La macchina elettrica di per sé, non è un’invenzione. Essa è infatti stata realizzata per la prima volta nel 1835 come semplice evoluzione di una macchina con motore a combustione interna applicandoci i primi motori elettrici [3]. Da allora, praticamente, niente è cambiato a livello concettuale. Vi chiederete allora come mai non si è sviluppata quest’ultima, piuttosto che il trasporto a motore a scoppio. Le risposte a questa domanda sono moltissime ma, senza andare in dietrologie e solo volendo perseguire la versione “ufficiale”, possiamo dire che ha fatto la differenza, il rapporto energia specifica/costo dei carburanti liquidi il quale è, almeno fino ad oggi, nettamente migliore rispetto ai parametri delle batterie. A questo si aggiunge la comodità di poter rifornire in quasi tempo zero la macchina tradizionale, cosa non possibile nei modelli elettrici. Il problema ambientale cd. global warming, ha però imposto a livello mondiale, una riflessione sulle emissioni di gas serra, riesumando la mobilità elettrica come forma di mobilità più sostenibile rispetto a quella combustibile. Periodicamente, alcune fonti continuano a sostenere che il migliore motore diesel (il più efficiente fra i motori a combustione interna) potrebbe essere meno inquinante, considerando tutto il footprint globale, rispetto all’elettrico.[4][5]. Questa notizia è totalmente falsa in ogni caso e per ogni tipo di fonte di produzione di energia elettrica si consideri. Vogliamo anche noi contribuire a sfatare questa fake news con l’esempio concreto di Figura 1, dove rappresentiamo i rendimenti specifici medi che portano l’energia; nel caso di una macchina a combustione interna dal liquido che la alimenta alle ruote, nel caso di una macchina elettrica dalla centrale elettrica equivalente che produce energia alle ruote.
Figura 1 – Rappresentazione dei più comuni rendimenti di conversione dell’energia per la catena energetica associata a veicoli a combustione interna (sulla sinistra) e machine elettriche (sulla destra).
Dalla Figura 1 nascono le seguenti considerazioni:
- Anche se avessimo considerato l’energia elettrica prodotta tutta con cicli termici tradizionali con rendimento 50% (cosa che non avviene in nessun paese al mondo) si arriverebbe a un rendimento del motore elettrico pari al 33,75% comunque superiore al miglior motore diesel in circolazione.
- I motori a combustione interna hanno rendimenti netti molto inferiori a quelli elettrici per numerosissime ragioni prima fra tutte la velocità esplosiva della reazione dei carburanti che non permette di gestire il calore, molto del quale finisce inevitabilmente verso lo scarico. I motori a combustione interna, inoltre, soffrono di perdite per attrito, per la loro conformazione a pistoni, molto superiori a quelli elettrici in cui il moto nasce subito rotativo.
- I limiti di rendimento dei motori a combustione interna attuali sono principalmente da individuarsi nei limiti di aumento del rapporto compressione dei motori e non ci si possono aspettare grandi incrementi di rendimento, se non legati alle varie tecniche di disattivazione dei cilindri/start & stop e legati alla diminuzione progressiva dei regimi del motore stesso.
- Le macchine con motori elettrici invece hanno numerosi sviluppi possibili davanti: dall’energia che li alimenta che sarà sempre più rinnovabile alle migliorie nelle batterie con diminuzione delle perdite di carica e scarica intrinseche, al miglioramento dei sistemi di recupero dell’energia in frenata (nel conteggio di Figura 1 non considerati a livello cautelativo anche se già ampiamente presenti). Altri miglioramenti, anche se più risibili, nel campo della mobilità elettrica, sono da attendersi anche nella qualità delle grandezze elettriche in uscita agli inverter che comandano il o i motori della macchina elettrica, con conseguente aumento dell’efficienza dei motori stessi
La differenza, che deciderà l’esito della diffusione delle macchine elettrica nel mondo, è però sicuramente da individuare nella qualità delle batterie che le equipaggiano. La loro durata, la loro capacità di non perdere caratteristiche nei processi di carica e scarica anche violenti a cui sono sottoposti, la loro capacità specifica, il loro peso e, non ultimo, il loro costo in relazione ai parametri precedenti sono il campo di sviluppo dove tutte le case automobilistiche guardano per proporre il modello che sconvolgerà il mercato e renderà la macchina elettrica veramente per tutti. Per chi volesse approfondire l’argomento invitiamo alla lettura del nostro articolo dedicato ai sistemi di accumulo.
Parametri di valutazione di una macchina elettrica
Proprio perché conosciamo bene le possibilità di sviluppo delle macchine elettriche, è importante, valutarne le prestazioni per individuare i migliori modelli sul mercato e orientare al meglio l’utente su una giusta scelta.
In Figura 2, per chi volesse approfondire, è rappresentato il ciclo energetico completo di rendimento di una macchina elettrica con tutti i suoi processi dettagliati, inclusi quelli di ricarica delle batterie in frenata. Ogni processo che porta energia dalla fonte primaria alle ruote ha un rendimento proprio, noi vi proponiamo di seguito un valore medio per ognuno di essi ed ognuno di essi rappresenta anche un campo di sviluppo dove la ricerca concentra i suoi sforzi per diminuire i consumi e aumentare l’autonomia dei veicoli.
Figura 2 – Diagramma degli scambi energetici in trazione (alla sinistra) e in ricarica (sulla destra) di una classica macchina elettrica. Le perdite, in rosso e i rendimenti in bianco, sono indicativi e riferiti a un generico veicolo e hanno il solo scopo di esemplificare i flussi energetici. [7]
| Parametro [u.m.] simbolo | Note |
| Potenza nominale [kVA/kW] P | È la potenza nominale sprigionata dal motore elettrico nonché quindi la massima ottenibile in trazione e in recupero di energia |
| Capacità della batteria [kWh] C | È la quantità di carica presente nelle batterie della vettura espressa in kWh, essa determina l’autonomia della vettura |
| Massa a vuoto [kg] M | Massa della vettura completamente allestita ma priva di passeggeri e bagagli a bordo |
| Velocità massima [km/h] V | Velocità massima raggiungibile su terreno piano e in assenza di vento dalla vettura |
| Spesa di acquisto della vettura [€] S | Prezzo totale della vettura. Spesso il costo varia a seconda della capacità della batteria, ogni modello potrà quindi avere più valutazioni a seconda del tipo di batteria equipaggiato. Il costo è comunque riferito ad un modello senza particolari allestimenti in optional. |
| Consumo normalizzato in ciclo misto secondo standard WLTP [kWh/100 km] CO |
Il consumo delle macchine elettriche è espresso in kWh necessari al veicolo per percorrere 100 km. Questo consumo è ottenuto dalla prova WLTP, introdotta a partire dal 2018 e che è atta a stabilire il reale consumo sia delle vetture sia elettriche che ibride o a combustibile. Il percorso è costituito da una prova di 1800 secondi nella quale il veicolo viene sottoposto ad accelerazioni e decelerazioni tipiche di ogni scenario reale: dal traffico urbano start and stop a quello fluido in autostrada Questo test è considerato più reale ed aderente alla quotidianità rispetto a precedente NEDEC. L’andamento del test è rappresentato di seguito.
|
| Autonomia in ciclo misto dichiarata [km/pieno] A | L’autonomia indica semplicemente, in analogia a quanto scritto sopra, quanti km riesce a percorrere la macchina con le batterie completamente cariche. |
A partire da questi dati, raccolti per ogni modello, abbiamo costruito quattro indicatori che rappresentano altrettante peculiarità della vettura. Tali indicatori sono stati elaborati in modo che possano risultare fra di loro confrontati ed elaborati. Vediamoli brevemente:
- Indicatore di convenienza economica Ie
È un indicatore che vuole sottolineare quale modello di vettura ha più convenienza economica sia nell’acquisto che nella spesa per ricarica in relazione alla sua capacità di esprimere potenza e durata delle batterie. In sostanza si privilegiano i modelli dove si paga poco per ottenere molto, esso è così formato:
- Indicatore della qualità delle batterie Ib
Come abbiamo auto modo di spiegare precedentemente le batterie sono la componente cruciale per determinare la qualità di una macchina elettrica. Purtroppo, non esiste un parametro netto, riportato sulle caratteristiche della vettura che indichi la qualità delle batterie (potrebbe essere il tempo di auto scarica, il numero di cicli effettuabili o altro) per questo abbiamo deciso di estrapolare un indicatore da quello che sicuramente viene reso disponibile dalle case costruttrici.
In questo indicatore, il termine (A-100∙C/CO) indica la differenza fra autonomia dichiarata e autonomia calcolata. Minore è questo termine maggiore sarà l’affidabilità del dato di consumo, ritenuto un fattore evidentemente premiante.
- Indicatore dell’efficienza aerodinamica Ia
Questo parametro è atto a valutare l’efficienza aerodinamica della vettura che è un parametro molto importante per aumentare l’autonomia delle batterie e la durata nel tempo.
Un valore basso di questo indicatore può stare ad indicare o che la velocità massima è stata limitata eccessivamente e/o che la potenza del motore è stata sovradimensionata rispetto alla velocità massima di target del veicolo.
- Indicatore dell’efficienza della vettura Iv
Questo indicatore vuole pesare la motoristica della vettura nel suo insieme, mettendo in contrasto le prestazioni con i consumi calcolati, vuole quindi essere un indicatore della qualità meccanica generale della vettura.
Da questi quattro indici, significativi per coloro che vogliono dare più peso ad un aspetto piuttosto che ad un altro, si è giunti ad un indicatore finale, poi riportato su base 10. I pesi assegnati ai vari indicatori sono riportati nella tabella sottostante.
| Indicatore | Peso nella valutazione [%] |
| Indicatore di convenienza economica Ie | 40% (2/5) |
| Indicatore della qualità delle batterie Ib | 25% (1/4) |
| Indicatore dell’efficienza aerodinamica Ia | 17,5% (0,7/4) |
| Indicatore dell’efficienza della vettura Iv | 17,5% (0,7/4) |
Tabella dei pesi attribuiti ai vari parametri di valutazione
Dalla tabella si evince come sia stato dato maggiore peso alla parte economica del prodotto, essendo questo un parametro determinante per la scelta di un veicolo elettrico. L’altro parametro importante a nostro avviso, per determinare la durata nel tempo e l’affidabilità di una macchina elettrica, è l’indicatore della qualità delle batterie. Completano e calmierano l’analisi i due parametri tecnologici di efficienza che insieme pesano per il 35% del giudizio finale. A questo punto siamo pronti a stilare la classifica degli indicatori parziali e totali e riportare graficamente i risultati. I dati sono riferiti a quanto reso rigorosamente di dominio pubblico dalle case automobilistiche. Cliccando sul modello si apre il riferimento web pubblico da dove si è tratta la fonte.
Iniziamo di seguito con la tabella riassuntiva dei modelli analizzati:
| Modelli (Anno di consultazione del modello) / Indici di valutazione EV | Indicatore di convenienza economica Ie | Indicatore della qualità delle batterie Ib | Indicatore dell’efficienza aerodinamica Ia | Indicatore dell’efficienza della vettura Iv | Votazione globale Ig |
| Renault Zoe R110 (2020) | 1,36 | 0,39 | 1,44 | 0,86 | 9,7 |
| BMW i3 (2019) | 0,76 | 1,07 | 1,02 | 0,72 | 8,1 |
| Volkswagen E-Up (2020) | 0,68 | 0,24 | 0,93 | 0,91 | 6,1 |
| Nissan leaf Acenta 3.6 (2020) | 0,40 | 0,17 | 0,72 | 0,93 | 4,6 |
| smart EQ fortwo 60 kW (2020) | 0,52 | 0,24 | 0,46 | 0,56 | 4,2 |
Tabella di comparazione dei vari parametri di paragone fra i principali veicoli elettrici sul mercato.
Rappresentiamo ora invece i parametri per tipo così che i lettori possano anche dare dei giudizi più improntati ad un aspetto piuttosto che ad un altro.
Figura 3 – Rappresentazione degli indicatori di efficienza delle varie caratteristiche di un veicolo elettrico: in altro a sinistra quello di convenienza economica (peso 40%), in basso a sinistra quello di qualità delle batterie (peso 25%), a destra in alto quello di efficienza globale e a destra in basso quello di efficienza aerodinamica (entrambi peso 17,5%).
Dopo la classificazione parziale di Figura 3, passiamo a quella generale aggregata:
Figura 4 – Votazione finale dei modelli di veicoli elettrici analizzati nell’articolo.
Conclusioni
Molte sono le conclusioni che si potrebbero trarre da questo breve articolo, quello che però ci preme sottolineare sono i principi che stanno a monte del concetto di mobilità, sia essa elettrica o a combustione interna. Cerchiamo di riassumerli per gradi. Nel mondo, circa 1/4 di tutte le emissioni mondiali di gas serra sono dovute al settore dei trasporti [8], e questo è il secondo comparto più rilevante dopo quello della produzione di energia elettrica. Questo significa che agire sulla riduzione delle emissioni in questo settore è essenziale per poter combattere i cambiamenti climatici.
Per questo motivo il trasporto pubblico collettivo, è sicuramente il provvedimento più importante, soprattutto quello su rotaia alimentato da elettricità, per combattere l’inquinamento nel settore trasporti ed è l’obiettivo che tutti gli stati e dovrebbero perseguire con più veemenza
Nell’ambito de trasporto privato individuale, settore che dovrebbe essere secondario a quello collettivo, la macchina elettrica rappresenta un’alternativa sempre più competitiva e sostenibile rispetto a quella con motori a combustione interna. Oggi essa è ancora caratterizzata da costi di acquisto maggiori del 30/60%, a parità di segmento di autovettura, ma al contempo i suoi vantaggi nel lungo periodo saranno sempre più evidenti:
- Minori manutenzioni nel tempo dovute alla maggiore affidabilità dei componenti singoli e alla diminuzione delle parti in movimento e attrito meccanico.
- Eliminazione, rispetto ai motori a combustione interna, di numerosi componenti che determinano altri costi di manutenzione quali: filtri olio, filtri aria, filtri carburante, radiatori e sistemi di raffreddamento, pistoni, camme, sistemi di scarico e catalizzazione dei fumi, oli motore, candele di iniezione, miscelatori aria combustibile ecc.
- Possibilità a fine vita, di sostituire solo la batteria e pochi altri componenti per prolungare quasi indefinitamente la vita del veicolo riducendo i costi di smaltimento negli anni
- Possibilità di alimentare con mezzi propri la macchina elettrica attraverso sistemi di produzione di energia rinnovabile in loco come fotovoltaico ed eolico
Quello a cui assisteremo nei prossimi anni, di contro, è la saturazione della rete elettrica, soprattutto quella di bassa e media tensione ossia di distribuzione, che non riuscirà a sostenere la contemporaneità della carica dei veicoli elettrici, soprattutto la notte quando le energie rinnovabili saranno meno presenti. Il nostro consiglio è quello quindi di valutare bene lo scenario, all’atto dell’acquisto di una nuova vettura e di pensare ad un investimento a lungo periodo sui modelli elettrici partendo da quelli a bassa/media percorrenza per i classici tragitti pendolari casa/lavoro.
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References
[1]: https://europe.autonews.com/sales-market/almost-third-norways-car-sales-2018-were-electric[2]: https://cleantechnica.com/2018/11/03/china-has-record-electric-car-sales-month-china-electric-car-sales-report/
[3]: Storia dell’auto elettrica – https://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dell%27auto_elettrica
[4]: giugno 2019 – https://motori.virgilio.it/green/ricerca-sconvolge-diesel-meno-inquinante-elettrico/124780/
[5]: May 2019 – https://www.autoblog.com/2019/05/03/diesel-vs-electric-vehicle-carbon-emissions/?guccounter=1&guce_referrer=aHR0cHM6Ly93d3cuZ29vZ2xlLmNvbS8&guce_referrer_sig=AQAAAAZfP8oj-Th18R5ejoTIlBaxMqCmj2xtmd06QCijdwMHBZu_QtjaeTY6s-nWdCuNoxRJ4XKOzxKsrOd5sOjq9m63HuLC-S4QdPykTq2DjakbI-U8prO4CXs_0Wu1H6yRIcdS7wSVF2LeyPLqmESDcT-NH99h77_d5MeysrC1V0pX
[6]: il rendimento equivalente delle centrali elettriche è esemplificato in questo caso per l’Italia dove, nel 2019, secondo i dati ufficiali dell’ente che gestisce la trasmissione di energia elettrica in Italia, il 30,3% della produzione veniva da rinnovabili pure (quindi escluse le biomasse) che hai fini del rendimento porremo al 100% poiché non emettono CO2, mentre per il restante 70% dei cicli termici che convertono l’energia si è preso un rendimento equivalente pari al 50% raggiungibile oramai da qualsiasi ciclo combinato. Ne scaturisce quindi un rendimento globale pari al 75%. Si tenga presente che con il diffondersi inevitabile delle fonti rinnovabili questo rendimento andrà a salire e con esso anche il rendimento equivalente ai fini della CO2 delle macchine elettriche alimentate, sia in Italia che nel resto d’Europa e del mondo.
[7]: Rielaborazione da una fonte web generica – https://www.ifu.com/en/e-sankey/sankey-diagram/?gclid=CjwKCAjwvOHzBRBoEiwA48i6At9bUrEkkdYubnx67eeuOCXlBmPgZODFAnqa4UiwbSGmR3_cqSfHYRoCOCEQAvD_BwE
[8]: International energy agency – World emission by sector 2018 – https://www.iea.org/data-and-statistics?country=WORLD&fuel=CO2%20emissions&indicator=CO2%20emissions%20by%20sector
