Introduzione alla trazione elettrica

Introduzione alla trazione elettrica. La trazione elettrica, tornata in auge grazie all’accoppiamento con gli accumulatori agli ioni di litio, ha fatto passi da giganti nel corso degli ultimi anni. Sarà, questa volta, vero boom?

Volendo proporre una metafora, si potrebbe dire del nostro tanto amato e discusso motore a combustione interna ciò che si dice comunemente della democrazia: un sistema pieno di difetti, dal rendimento scarso e spesso inadeguato alla portata dei problemi, certo, ma alla prova dei fatti molto difficilmente rimpiazzabile da soluzioni alternative.

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Tra queste, la trazione elettrica è da sempre vista come l’eterna promessa, e quando diciamo “da sempre” lo intendiamo in senso stretto: vale infatti la pena di ricordare che agli albori della storia dell’automobile i prototipi elettrici precedettero di diverse decadi (fin dagli anni ’30 del diciannovesimo secolo) le vetture a ciclo Otto, e che ancora agli inizi del novecento erano in molti a vedere le vetture a batteria come le più promettenti in senso assoluto: laddove i primi propulsori a combustione interna richiedevano infatti una mano esperta ed una frequente verifica o sostituzione di acqua, olio e componenti vari, gli “elettrici” offrivano invece silenziosità, affidabilità, semplicità (grazie alla coppia disponibile sin dallo spunto ed all’elevato range di giri non era necessario un cambio né una frizione) ed anche la promessa di notevoli prestazioni, come dimostrò la bimotore “Jamais Contente” ancora nel 1899, con il suo record di 100 km/h. Tutti questi punti di forza erano però destinati ad infrangersi contro un unico grande scoglio, ovvero lo stoccaggio dell’energia dipendente dalla capacità di accumulo delle batterie, che dagli inizi del novecento alla fine del ventesimo secolo non sarebbe significativamente migliorata: gli accumulatori al piombo-acido, infatti, si aggirano tuttora su valori di densità energetica nell’ordine degli 0,1 MJ/kg, laddove, per intenderci, l’energia chimica della benzina ne garantisce circa 47: un divario enorme che rendeva necessari quintali di ingombranti accumulatori a fronte di autonomie modeste, e ciò pur considerando nel computo il maggior rendimento di conversione del motore elettrico (90% circa contro il 30% circa dei “termici”).

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Con l’arrivo della motorizzazione di massa, in definitiva, i nodi in questione vennero al pettine consentendo al rombante ciclo Otto ed al suo rumoroso cugino Diesel di prendere il sopravvento: finalmente divenuti piuttosto affidabili e capaci di garantire all’utente comune autonomie da sogno con il solo ingombro di pochi litri di idrocarburi, i “termici” portavano con loro anche l’intrinseca dispersione di calore che poteva venire sfruttata per realizzare l’impianto di riscaldamento di bordo senza grandi aggravi di costo. Una ricetta vincente che avrebbe per decenni relegato l’auto elettrica a semplice argomento di ricerca. Beninteso, qualche tentativo più o meno serio di mantenere viva l’attenzione sulla trazione elettrica, nel corso del novecento c’è stato: il più famoso, condotto su larga scala e con notevole impegno di risorse, è stato di certo quello di General Motors nel 1996 con la sua EV-1, progettata esplicitamente allo scopo e forte di soluzioni tecniche raffinate quali il telaio in alluminio, l’estrema finezza aerodinamica (Cx di 0.19) e addirittura il riscaldamento dell’abitacolo realizzato tramite pompa di calore, soluzione molto più efficiente delle più banali resistenze elettriche e destinata ad essere ripresa estesamente dalle elettriche contemporanee.

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Per quanto riguarda le batterie, la EV-1 nacque con le “solite” piombo-acido, per poi virare nel corso della sua vita sulle allora modernissime celle al Ni-Mh,dalla densità di energia più che doppia ma destinate a rivelarsi scarsamente longeve ed inaffidabili: come dire, cent’anni di evoluzione per ritrovarsi al punto di partenza. Al piombo rimasero fedeli anche altre elettriche di pari periodo, come la nostrana Seicento elettra (400 kg di accumulatori per 90 km di autonomia), anche perché nel complesso non è che le celle al Ni-Mh, pur più performanti, spostassero di molto il problema: ai costi cui era possibile produrle ed agli ingombri e pesi entro i quali era tassativo rimanere onde offrire un prodotto credibile, l’autonomia continuava infatti ad essere semplicemente inadeguata e non competitiva, soprattutto in un mondo nel quale il petrolio continuava tutto sommato a scorrere a fiumi.

IL MONDO CHE CAMBIA Beninteso, che il petrolio un giorno avrebbe giocoforza smesso di scorrere era già ben noto, così come era già evidente a molti la necessità di dare un taglio alle emissioni di CO2: non a caso diversi costruttori, ormai poco fiduciosi nel concetto di “auto a batterie”, avevano iniziato a guardare alle fuel cells ad idrogeno come più credibile soluzione per il futuro. A rimettere in gioco l'”auto a pile” doveva essere un evento esterno al mondo dell’auto, ovvero l’esplosione del mercato dei dispositivi mobili, principalmente PC portatili e smartphones, sempre più complessi, potenti ed energivori, per i quali i colossi dell’elettronica hanno sviluppato, evoluto e messo in opera a costi sempre più competitivi l’intera filiera di produzione delle batterie agli ioni di Litio (Li-Ion), la cui densità energetica è di circa sei volte superiore a quella di un accumulatore al piombo.

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Un know-how industriale prezioso che il settore automotive si è limitato ad assorbire, ovviamente investendo a sua volta cifre significative per adattarlo alle proprie esigenze: mentre la batteria di un cellulare o di un computer portatile può permettersi di durare un paio d’anni, quella di un’automobile – di tre ordini di grandezza più capiente e costosa, per intenderci – doveva tassativamente garantire una durata nell’ordine del decennio, e possibilmente anche superiore. Ciò ha significato, tra le altre cose, una particolare cura della gestione termica delle celle attuata tramite sistemi di raffreddamento/riscaldamento ad aria, ad esempio sulla Nissan Leaf, o addirittura a liquido, ad esempio nel caso della BMW i3. In entrambi i casi l’obiettivo degli ingegneri è, soprattutto, l’ottenimento di una temperatura ottimale ed omogenea in ogni area del pacco batteria, onde evitare che, a fronte di una temperatura media “corretta”, si possano avere celle surriscaldate piuttosto che troppo fredde, ciò che lederebbe alla longevità delle celle in questione o ne ridurrebbe significativamente le capacità di accumulo.

AFFIDABILITA’ SI’ O NO In definitiva, ed in attesa di dati statistici minimamente seri che arriveranno solo nel corso degli anni, l’affidabilità degli accumulatiori Li-Ion rimane comunque ovviamente un’incognita, soprattutto se si considerano l’estrema varietà di situazioni e di cicli di funzionamento imprevedibili che un’automobile “quotidiana” è tenuta a sostenere e che, la storia dei propulsori termici lo dimostra, non sempre i costruttori riescono ad esplorare a pieno.

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A favore dell’affidabilità delle “elettriche” va però sottolineato che, discorso batteria a parte, il resto della loro meccanica conserva ancora il principale pregio che ne fece la fortuna un secolo e mezzo fa, ovvero l’estrema semplicità, quasi ossimorica se confrontata con la mostruosa complicazione che le vetture “termiche” hanno raggiunto nel corso dell’ultimo ventennio. I sistemi di alimentazione “diretti” dalla precisione chirurgica, i dispositivi di after-treatment dei gas di scarico talvolta più complessi e costosi del motore stesso e le trasmissioni automatiche a sette, otto o nove rapporti, per intenderci, sono solo alcuni tra i necessari ma costosissimi sviluppi odierni della tecnica “termica” che l’auto elettrica consente di mandare in pensione senza alcun rimpianto: niente più emissioni da controllare alla perfezione e niente più rigenerazioni del filtro anti-particolato e problemi connessi, dunque, ma anche niente più cambi dell’olio motore e, grazie alla frenata rigenerativa di cui tutte le elettriche dispongono, anche molte meno sostituzioni delle pastiglie freno, mentre la facilità di guida di una convenzionale “automatica” viene garantita con costi, complicazioni e criticità di molte volte inferiori, grazie alla coppia allo spunto dell’elettrico che consente su pressoché tutti i modelli commercializzati l’uso di semplici riduzioni mono-rapporto. In definitiva, sulla carta le certezze positive sembrano prevalere nettamente sulle potenziali criticità, sostanzialmente riconducibili alla sola batteria.

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LA TRANSIZIONE L’autonomia resta dunque, oggi come in passato, il vero punto critico della disputa “elettrico sì/no”. E, inutile negarlo, la risposta è ancora oggi sul filo del rasoio: per quanto la capacità energetica delle Li-Ion sia infatti eccezionalmente elevata in rapporto al loro volume e peso, e per quanto la cooperazione tra industria automobilistica e produttori di batterie abbia fatto miracoli in termini di riduzione dei costi, la competizione con le unità termiche appare ancora critica: l’ultima “release” della Nissan Leaf, ad esempio, riesce a spremere dai suoi 24 kWh fino a 200 km di autonomia dichiarata, che finiscono poi realisticamente per divenire a dir tanto 130-140 nel traffico reale, risultati più o meno analoghi a quelli della “cugina” Renault Zoe e della teutonica Volkswagen e-Golf, entrambe con batteria di capacità circa analoga. Il range di capacità compreso tra i 20 ed i 30 kWh è in effetti il più sfruttato dalle elettriche “da grandi numeri” attualmente sul mercato, dato che viene al momento considerato il miglior compromesso tra autonomie possibili (tutte nell’ordine dei 200 km dichiarati) e costo dell’accumulatore, che ad una media di costo ormai inferiore ai 300 €/kWh (solo un lustro fa era più che doppia) si aggira tra i 5.000 ed i 10.000€, consentendo di proporre la vettura a finita a cifre competitive. Un altro pregio di questa “taglia” di accumulatore è nella velocità di ricarica, che può essere contenuta in 6-8 ore da presa elettrica domestica ed a meno di mezz’ora nel caso dei punti di ricarica “rapidi” (purtroppo ancora molto rari).

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Meno di 150 km, però, resta comunque evidentemente troppo poco per la grande maggioranza degli utenti, che – ben abituati dalle unità termiche – ancora desiderano un veicolo in grado, alla bisogna, di portarli ovunque, in ossequio al buon vecchio ideale di “libertà totale” di cui l’automobile è stata portatrice per decenni. Per tutti costoro l’alternativa, a meno di non volersi rivolgere verso una Tesla Model S da 85 kWh ed 80.000€, è costituita dagli ibridi E-REV (extended range electric vehicles), come la BMW i3 o la Chevrolet Volt, vere e proprie “elettriche” sulle quali, però, è installato un motore termico in funzione di generatore, che si occupa alla bisogna di ricaricare la batteria. La contropartita è naturalmente costituita dal prezzo, che deve giocoforza includere anche la presenza di un motore termico e di tutti gli annessi e connessi, oltre che – nel caso della BMW – anche l’adozione di soluzioni audaci per la cellula dell’abitacolo (in CFRP). Si arriva così a superare, sia per la BMW che per la Chevrolet, la soglia psicologica dei 40.000€, che ne restringe significativamente la fascia di mercato. Nel complesso, quella attuale può essere a tutti gli effetti considerata come un’era di transizione: il veicolo elettrico, cioè, non è più un semplice feticcio ecologista e può ora soddisfare le esigenze di una certa fascia di clienti, ma non è ancora un reale prodotto di massa. La novità rispetto al passato è però che, a questo giro, l’industria dell’auto sembra aver preso la sfida molto sul serio: il fatto che elettriche e ibride rappresentino il futuro dell’automobile non è ormai più messo in discussione da nessuno, a differenza di quanto avveniva fino a non molti anni fa.