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LA TECNOLOGIA IBRIDA
Automobili : i problemi da affrontare
Le automobili hanno sicuramente fatto passi da gigante nell?affinare la tecnologia, i materiali, le prestazioni, dalla famosa Ford T del 1908 fino a giungere alle attuali vetture dal design sempre più moderno ed equipaggiate con una miriade di strumenti e gadgets tecnologici (spesso dalla dubbia utilità).
Ford T, 1908 Nissan 350z, 2003
Ma accantonando per un attimo le prestazioni dinamiche (accelerazioni, riprese, velocità massime sempre più performanti, tenuta di strada e sicurezza attiva a livelli inimmaginabili anche solo 30 anni fa), gli importantissimi progressi nel campo della sicurezza passiva (i crash test delle vetture di due, in alcuni casi anche una sola generazione passata di modelli, sono imbarazzanti se paragonati ai modelli appena usciti sul mercato!), gli accessori e i gadgets elettronici che gli uomini-marketing delle case automobilistiche ci convincono siano fondamentali?accantonando tutto questo, le attuali automobili funzionano in base ad una tecnologia praticamente identica a quella che muoveva la famosa Ford T di un secolo fa : un motore termico, a combustione interna, che trasforma l?energia termica prodotta dalla combustione di una miscela combustibile (benzina/diesel/metano/gpl) ? comburente (aria) in energia meccanica.
La combustione all?interno della camera di scoppio genera un riscaldamento improvviso dei gas, con un conseguente aumento di volume che spinge il pistone che scorre all?interno di un cilindro. Il moto rettilineo del pistone viene quindi trasformato in moto rotatorio tramite appositi organi meccanici (biella-manovella) e tramite alcuni ingranaggi viene opportunamente demoltiplicato e trasmesso alle ruote, che facendo attrito con il suolo permettono il movimento della vettura (avviene qui un?ulteriore trasformazione del moto che da circolare torna rettilineo).
In tutto questo processo, vi è uno spreco notevole di energia sotto forma di calore, a tutti i livelli. Il calore della combustione che viene disperso in parte nell?atmosfera tramite i gas di scarico, in parte con il riscaldamento delle pareti del cilindro e degli altri componenti del propulsore, in parte assorbito dal liquido del circuito di raffreddamento. Vi è poi, ulteriore calore disperso durante l?attrito tra gli organi della trasmissione che permettono il trasferimento del moto del pistone alle ruote, oltre al calore generato dalle ruote stesse nell?attrito con il terreno. Tutti questi sprechi fanno si che il rendimento complessivo di un?auto a benzina generalmente si mantenga ben al di sotto del 30%. Leggermente superiore è il rendimento di un?auto diesel (perché necessita di un rapporto di compressione maggiore e funziona con una miscela combustibile/comburente molto più magra), ma restiamo sempre su valori molto bassi, che oscillano intorno al 20-30% a seconda delle condizioni di utilizzo (tipo di percorso, regime del motore, fattori climatici ecc.).
Ciò premesso, gli aspetti che più destano preoccupazione, relativamente al trasporto automobilistico, sono ovviamente l?inquinamento e il consumo (posto che le prestazioni sono ormai a livelli più che soddisfacenti, specie in relazione alle condizioni del traffico e delle strade).
Riguardo l?inquinamento sono state le normative antinquinamento dell?UE, ma anche degli USA, del Giappone e dei principali Paesi industrializzati a spingere le case a realizzare propulsori sempre più ecologici, grazie anche all?uso di catalizzatori sempre più efficienti.
Il fattore consumo è quello che negli ultimi tempi si è posto maggiormente all?attenzione degli automobilisti, anche e soprattutto a causa della congiuntura economica negativa degli ultimi anni, accompagnata (ed aggravata) dall?aumento del prezzo del petrolio, con conseguenti aumenti dei prezzi dei carburanti.
Le ricerche volte alla realizzazione di vetture che necessitino di meno energia (quindi meno carburante) per muoversi, stanno percorrendo strade diverse.
Si stanno effettuando numerose ricerche su progetti concernenti il radicale cambiamento della struttura dei propulsori automobilistici e sull?uso di carburanti alternativi a quelli derivati dal petrolio (es. Idrogeno), ma la loro industrializzazione richiederà comunque decenni di sperimentazioni, e restano ancora diversi problemi irrisolti, tali da rendere il bilancio energetico ed ambientale complessivo, comunque sfavorevole rispetto a quello delle tradizionali auto con motore a benzina (o altri derivati dal petrolio).
Alcune ricerche invece sono volte invece all?ottimizzazione dei tradizionali motori a benzina, con risultati finora decisamente incoraggianti.
La tecnologia Ibrida è una delle innovazioni (gia industrializzata e commercializzata da alcune case automobilistiche, sperimentata da tempo da altre) che finora ha gia prodotto pregevoli risultati, con costi e complessità tutto sommato accettabili.
Tecnologia Ibrida: l?applicazione di Toyota
La tecnologia ibrida si basa sull?installazione di un motore elettrico affiancato al tradizionale motore termico, in modo da coadiuvarlo nei momenti di maggior richiesta di energia, allo scopo di contenerne i consumi.
Toyota è una delle case automobilistiche maggiormente impegnate su questo fronte, e gia dal 1997 ha industrializzato e reso disponibile sul mercato il modello Prius, che è gia arrivato alla seconda generazione e comincia a fare numeri consistenti sul mercato mondiale (più di 125.000 unità consegnate nel 2004 e circa il 50% in più nel 2005. Dal 1997 ad oggi il gruppo Toyota ha venduto oltre 500.000 auto ibride).
Toyota Prius, 2° serie.
La Prius è equipaggiata con un motore termico da 1500cc, da 78cv e da un motore elettrico da 68cv che lavorano parallelamente o singolarmente a seconda delle necessità e delle condizioni d?uso. Il resto dell?equipaggiamento ?extra? rispetto ad una vettura tradizionale prevede batterie supplementari più capienti , un inverter che effettua una trasformazione da corrente continua in corrente alternata, oltre ad una serie di sofisticate centraline che sovraintendono al tutto.
Il motore elettrico nei rallentamenti inverte la sua funzione, fungendo da generatore di energia elettrica che viene convogliata nelle batterie. Si parla di una capacità di generazione di circa 100Wattora ogni 5 minuti.
Oltre alla modalità di funzionamento di questa tecnologia (che andrò a dettagliare di seguito), ci sono altri accorgimenti e caratteristiche studiate per l?ottimizzazione dei consumi, del rendimento e delle emissioni inquinanti.
Riguardo il motore termico, è stato scelto un propulsore che funziona a ciclo ?Atkinson-Miller? :
in un motore a quattro tempi l?energia trasformata dalla combustione viene trasformata in potenza durante la fase di espansione dei gas nel cilindro, e la potenza sviluppata cresce al crescere del rapporto di espansione. Nei classici motori a ciclo Otto, il rapporto di espansione è uguale al rapporto di compressione (che è calcolato come rapporto tra il volume totale del cilindro (cilindrata + camera di combustione), quando il pistone è al punto morto inferiore, dopo la fase di aspirazione, e il volume che rimane nel cilindro quando il pistone è al punto morto superiore, dopo la compressione) e per aumentare il primo si cerca generalmente di aumentare quest?ultimo. Il rapporto di compressione non può però essere aumentato eccessivamente perché si andrebbe incontro a fenomeni di detonazione nei motori a benzina. Nel ciclo Atkinson Miller, si risolve il problema agendo sul rapporto di espansione, ritardando la chisura delle valvole durante la fase di compressione. La conseguenza è che nella fase iniziale della risalita del pistone non c?è compressione, ma un deflusso parziale della miscela aria-benzina nei condotti di aspirazione, spinta appunto dal pistone. La compressione inizia con ritardo, quando le valvole di aspirazione si chiudono. Il risultato è che la miscela bruciata sia in quantità più ridotta, visto che in parte era defluita dalla camera di scoppio quando le valvole erano ancora aperte e si ha quindi una maggiore efficienza termodinamica (oltre naturalmente ad una minore potenza specifica: potenza/cilindrata).
Anche la forma della vettura è stata studiata per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica, con conseguenti benefici in termini di consumi (ed emissioni), con un cx (coefficiente di penetrazione aerodinamica) pari a 0.26 , contro una media ben superiore a 0.30.
Il funzionamento della vettura, vede i due motori intervenire congiuntamente o singolarmente a seconda delle situazioni (o anche delle esigenze del conducente). Il principio cardine è quello di coadiuvare il motore termico nelle situazioni in cui si troverebbe a funzionare con scarso rendimento, come la marcia in città caratterizzata da continue accelerazioni, decelerazioni e soste a motore acceso.
Nella Prius, a vettura ferma il motore termico è spento, in partenza per e i primi metri il movimento è garantito dal solo motore elettrico alimentato dalle batterie. Successivamente, quando si ha bisogno di maggior potenza per tenere una velocità più alta, interviene il motore temico (a vettura gia in movimento), e viene mantenuto ad un regime pressochè costante, prossimo ai 4000giri, corrispondenti al punto di coppia massima (regime in cui i motori a termici esprimono il maggior rendimento), grazie ad un cambio automatico a variazione continua di rapporti.
Nei momenti di massima accelerazione i due motori funzionano contemporaneamente sviluppando la massima potenza disponibile.
Chiaramente le batterie del motore elettrico hanno bisogno di essere ricaricate, e ciò avviene, quando è necessario, grazie ad un generatore azionato dal motore termico, ma soprattutto nelle fasi di rallentamento, in cui il motore elettrico inverte il suo funzionamento trasformando l?energia cinetica della vettura che si muove per inerzia in energia elettrica che viene convogliata nelle batterie.
Proprio quest?ultima fase da il consistente vantaggio di una vettura ibrida rispetto ad una tradizionale : il recupero di una consistente quantità di energia che sarebbe stata sprecata, dissipata sotto forma di calore.
Vi sono due circuiti elettrici separati : quello a bassa tensione (12v), come sulle auto tradizionali, che alimenta gli accessori e gli equipaggiamenti di bordo, e quello ad alta tensione (200v), che alimenta il motore elettrico.
Tutto il funzionamento è gestito da sofisticate centraline elettroniche, che decidono quali motori e in che modalità devono funzionare.
Per i risultati in termini di prestazioni facciamo riferimento alle rilevazioni di ?quattroruote? :
sono stati calcolati 18 km/l nella marcia in città, più di 17km/l in strada statale e 10.5km/l in autostrada.
Altre testate hanno tuttavia rilevato valori ancora più soddisfacenti.
In città un?auto delle dimensioni della Prius (4.5m) con un motore a benzina di analoga potenza difficilmente si sarebbe potuta spingere oltre i 10km/l, mentre un diesel dalle prestazioni analoghe si sarebbe attestato intorno ai 13-14km/l, in ogni caso ben lontano dai risultati raggiunti dall?auto ibrida.
I risultati rilevati a velocità autostradali (comunque da più parti giudicati inferiori al reale) sono paragonabili a quelli di un?auto a benzina tradizionale di analoga potenza, cosa abbastanza scontata, dal momento che a velocità costante l?apporto del motore elettrico non può essere rilevante, in quanto mancherebbero i rallentamenti per ricaricare le batterie.
Schema di funzionamento dell'auto ibrida. Il motore termico si interfaccia con le ruote trasferendo energia meccanica, e con il motore elettrico nei casi in cui sia necessario alimentarlo elettricamente. Il motore elettrico si interfaccia con le ruote a seconda delle situazioni, trasferendo energia meccanica nelle accelerazioni, assorbendo energia cinetica (che converte in energia elettrica) nei rallentamenti. Lo stesso motore elettrico si interfaccia con le batterie, assorbendo o fornendo energia elettrica a seconda che stia funzionando da generatore o da propulsore.
L?intento di toyota è di estendere nei prossimi anni la tecnologia ibrida a tutta la gamma di modelli di automobili, compresi modelli più grandi, lussuosi e ad alte prestazioni. Gia da alcuni mesi è stato commercializzato un SUV (Sport Utility Vehicle secondo la denominazione attualmente in voga per i fuoristrada ?civilizzati?) con il marchio Lexus (brand di lusso di Toyota) : il modello RX400H. La tecnologia e la logica di funzionamento sono rimasti gli stessi della Prius, ma in questo caso sono stati adottati un motore termico da 3300cc da 211cv e due motori elettrici da 167 e 68cv. In questo caso ovviamente, più che in senso assoluto, i consumi stupiscono relativamente alla massa del veicolo (oltre le 2 tonnellate) e alle prestazioni offerte. La richiesta di carburante del v6 da 3.300cc è paragonabile a quella di una berlina media con un motore a benzina intorno ai 2.000cc di cilindrata : (Toyota dichiara un consumo urbano di 11 km/l!), mentre le prestazioni sono consone a quelle che ci si aspetterebbe visti gli oltre 400cv totali.
Lexus RX400H
Tecnologia ibrida: l?applicazione di Honda
Anche un?altra casa automobilistica giapponese commercializza gia da alcuni anni una vettura ibrida, con un motore elettrico che supporta un motore termico: il modello Civic Ima.
Il progetto di Honda è un po? più semplice di quello Toyota, ma il principio di funzionamento rimane lo stesso : il motore elettrico funge da ausilio al motore termico nelle situazioni in cui quest?ultimo avrebbe il peggior rendimento, (tipicamente la marcia in città, le accelerazioni) e il recupero di energia avviene tramite un generatore che sfrutta l?energia cinetica che andrebbe sprecata nelle decelerazioni, convertendola in energia elettrica convogliata nelle batterie.
Il cambio, a differenza di Toyota è manuale, di tipo tradizionale, quindi il funzionamento del motore termico è influenzato esclusivamente dal conducente, mentre nelle Toyota sono le centraline elettroniche a stabilire il funzionamento di entrambi i motori.
Non si può negare che pur con una soluzione più semplice, anche Honda abbia ottenuto pregevoli risultati. La Civic Ima, equipaggiata con un motore termico da 1.300cc da 90cv e un motore elettrico da 13cv riesce a percorrere oltre 16km/l in città e circa 20km/ nell?extraurbano. Non bisogna dimenticare che si tratta anche in questo caso di un?autovettura lunga circa 4.5m. Potremmo approssimativamente quantificare in oltre il 50% la percorrenza nei tragitti urbani a parità di carburante.
Ibrido Diesel-Elettrico
Vien quasi spontaneo pensare ai risultati che si potrebbero raggiungere abbinando un propulsore elettrico ad un motore a ciclo diesel anziché un motore a benzina. In effetti anche questa soluzione è da tempo sperimentata da alcune case automobilistiche. Il gruppo GM gia da tempo aveva sperimentato la tecnologia su alcuni autobus urbani ibridi con propulsori elettrici affiancati ai motori diesel, circolanti negli USA, e nel Dicembre del 2004 è stato ufficialmente annunciato un accordo con i gruppi Daimler-Chrysler e Bmw per la ricerca e l?industrializzazione di automobili ibride (decisamente in ritardo rispetto alle case giapponesi).
I risultati sono ancora in forma di prototipi, ma ormai quasi definitivamente affinati e perfettamente funzionanti.
Il gruppo Daimler-Chrysler ha presentato una variante della Smart fortwo, una citycar a due posti, equipaggiata con un piccolo propulsore diesel da 41cv e un motore elettrico da 31cv. Il funzionamento è analogo a quello dei modelli giapponesi, con le batterie del motore elettrico che si ricaricano grazie allo stesso motore elettrico che funziona da generatore di corrente nei rallentamenti, e che interviene nelle partenze da fermo, e nelle accelerazioni, permettendo al motore termico (diesel) di aumentare di circa il 30% la percorrenza con un litro di carburante. Il dato assoluto in questo caso è poco indicativo (si parla di circa 35km/l), in quanto l?auto in questione è una piccolissima vettura utile soprattutto nelle città affollate e con scarsi parcheggi (tra l?altro, la Smart Fortwo ha avuto globalmente scarso successo, affermandosi in pochissimi Paesi, tra cui l?Italia, principalmente per un effetto moda che il marketing Smart ha saputo rafforzare e sfruttare).
Anche Opel (gruppo GM) ha presentato il proprio prototipo di auto ibrida con motore termico a gasolio : il modello Astra, equipaggiato da due motori elettrici e un motore diesel da 1.7cc. Anche qui lo schema di funzionamento è il solito, e il risparmio di carburante si aggira nell?ordine del 25% (a partire dai consumi da diesel che gia sono notevolmente contenuti).
Ormai la ricerca in questo campo impegna quasi tutte le case automobilistiche, alcune si limitano a soluzioni poco complicate (e costose), realizzando risultati più modesti (Ford sperimenta sul modello Fiesta un piccolo motore elettrico, che alimenta le batterie nel modo gia visto, ma si limita a facilitare l?avvio e la partenza del motore termico che a vettura ferma è sempre spento, con risparmi di carburante nell?ordine del 5% nei centri urbani, e il resto dell?energia accumulata viene sfruttata per alimentare gli accessori dell?abitacolo), altre hanno ottenuto risultati più consistenti (con ovviamente investimenti e tecnologie più impegnative).
Visti i considerevoli risultati finora ottenuti, e visto soprattutto che si tratta di una tecnologia gia disponibile sul mercato degli utilizzatori finali, ritengo che questo tipo di veicoli rivestirà una grande importanza nel prossimo futuro a breve e medio termine. E? interessante notare che i prezzi delle auto ibride siano tutt?altro che proibitivi (la Toyota Prius è in vendita a circa 25.000 euro, non tantissimo considerando le dimensioni, l?equipaggiamento e i prezzi delle vetture concorrenti equipaggiate con propulsori tradizionali) nonostante la ridotta quota di mercato su cui oggi possono ammortizzare i costi. Non si tratta sicuramente della soluzione definitiva, in quanto l?intento ultimo è quello di distaccarci dalla dipendenza del petrolio, cercando di orientare i consumi verso fonti di energia rinnovabili e più a basso costo, ma sicuramente servirà ad aumentare gli anni a disposizione per effettuare ricerche sugli altri campi (es. Idrogeno).
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