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Confronto tra mobilita' elettrica e combustione - di Roy Virgilio

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  • Confronto tra mobilita' elettrica e combustione - di Roy Virgilio

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    Sono diversi anni che si sente parlare dell’arrivo della mobilità elettrica, di veicoli silenziosi e a emissioni zero che renderanno le nostre città più respirabili e sostenibili. Ma la realtà, almeno qui in Italia, è che iniziamo a vedere solo ora un certo numero di veicoli alimentati ad elettricità, siano essi biciclette a pedalata assistita, monopattini o le prime auto completamente elettriche.

    Ma la mobilità elettrica, in tutte le sue forme, può essere davvero più sostenibile di quella attuale basata sui combustibili fossili? Esistono altre alternative ecologiche?

    L’efficienza del motore termico
    Partiamo da un punto certo: qualsiasi auto a motore termico (diesel, benzina, metano e Gpl) è principalmente una stufa, più che un motore volto alla trazione.
    Infatti, dell’energia contenuta in un litro di combustibile, più del 65% è sprecata e immessa nell’aria sotto forma di calore e solo circa il 35% viene effettivamente utilizzata per muovere il veicolo. Diretta conseguenza è che anche il 65% dell’inquinamento generato da questi milioni di stufe che circolano per le nostre strade è «inutilmente» immesso nell’atmosfera e nell’aria che respiriamo. Se aggiungiamo che le emissioni, in particolare del gasolio e della benzina, sono state dichiarate come potenzialmente cancerogene, capiamo che il tipo di motorizzazione associata a questi combustibili deve essere abbandonata senza indugio.

    Discorso leggermente diverso va fatto nel caso dell’alimentazione a metano che, grazie alla formulazione semplice e pulita del combustibile, permette delle emissioni molto minori per diversi parametri, pur contribuendo all’aumento dell’effetto serra e non venendo meno alla bassa efficienza globale.

    Ultimo appunto: le emissioni dichiarate dalle case di produzione, quando non ritoccate fraudolentemente, sono comunque minori di quanto emesso nella realtà dai veicoli. Questo perché i motori, per come sono oggi congegnati, hanno tantissime variabili ed è nell’uso quotidiano che possono aumentare, e anche di tanto, le emissioni del veicolo rispetto a quelle ottenute a banco o nei cicli di omologazione con veicoli nuovi e perfettamente calibrati.

    L’efficienza del motore elettrico
    Il paragone del solo motore elettrico con quello a combustione è imbarazzante poiché si raggiungono normalmente efficienze del 90% a cui va detratto circa un 5% per l’utilizzo dell’inverter, arrivando ad un'efficienza di circa l’85% di energia in trazione a partire dalla corrente di alimentazione. Ovvero, a parità di energia fornita all’autoveicolo, si possono percorrere il doppio dei chilometri… Ampiamente. Anche considerando tutto il ciclo dalla raffinazione alla trazione, il confronto tra combustione ed elettrico rimane ampiamente a favore di quest’ultimo, poiché raggiunge un rendimento meccanico di circa il 53%. Oltretutto, nel mix elettrico italiano, circa il 30% di energia proviene da rinnovabili, e ciò diminuisce la dipendenza complessiva della trazione elettrica dalle fossili.

    Il tallone di Achille
    Se potessimo utilizzare i veicoli elettrici attaccandoli a un filo della corrente (come già oggi succede per treni, filobus e tram) avremmo ottenuto il massimo possibile dell’efficienza globale nello spostamento. Infatti, l’attuale freno tecnologico allo sviluppo di una mobilità elettrica davvero sostenibile è l’utilizzo degli accumulatori elettrici, ovvero le batterie.
    Nonostante i passi avanti fatti negli ultimi anni, la tecnologia oggi dominante utilizza molti metalli rari che sono costosi e spesso inquinanti sia in fase di estrazione che nelle fasi di dismissione, se non vengono recuperati e riciclati in alte percentuali. Le batterie attuali hanno una bassa densità energetica e non consentono quindi di avere alte autonomie se non installando molti moduli, che a loro volta aumentano il peso del veicolo e richiedono spazio. Inoltre, la loro durata di vita (cicli di ricarica) non raggiunge certamente quella del veicolo stesso; lentamente, le batterie perdono capacità di accumulazione e, dopo al massimo otto-dieci anni devono essere sostituite.

    Diciamo che, attualmente, con la tecnologia delle batterie al litio siamo giunti a una buona efficienza per veicoli leggeri quali biciclette, monopattini e anche scooter o moto. In un settore sano, che segua la maturità tecnologica, oggi dovremmo essere invasi da questi veicoli elettrici che possono sostituire pienamente i loro cugini termici sia per prestazioni che per autonomia, con enormi vantaggi sotto il punto di vista ambientale. Mentre per quanto riguarda veicoli più pesanti, quali auto o camion, attualmente la soluzione più ecologica rimane probabilmente l’utilizzo di motori a metano, in attesa di nuove batterie più performanti.

    Un appunto va fatto alle bici elettriche in quanto, partendo da un oggetto che in origine non consuma energia, tra motore elettrico, batteria ed elettronica varia, aumentano il loro impatto e il loro peso. Pertanto, l’utilizzo delle e-bike va considerato positivo sotto il punto di vista ambientale a fronte della sostituzione o del mancato acquisto di un altro veicolo a combustione, come uno scooter o anche un’auto.

    Nel prossimo futuro
    Visti i numeri in crescita esponenziale a livello mondiale, la ricerca nel campo degli accumulatori sta ricevendo grande attenzione e finanziamenti. Si cerca una nuova tecnologia che possa migliorare fortemente le densità energetiche attuali e utilizzi elementi a basso costo e poco inquinanti.
    Una delle tecnologie più vicine e promettenti è quella delle batterie a stato solido. La differenza fondamentale con la classica batteria agli ioni di litio è che l’elettrolita è solido anziché liquido.

    I punti principali a favore di questa tecnologia sono:
    1. la densità energetica che può essere raggiunta è di circa 350-500 Wh/kg per una litio/metallo, in confronto ai 190-300 Wh/kg di una batteria a ioni di litio;
    2. la rapidità di carica, in quanto lo stato solido può sopportare flussi di corrente elevatissimi riducendo al minimo il degrado;
    3. la sicurezza, in quanto l’assenza del liquido rende quasi impossibile il verificarsi di incendi.

    Attualmente, l’inconveniente principale rimane il prezzo, ma questo è normale in un processo di ricerca. Inoltre, non si esclude l’utilizzo di alcuni metalli rari e pericolosi, quali il litio. Ad ogni modo, già aumentare la densità energetica di circa il doppio vuol dire utilizzare la metà dei materiali e muovere la metà del peso con conseguente aumento dell’efficienza globale del veicolo.

    Sono in fase di sviluppo, non a breve termine, ma con grandi potenzialità, altre due tecnologie che ci fanno un po’ sognare per le loro prestazioni:

    1. la batteria Grafene/alluminio: eliminerebbe completamente l’utilizzo di elementi rari e inquinanti e dovrebbe raggiungere una densità energetica di 5000 Wh/kg con una durata di vita di almeno 2000 cicli senza degrado e una velocità di carica fino a 70 volte più rapida delle batterie attuali. I principali risultati li sta ottenendo la Gmg (Graphene manufacturing group) con sede in Australia;
    2. la batteria a nanodiamanti radioattivi: si tratta di utilizzare la grafite radioattiva proveniente dalle scorie nucleari, imbrigliando la radioattività all’interno di nanodiamanti sintetici e utilizzare la corrente ricavata per alimentare quello che si desidera.

    La particolarità principale è che la durata di queste «batterie» è pressoché infinita, visto che hanno la capacità di funzionare per qualche migliaio di anni! La densità energetica che si potrà ottenere non sarà forse altissima ma, grazie alla sicurezza garantita dal guscio di diamante non radioattivo e l’assenza di qualsiasi altro materiale potenzialmente inquinante, potrebbe essere una buona soluzione per molti tipi di utilizzo, anche non legati strettamente alla mobilità.

    Esistono alternative?
    A parte il motore termico ed elettrico, si stanno testando altre tecnologie ecologiche per i nostri spostamenti, fra cui la principale e più decantata è certamente l’uso di idrogeno come vettore energetico. Ma, al di là della comodità di accumulare energia elettrica senza perdite nel tempo, tutta la filiera è di enorme complessità e pericolosità e soffre di un problema insuperabile: l’efficienza! Infatti, con un utilizzo tramite fuel cell e idrogeno in pressione, il rendimento meccanico si attesta tra il 21 e il 25%. Una follia energetica!

    Un’altra alternativa, di cui si è sentito parlare qualche anno fa, è l’auto ad aria compressa. Questo è un sistema certamente più semplice ed ecologico rispetto sia alle batterie che all’idrogeno, ma anche qui ci sono fattori che hanno complicato la messa in strada di veicoli. L’efficienza non è bassissima e prevede l’uso di due compressori, uno per il rifornimento, ad alta efficienza, e uno all’interno dell’auto a bassa efficienza: ciò porta il rendimento meccanico intorno al 45%, a cui vanno sommati la bassa autonomia e la lentezza di ricarica.
    Un altro inconveniente, superato solo in parte, è anche il ghiaccio che si forma allo scarico durante l’espansione dell’aria, che dopo un po’ tende a bloccare il motore.

    Per adesso, altre alternative serie all’orizzonte non se ne vedono, ma la linea guida per viaggiare nella massima sostenibilità è chiara: in città e per piccoli spostamenti, utilizzare veicoli elettrici leggeri e adoperarli solo quando è necessario. Per gli spostamenti lunghi ampliare le filiere energetiche corte e nobili, quali appunto l’elettricità in presa diretta, come accade nei nostri mezzi pubblici quali tram, metro, filobus e treni. E stop a diesel e benzina.

    Proprio in tal senso è stato presentato pochi giorni fa dalla commissione europea il programma Fit for 55 che, fra le varie proposte, include il divieto di immatricolazione di autoveicoli a combustione a partire dal 2035. Purtroppo, quest’ultimo non include moto, camion, aerei o navi; si tratta comunque di un primo timido ma concreto passo verso la decarbonizzazione della mobilità. Se verrà approvato.

    Articolo pubblicato sul numero di ottobre 2021 della rivista Terranuova
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