilizzato per la produzione dell’energia elettrica utilizzata, che nel caso di fonti fossili può essere intorno al 35-50% e pertanto taglia di 2 o 3 volte il reale rendimento.

Bilancio ambientaleBilancio ambientale
Documento in cui vengono riportate le interrelazioni tra le attività di un' impresa e l'ambiente. Viene generalmente sintetizzato con parametri quantitativi sull'impatto ambientale di determinate attività produttive e sull'impegno economico dell'impresa nell'ambito della tutela ambientale. Se tale documento comprende anche una parte descrittiva sugli aspetti qualitativi dell'impegno ambientale dell'azienda viene chiamato Rapporto ambientale.

A meno che la fonte di generazione elettrica sia rinnovabile,  in realtà si può parlare di assenza di emissioni in atmosferaatmosfera
Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
solo durante la marcia del veicolo (polveri sottili, monossido di carboniocarbonio
Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell'atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante.
, ossidi di azotoazoto
Elemento chimico costituente il 78% dell'aria in volume. L'uso commerciale più diffuso dell'azoto è nella produzione di ammoniaca, sostanza costituente dei fertilizzanti. L'azoto liquido è impiegato anche come refrigerante per il trasporto di alimenti.
e idrocarburiidrocarburi
Composti chimici formati da carbonio e idrogeno che costituiscono il petrolio e il gas naturale. Esistono diverse classificazioni degli idrocarburi a seconda dei legami chimici presenti nelle molecole.
incombusti) in quanto le emissioni sono causate a monte, nella fase di generazione termoelettrica.

Il bilancio dunque molto dipende dal mix di generazione a monte.

L’assenza di emissioni inquinanti durante il suo utilizzo  viene generalmente premiata con l’accesso libero alle zone di traffico limitato e parcheggi riservati, particolarmente nei centri cittadini, dove le frequenti accensioni/spegnimenti rendono invece i motori a combustione interna più impattanti sull’ambiente

Silenziosità

La totale assenza di rumore della EV rende certamente più gradevole la vita in città, ma - lamentano alcune associazioni - rappresenta anche un pericolo per i pedoni e ciclisti.

Minore dipendenza dal petroliopetrolio
Combustibile di colore da bruno chiaro a nero, costituito essenzialmente da una miscela di idrocarburi. Si è formato per azioni chimiche, fisiche e microbiologiche da resti di microorganismi (alghe, plancton, batteri) che vivevano in ambiente marino addirittura prima della comparsa dei dinosauri sulla terra. I principali composti costituenti del petrolio appartengono alle classi delle paraffine, dei nafteni e degli aromatici, che sono composti organici formati da carbonio e idrogeno e le cui molecole sono disposte secondo legami di varia natura.

Elemento importante sia per gli aspetti economici che di sicurezza di approvvigionamentoapprovvigionamento
Insieme di attività finalizzate al reperimento dei quantitativi materie prime necessarie allo svolgimento delle attività economico-produttive di un Paese consumatore.
energetico.

Autonomia

Nel confronto con l’auto tradizionale  anche l’autonomia di 170-180 km delle più recenti auto elettriche in commercio vede l’auto elettrica perdente o – se non altro – relegata ad un uso urbano o di raggio limitato.

Manutenzione

Non necessitando di cambi d’olio ed altre manutenzioni tipiche dei motori meccanici, generalmente la manutenzione degli Ev è minore.

Batterie

Le batterie sono l’aspetto più critico per lo sviluppo di massa dell’auto elettrica ed in particolare la sua durata, la disponibilità delle rete di stazioni e sistemi di ricarica ed il costo sono gli elementi su cui ricerca ed investimenti dovranno maggiormente concertarsi.

Div/1 EN/4 RISP/MOBILITA'_INC_Div1_auto in salvadanaio.JPGCosto

In commercio le auto elettriche si presentano al prezzo di 28.000 - 38.000 Euro e sono in linea di massima più costose delle consorelle a combustione interna.

L’elemento che più incide sul costo sono – come sopra – le batterie.

Secondo l'ENEA il costo della batteria di ultima generazione si aggira sui 300 $/kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
(230 Euro/kWh).

Una batteria da 30 kWh, appropriata per una berlina con una autonomia intorno ai 150 km, inciderà sul costo dell’auto per circa 9.000 Euro. Onere che viene attenuato dal vantaggio del minor costo d’esercizio del veicolo elettrico (2,5 Euro/100 km contro 7,1 Euro/100 km per un analoga auto a motore endotermico).

Dunque, anche se il costo di un ‘pieno’ è di soli 2-3 euro, l’auto elettrica fatica ancora a competere economicamente con quella diesel, in mancanza di appropriati incentivi che sono ipotizzabili attraverso incentivi alla rottamazione ed esenzione IVA. Si fanno inoltre strada formule di leasing delle batterie.

 

Prestazioni

Le auto elettriche in commercio sono in grado di mantenere una velocità costante intorno ai 100 km/h con picchi fino ai 140 km/h. Lo spunto e la ripresa non hanno nulla da invidiare alle auto a motore endotermico, vantando un tempo di 6-9 secondi per passare dai 0 ai 50 km. Inoltre risultano facili da guidare. Insomma, maneggevoli e sufficientemente reattive.

Nel caso dell’elettrico “puro” gli obiettivi di costo per le batterie di ultima generazione, del DOE per esempio, oscillano intorno ai 300 $/kWh. Una batteria da 30 kWh, taglia adeguata ad una vettura di classe C con una autonomia dell’ordine dei 150 km, costerà quindi circa 9.000 Euro.

Tale costo è difficilmente accettabile dall’utenza all’atto dell’acquisto del veicolo, mentre lo diviene spalmandolo sull’intera vita della batteria, considerato il minor costo d’esercizio del veicolo elettrico (2,5 Euro/100 km contro 7,1 Euro/100 km per il termico, Renault per auto classe B). Il leasing della batteria o dell’intera vettura (meglio se in car-sharing) diventa quindi una strada quasi obbligata.

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