Utilizzo dell’auto elettrica
Rendimento: Le auto elettriche sono molto più efficienti
01.07.2024
Il grado di efficienza di una propulsione elettrica è talmente elevato che è già predestinato per la circolazione su strada. Vi spieghiamo come si posizionano a confronto auto elettriche, motori a combustione e veicoli a celle a combustibile. E come nascono le differenze.
Dal punto di vista energetico, il motore elettrico è la tecnologia di propulsione più efficiente che un’auto possa avere. Nessun’altra tecnologia di propulsione ha un rendimento più elevato. Il termine «grado di rendimento» indica la percentuale dell’energia apportata che può essere effettivamente utilizzata. Non si tratta mai del 100%, perché ci sono sempre perdite dovute all’attrito e al calore residuo. Tuttavia, considerato singolarmente, un motore elettrico raggiunge uno straordinario grado di efficienza dell’80%.
Per un’osservazione corretta è importante non considerare solo le perdite di energia nel veicolo. Soprattutto per le auto elettriche, infatti, vale la regola: Le grandi perdite si verificano nella produzione e nella fornitura dell’energia, non nel veicolo. Per questa analisi complessiva si è affermato il termine «well-to-wheel», ossia «dal foro di trivellazione alla ruota» – il mondo dei motori a combustione fa parlare di sé.
Riferendosi all’auto elettrica, si direbbe «dalla produzione di elettricità alla ruota».
Il bilancio Well-to-Wheel vede per veicoli elettrici come segue:
36% dell’energia originariamente utilizzata va persa per la produzione e la messa a disposizione dell’elettricità, anche durante la ricarica della batteria si verificano perdite.
64% dell’energia utilizzata aziona le ruote dell’auto elettrica.
Qual è il grado di efficienza di un motore a combustione?
Il rendimento di un motore a benzina è del 20%, quello di un motore diesel del 45%. Nel caso di un motore a combustione è esattamente l’opposto di un motore elettrico: Le grandi perdite di energia si verificano nel veicolo, non nella produzione del carburante. Nel motore a combustione, con l’aiuto dell’ossigeno presente nell’aria si svolge una reazione chimica che brucia il carburante. La combustione genera molto calore residuo. Inoltre, valvole e ruote dentate devono essere azionate prima che l’energia utile arrivi alle ruote.
Il bilancio Well-to-Wheel vede per motori a benzina come segue:
80% dell’energia originariamente impiegata viene persa nel motore durante l’estrazione, la produzione, il trasporto e la combustione.
20% dell’energia impiegata aziona le ruote di un motore a benzina.
Diesel sono migliori perché la loro combustione è più efficiente. La sua Well-to-Wheel-Bilancio è:
55% dell’energia originariamente utilizzata va persa con il diesel.
45% dell’energia utilizzata aziona le ruote del diesel.
Perché una propulsione elettrica è così efficiente?
I motori elettrici convertono l’elettricità in movimento, generando solo poco calore residuo. I motori a benzina e diesel, invece, bruciano carburante, generando molto calore residuo. Per ragioni di principio e per via delle soluzioni tecniche esistenti, le propulsioni elettriche sono estremamente efficienti. Esistono motori elettrici che raggiungono addirittura un’efficienza superiore al 90%!
Rispetto al motore a combustione, l’auto elettrica presenta ulteriori vantaggi. I motori elettrici, ad esempio, hanno una «catena di trasmissione» meno complessa per trasferire l’energia utile alle ruote. In questo modo si riducono le perdite dovute all’attrito. Attualmente questo non viene fatto per nessuna auto elettrica di serie, ma: Poiché sono più piccoli dei motori a combustione, i motori elettrici possono essere installati vicino alle ruote. Continuano a essere installati i differenziali e gli alberi di trasmissione. Ma di solito manca un cambio.
I motori elettrici generano una coppia costante da fermi: Mettono subito in strada i loro CV. Un motore a combustione, invece, può sviluppare una forza di trazione sufficiente per muovere l’auto solo a partire da 800-1000 giri al minuto. Inoltre ha bisogno di un cambio per adeguare sempre in modo ottimale numero di giri e potenza. Anche il cambio comporta perdite per attrito.
Anche le propulsioni elettriche possono generare elettricità
Ma i motori elettrici non solo possono convertire l’energia elettrica in energia cinetica, ma possono anche ricavare energia elettrica da un movimento. Poi il motore diventa un generatore, una centrale elettrica. Nel caso delle auto elettriche, i costruttori sfruttano questa situazione in frenata: Invece di far evaporare semplicemente il calore residuo, il motore elettrico recupera l’energia elettrica che viene immagazzinata nella batteria di trazione. In questo modo aumenta l’autonomia e quindi il grado di efficienza.
Un problema legato alla propulsione elettrica a causa dell’elevato rendimento è il riscaldamento dell’abitacolo in inverno. Il problema può essere mitigato da una pompa di calore all’interno del veicolo che, come nelle case, sottrae calore all’ambiente circostante e lo convoglia verso gli occupanti. In questo modo si alleggerisce il carico sulla batteria di propulsione, la cui corrente dovrebbe altrimenti essere utilizzata anche per il riscaldamento. Ciononostante, anche la pompa di calore necessita di elettricità proveniente dalla batteria, semplicemente un po’ meno rispetto a se l’elettricità venisse convertita direttamente in calore. In estate il fabbisogno energetico per il climatizzatore dei veicoli elettrici e dei motori a combustione è pressoché identico.
Qual è il grado di efficienza di un veicolo a celle a combustibile?
Con le celle a combustibile, l’efficienza di una propulsione è tra quella di un’auto a benzina e diesel, quindi molto inferiore a quella di un’auto elettrica. Un veicolo a celle a combustibile ha un motore elettrico e una batteria di propulsione (relativamente piccola), quindi, come un’auto elettrica, alla fine trasforma l’energia elettrica in movimento. I veicoli a celle a combustibile hanno il vantaggio di un’autonomia molto elevata. Ma per raggiungere un’autonomia maggiore rispetto alle auto elettriche, a bordo sono presenti anche la cella a combustibile e un serbatoio di idrogeno. Per ricaricare la batteria per la propulsione elettrica, la cella a combustibile genera corrente utilizzando l’ossigeno presente nell’aria e l’idrogeno.
Considerata isolatamente, la cella a combustibile raggiunge un rendimento superiore all’80%. Ma nel bilancio Well-to-Wheel l’idrogeno rovina questo valore elevato. L’idrogeno non è presente in natura in modo isolato, ma deve essere prodotto in modo dispendioso dal punto di vista energetico. Ciò avviene in modo sostenibile con elettrolizzatori che, mediante corrente rigenerativa, scindono l’acqua in ossigeno e idrogeno. Successivamente si tratta di stoccare l’idrogeno gassoso ad alta pressione e basse temperature. Altrimenti il bilancio energetico di questo tipo di propulsione sarebbe ancora peggiore. La pressione arriva fino a 700 bar. A titolo di confronto, uno pneumatico per auto ha da due a tre bar. La temperatura è di circa –250 gradi. Tutto questo richiede molta energia.
Il riciclaggio è molto meno oneroso rispetto all’auto elettrica grazie alla batteria molto piccola. Inoltre, l’elettricità in eccesso (ad es. prodotta in estate dagli impianti fotovoltaici) può essere trasformata in idrogeno e stoccata.
Il bilancio Well-to-Wheel vede per veicoli a celle a combustibile come segue:
70% dell’energia originariamente utilizzata va persa durante la produzione e lo stoccaggio dell’idrogeno nonché durante la produzione di elettricità nel veicolo.
30% dell’energia impiegata aziona le ruote di un veicolo a celle a combustibile.
Questo spiega anche perché le celle a combustibile siano considerate una tecnologia di nicchia per il traffico stradale. Infatti, per moltissimi casi applicativi esiste una soluzione molto meno complessa e allo stesso tempo più efficiente dal punto di vista energetico, che2-neutrale è: l’auto elettrica.