Nome: Sergio Capraro
Su di me: Nato il 28 Gennaio 1953 a Vicenza
Perito industriale Meccanico
Dottore in Ingegneria Meccanica
Dirigente settore Commercio
Dirigente settore Industria
Imprenditore
Docente part time di Fisica; Meccanica e Macchine
sergio.capraro@libero.it
Interessi: Open project VI-Veicolo Intelligente®
- Consumo energetico teorico alla velocità massima pari a 0,01 KWh/Km.
- Costo stimato per 100 Km. pari a 0,25 €.
Studi preliminari, immagini e rendering dei veicoli non ancora pubblicabili per ovvie ragioni di riservatezza.
Vivo a: IT, Veneto/Vicenza
Specializzazione::
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L’automotive ibrido: ragioni e verità
La tecnologia dell’auto ibrida è ad oggi sostanzialmente l’unica realtà vendibile che utilizza un motore di potenza elettrico come variante "eco" dei veicoli "normali" dotati di motrice endotermica a ciclo otto o diesel.
I risultati delle immatricolazioni lo dimostrano inequivocabilmente.
Da sempre, sono abituato a pensare che se una realtà esiste, sia improbabile l’essere a caso.
Le ragioni che determinano questa situazione e che da tempo impediscono la diffusione della trazione completamente elettrica, continuano e continueranno quantomeno nel medio termine ad essere semplici e del tutto evidenti.
Semplici perchè sostanzialmente riferibili ad una unica problematica tecnologica ed evidenti perchè dimostrate nei fatti dall’appena citata realtà di un mercato che non decolla.
Le principali peculiarità della problematica in discussione sono:
1. Nell’universo che ad oggi ci è dato conoscere nulla si crea, nulla si distrugge e tutto si trasforma.
2. L’energia in particolare è una costante assoluta, come tale può assumere diverse forme trasformandosi con la certezza di rendimenti di fase o parziali e globale di ciclo sempre inferiori all’unità, poichè si addiviene a progressivi stati di maggior disordine che non ci è dato recuperare in termini di lavoro utile.
3. L’energia elettrica (EE), sostanzialmente non esiste in natura salvo che in casi particolari caratterizzati da bassa quantità, alta imprevedibilità e parametri scarsamente e difficilmente sfruttabili. Per sua natura, questo flusso di elettroni c’è ed esiste solo e nello stesso momento in cui viene utilizzato; accumularlo in modo agevole è da sempre l’altra faccia della medaglia che vanifica l’impiego in alcuni settori di questa forma energetica per lo più estremamente ed eccezionalmente fruibile.
Conoscendo queste poche elementari verità che la fisica insegna e disponendo di voglia ed apertura mentale sufficienti, è già possibile individuare razionalmente la maggior parte delle ragioni e delle verità dell’oggetto, salvandosi così dal soccombere per ignoranza a quel che non è, ancorchè frutto di altre ragioni e ben che vada di mezze verità.
Credo sia di tutta evidenza ma è sempre utile sottolinearlo come seppur subdola, sia la strategia della mezza verità a garantire risultati certamente superiori alla falsità e come, in assenza di un credo proprio, la capacità dell’altrui argomentare o dell’argomentare di massa porti sempre e solo al credere nel verosimile più che nel vero.
Entrando nel merito, la semplice ragione del successo degli ibridi sta nell’incapacità tecnica che ancora caratterizza lo status quo del dispositivo che serve per accumulare, stoccare o immagazzinare che dir si voglia, l’EE.
Questo dispositivo risponde al nome di accumulatore elettrico o più volgarmente batteria.
Poichè per far avanzare il veicolo devo spendere lavoro meccanico (energia di tal natura), scartato l’utilizzo di quello fisico prodotto dalla forza muscolare di cui la macchina umana dispone in qualità di motrice, posso scegliere di impiegare quello che deriva dalla trasformazione di EE in energia cinetica ad opera della macchina elettrica di tipo motore o motrice elettrica se così si preferisce nominarla.
In qualsivoglia soluzione, l’importante è capire quale e quanto sia in termini di "nutrimento" il necessario capace di soddisfare il fabbisogno qui in termini di tipologia di movimento richiesta verificando “efficacia” ed “efficienza” dei processi.
Così è, sia che si tratti di garantire l’energia primaria necessaria a mantenere attivo il ciclo umano o dell’animale da tiro, piuttosto che a garantire la combustione dei motori endotermici ovvero quella di un ciclo vapore per la produzione d EE.
Se si pensa che un "banale" KWh di energia corrisponde grosso modo al lavoro che potrebbe essere garantito dalla fatica i dieci uomini e che la potenza di un CV (cavallo vapore simile all’HP anglosassone) assicura la possibilità di spostare di un metro una massa 75 Kg in un solo secondo, ci si comincia a confrontare con il concreto.
Riflettendo sul fatto che la minima potenza installata nelle nostre abitazioni comporterebbe la disponibilità a piacer nostro di 30 schiavi oppure di oltre 4 ben robusti cavalli, sono certo che ognuno di noi voglia e comunque debba "togliersi tanto di cappello" quando parla di energia e potenza.
L’automotive, da tempo si è incamminato sulla strada dell’aumento delle prestazioni e del confort grazie alla grande disponibilità di energia a basso prezzo.
Questa realtà è però contro natura e chi frequenta questo sito lo sa e lo crede poiché anzitutto l’energia anzi l’Energia, non è da valutarsi in denaro ma in Joule ed i bilanci Energetici di un qualsivoglia ciclo di trasformazione, non si fanno in moneta come quasi sempre ci vien dato a bere, ma nell’appena citata unità di misura del lavoro.
Specificatamente dunque: come può essere possibile pensare che ad una tale impostazione progettuale dell’auto possa corrispondere una soluzione totalmente elettrica piuttosto che ibrida?
Batterie al piombo acido, agli idruri, agli ioni di litio ed ai polimeri o a quel che si vuole. Nella migliore delle alternative tecnologiche possibili siamo riusciti a ridurre di un terzo circa le masse dell’accumulatore incrementandone attualmente il costo di ca. il 400%.
Il futuro probabilmente e come sempre, migliorerà ancora questa situazione cogliendo il frutto dell’impegno intelligente ma come anticipavo questo è il problema e permane enorme se si pensa a quanto appena detto ed alla realtà che il buon vecchio accumulatore al piombo acido comporta una massa di 27 Kg ca. per la capacità di "contenere" 1 KWh di EE.
Così discorrendo, un’auto potente di 100 KW alle motrici esercita alla potenza massima per un’ora, trasferisce un’energia di ca. 100 KWh percorrendo presumibilmente 200 Km su strada rettilinea sgombra.
Considerato che l’accumulatore elettrico sconta, a meno di "pagare" altri pesanti dazi, anche l’impossibilità di fornire tutta l’energia immagazzinata, i 2.700 Kg di massa teorica richiesti dovrebbero essere moltiplicati probabilmente per un fattore pari a due ottenendo a questo punto un veicolo che in verità mi appare ora anche incapace di raggiungere la performance di velocità ipotizzata.
Per completezza e serietà di informazione, va precisata l’omissione per brevità della valutazione del ciclo di trasformazione energetico in termini di rendimento: ciò impone di aumentare ulteriormente la capacità dell’accumulatore di almeno un altro 25% così stimato per generosità in difetto.
Riflettiamo ancora considerando che il classico economicissimo serbatoio di carburante in materiale plastico di massa trascurabile e capace mediamente di 50 l, assicura autonomie che a parità di potenza alla ruota, superano di un fattore moltiplicativo circa pari a 3 quelle tipiche dell’accumulatore elettrico.
I precedenti calcoli anche se non rigorosi possono considerarsi attendibili qualitativamente e sufficientemente approssimati quantitativamente anche perché confermati dal mercato che propone tipicamente utilitarie a trazione elettrica con prestazioni analoghe alle omologhe a trazione endotermica dichiarate capaci di autonomie pari a ca. 150 Km con riserve energetiche di ca. 25 KWh.
In verità la più realistica autonomia di tali veicoli è da ritenersi vicina ai 100 Km quindi del tutto imparagonabile ai tipici 500/700 Km delle omologhe benzina-diesel.
Considerando un costo alla produzione di ca. 400 €/KWh per l’accumulatore a tecnologia avanzata (oltre 10.000 € per appena 100 Km di autonomia) cui va sommato il costo del BMS (battery system management) e dell’elettronica complementare si capiscono tante altre cose tipo la scelta commerciale di noleggiare piuttosto che vendere le batterie.
L’ibrido dunque esiste a mio avviso per la scelta strategica di ridurre al minimo lo stoccaggio di EE a bordo del veicolo rendendone così possibile la vendita e l’utilizzo che la “buona e vecchia” tecnologia endotermica è capace di assicurare molto meglio.
La necessità elevata a virtù, un gap negativo trasformato in plus: geniale!
Certamente tanta tecnologia non può che essere ammirata e chi se innamorasse per esserne certo deve però ben valutare i seguenti punti.
A. L’EE viene conferita all’accumulatore in tre modi:
• da alimentazione/presa esterna a veicolo fermo
• dal veicolo in movimento (non fermo a motore acceso). In tale fase il motore endotermico consuma per soddisfare il combinato di fabbisogno: trazione richiesta alle ruote per il movimento e trazione richiesta dall’alternatore per la ricarica, diventando incapace di fornire le prestazioni massime alla sola trazione
• dal recupero per conversione dell’energia meccanica cinetica in EE nelle andature di discesa, frenata e rallentamento.
Nel primo caso il rendimento del ciclo energetico è massimo ed elevato pari a ca. il 45% qualora l’EE provenga dal migliore ciclo termoelettrico possibile (tipo misto gas-vapore 0.6x0.8 %).
Diverso ma non di molto il caso che L’EE sia ottenuta per trasformazione da fonte eolica o solare che qui non approfondisco per brevità e perché sostanzialmente inconsistente.
Il secondo caso comporta invece l’ovvia perdita netta di rendimento dovuta alla duplicazione delle trasformazione energetiche: da energia chimica (combustibile) in meccanica cinetica che potrebbe essere direttamente utilizzata per la trazione piuttosto che trasformata in elettrica ad opera della macchina elettrica motrice che diventa in questa fase tipicamente operatrice in qualità di generatore di EE.
La tanto sbandierata fase del recupero energetico infine, presenta la triste verità di garantire apporti energetici decrescenti nell’ordine di tipologia di marcia esposta e praticamente trascurabili perché concretamente stimabili ottimisticamente nell’1%. Si rifletta sul fatto che l’accumulatore carico non consente alcun ulteriore recupero energetico, che il veicolo giustamente è tradizionalmente dotato di freni e nulla si può per recuperare la maggior parte dell’energia inerziale che si trasforma in energia termica (degrada in calore) negli stessi.
B. Risultando la potenza installata sul veicolo combinazione dell’endotermica e dell’elettrica questa sarà massima solo in presenza di accumulatore sufficientemente carico e minore in ogni altro caso alla somma delle due che peraltro la tipologia di progetto solitamente per scelta non consente.
C. Modificare il tradizionale ciclo Otto in ciclo Atkinson o altre pregevoli scelte tecniche e progettuali contribuiscono in misura trascurabile al miglioramento del rendimento che tanta sofisticazione lascia sostanzialmente invariato introducendo peraltro oneri e consumi energetici indiretti molto pesanti anche a livello di costo (elettronica, due motori, accumulatori, controller, BMS…).
Ragioni dell’esistenza, del successo della tecnologia ibrida mi sembrano a questo punto discretamente motivate e condivisibili insieme alle amare verità appena riassunte.
Dove trovare quindi una vera validità per questa tecnologia?
Mi piace immaginare questo affascinante, per molti versi incredibile e certamente complicato esercizio tecnologico, assetato di circolazione cittadina.
Questa viabilità lo vede muoversi con la sola trazione elettrica che in tal caso rappresenta forse la soluzione ottimale come lo è per i trasferimenti brevi, densi di stop and go e caratterizzati da basse prestazioni.
In tal caso l’ibrido in funzione elettrico puro può farla da padrone; un padrone che seppur di appetito ridotto richiede di essere sfamato a sufficienza. E’ da valutare dunque con la massima attenzione di quale autonomia siano capaci le batterie di cui è dotato il veicolo poiché se le verità che a denti stretti e non sempre si dicono diventando difficili da indagare comportano da uno a due chilometri, risulterebbe di certo vanificato ogni pregio anche a livello di impatto ambientale.
Da qualche tempo vedo con piacere apparire seppur tardivamente e poco pubblicizzate e spiegate alcune verità che mi auguro possano togliere sempre più posto alle molte falsità sbandierate e presenti.
In argomento si sta iniziando a fare chiarezza su alcune false convinzioni mettendo a confronto alcuni diffusi modelli in versione “normale” ed "eco" così come dichiarando, seppur furbescamente, valori di inquinamento “dal pozzo alla ruota”.
La tedesca Dekra ad esempio è giunta a pubblicare risultati drammatici peraltro prevedibili e cioè che i risparmi in termini di consumi e quindi anche di riduzione della CO2 delle versioni "eco" sono assolutamente trascurabili (0,3-0,4 L/100 Km) e che di conseguenza, a fronte di prezzi di acquisto elevati, la necessità di ammortamento implica sul piano economico la non oculatezza di questi acquisti.
Verde, ECO, Ambiente per loro stessa natura infatti rispettano le leggi che la regolano e da queste dipendono non già dal chicchericcio soggettivo.
Meccanica e Termodinamica, la Fisica, la Scienza in genere non concede spazio al miracolo e non si può concepire il risparmio se non condizionato alla riduzione della prestazione e all’aumento del rendimento totale delle trasformazioni in gioco.
Sono infatti esclusivamente le forze resistenti, apparenti e passive a determinare il fabbisogno energetico del moto e non altro.
Gli esempi che ribadiscono questi concetti sono infiniti e le soluzioni tecniche per muoversi senza fatica in modo ottimale esistono anche se forse, implicano scelte che in fondo non vogliamo.
Come spesso accade, l’apparire vale più dell’essere.
Un falso che però nulla può contro ciò che è.
Sergio Capraro
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REPORTAGE
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L’automotive ibrido: ragioni e verità
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posted on 4/5/2011 at 2:07
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AGGIORNAMENTO
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Ecco un’email che mi è arrivata: "Mi ritrovo in quanto dici, l’apparire prima dell’essere, ed aggiungo essere utile.
Il mio pensiero alla fine è: quindi per te Ibrido si o ibrido no?
Io resto a favore della bicicletta per muoversi in città e mi piacciono le facce stupite dei colleghi che mi dicono "ma davvero sei venuto in bici, non fai fatica?", oppure quanto vengono da me e raccontano che hanno fatto 5 km in bici e che non credevano di poter andare così lontano..."
A favore dell’ibrido sì o no?
Certe risposte non si possono improvvisare nè essere inquadrate nell’ottica semplicistica del sì o no.
La chiave di lettura la puoi trovare facilmente sull’ultima raccomandazione fatta circa la necessità di capire bene quale sia realmente l’autonomia del veicolo in puro funzionamnto elettrico.
Se l’autonomia è decente nel range dunque di 50-80 Km l’ibrido è a mio avviso oggi una buona soluzione per chi ha un’unica auto.
Non certo la migliore per chi la usasse prevalentemente in città.
Mi riprometto di entrare ulteriormente in dettaglio in un prossimo futuro ma a te e agli altri che possono essere interessati ad un progetto di movimentazione intelligente posso spiegare il mio che penso ottimale e capace di risopondere appieno anche al gradimento che dimostri avere per la bicicletta e magari per faticare poco muovendoti al riparo ed in sicurezsza.
Ufficialmente il suo nome è VI-Veicolo Intelligente® ma mi piace chiamarlo quartodieuro a memoria della mia prima quartodilitro: 0,25 € per ca. 100 Km.
Grzie dell’interessamento e buona giornata
Sergio Capraro
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posted on 4/5/2011 at 11:59
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AGGIORNAMENTO
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Considerate le richieste pervenute completo l’argomento.
Miracoli, come è logico, non ne posso fare nè raccontare.
Queste alcune dichiarazioni di utilizzatori dell’automotive ibrido non ricaricabile da presa esterna (non plug-in). Preciso di averlo sempre inteso combinazione di motrici endotermiche/elettriche.
• In solo elettrico non fa piu’ di 2 km (anche 1 magari!)
• Per essere precisi, i valori 5.7 e 6.1 l/100 km sono medi, perché la…la guidiamo un po’ io e un po’ mio figlio. Quindi, credo che se la guidassi soltanto io andrei vicino ai 5 l/100 km
• fatto sta’ che dai promessi 4.8l/100km siamo ai costanti 6.5 - 7. Nei primi 6 mesi delle batterie nuove son soddisfatto a guidare nel range 5.2-5.5.
Diversa la situazione ovviamente per l’automotive ibrido c.s. in versione plug-in (ricaricabile in ca. 2 h da presa elettrica di casa 220 V), come sarà l’aggiornamento della Prius programmato per il 2012, ovviamente più dotato in termini di stoccaggio energetico a bordo vettura per garantire autonomie elettriche di ca. 20 Km. Costo ricarica 0,40 € quindi ca. 2 € per 100 Km contro 3-4 volte il costo dell’equivalente benzina… dicono!
Tutto confermato dunque, anche il fatto che la tecnologia più moderna per l’accumulatore è quella che prevede l’impiego del litio e specificatamente i polimeri di questo elemento: per immagazzinare più energia con un minimo aggravio di peso e dimensioni anche la Toyota sembra intenzionata infatti ad utilizzare al posto dei collaudatissimi accumulatori al nichel-metallo idruro gli ioni di Li.
Ora tutti sanno che è questo marchio ad aver sviluppato e decisamente puntato sul successo dell’ibrido vendendo dal 1997 ad oggi due milioni di esemplari di cui il 10% ca. in Europa.
Non deve stupire perché razionale, anche il fatto che nel balletto dei pareri soggettivi relativi alle prestazioni ci stia tutto o quasi il dichiarato da costruttori ed utilizzatori, poiché la verità di quel che è e si afferma, è correlata in misura determinante sostanzialmente a due fattori:
- le forze resistenti, passive ed apparenti che si oppongono al movimento determinando il lavoro totale negativo (funzione della massa, di come viene distribuita nel volume Cx, Cy, Cz e dell’attrito di rotolamento)
- la tipologia di andatura (piana, salita, discesa, stop and go, uniforme o variamente accelerata) che influenza notevolmente il primo punto insieme, seppur in minor misura, alle condizioni ambientali in cui avviene il movimento.
Se curo il Cx o l’attrito di rotolamento, ottimizzo la massa e così via dal punto di vista progettuale e costruttivo non posso che ridurre i consumi a parità di utilizzo così come, se in tal senso sono abile con il piede - basti pensare a chi conduce i veicoli nelle competizioni a ciò dedicate ottenendo risultati inimmaginabili - sarò altrettanto capace.
Che sia il caso del papà che sopra sosteneva i venti con un litro e di chi smanettando (e l’elettrico lo consente in misura maggiore) non fa più di 70 Km contro i 150 di autonomia dichiarata?
E, i 30 Km/l per i diesel non sono forse già realtà?
Come dicevo, non è nemmeno possibile pensare che la risposta ai problemi energetici sia da valutarsi in termini di costo di esercizio dato dai componenti di consumo (carburante, lubrificanti, gomme, ricambi…), più onere di ammortamento dell’investimento, più oneri imprevisti, perché i dati a disposizione sono aleatori e soprattutto assolutamente dipendenti da situazioni politiche e sociali che nulla hanno a vedere con il consumo energetico.
Basterebbe pensare anche solo alla realtà che il carburante di natura fossile (benzina, gasolio, cherosene, olii combustibili, gas diversi, legna e carbone…) non ha un costo riferito all’unità di Energia (KWh, CVh…) ma al kg o al litro e che per di più il corrispondente prezzo di vendita è gravato (accise ed IVA) per scelta politica in misura del tutto diversa da tipo a tipo e funzione della tipologia del settore di impiego.
E’ di tutta evidenza che se l’EE fosse gratuita, guardando il solo portafoglio si opererebbe al meglio con tale scelta ma che identico sarebbe se questo privilegio fosse concesso piuttosto alla benzina ovvero a qualsivoglia altra fonte energetica diversa ed adatta allo scopo.
Se non si è attenti a questa potenziale cantonata come ad altre implicazioni di carattere più specificatamente tecnico, si può pensare che viaggiare a GPL sia un discreto regalo quando senz’altro, in presenza di una forte domanda di tale combustibile, la scelta politica non potrebbe essere che quella di alzarne le componenti di costo “non tecniche” come è accaduto per il gasolio da autotrazione.
Credo utile ribadire la necessità di analoga attenzione anche quando si voglia valutare l’impatto ambientale: non è possibile farlo seriamente prescindendo anzitutto dall’esame del ciclo completo delle trasformazioni energetiche e valutando bene se da qualche parte, in qualche anfratto di fase, non si nascondano privilegi che se considerati porterebbero a concludere molto diversamente.
Sono conscio che non sia facile anche perché non è sempre agevole prevedere le realtà che divengono evidenti nell’esercizio, ma una seria e disinteressata attenzione, credo avrebbe certamente evitato disastri economici, incremento della povertà, quindi guerre e ribellioni conseguenze di scelte recenti.
Il kWh di EE costa ca. 0,17 Euro (oggi però e su quali basi?). Considerato il rendimento del ciclo carica-scarica della batteria elettrica e ragionevolmente pensando dunque ad un rendimento medio del 60% del motore elettrico (non può sempre funzionare ai parametri nominali) ciò comporta 0,283 €/KWh alle ruote.
La benzina oggi costa 1,50 € l-1/0,75 Kg l-1= 2 €/Kg che impone un costo per megaunità di energia pari a di 2 € Kg-1/42MJ Kg-1 =0,0476 €/MJ equivalente a 0,046 € MJ-1x 10-3 x 3600 KJ/KWh = 0,171 €/KWh. Ipotizzato un rendimento di ciclo otto pari al 29% abbiamo 0,59 €/KWh alle ruote.
Il gasolio, sulla base dei dati caratteristici di un ciclo diesel sovralimentato cioè: 41 MJ Kg-1 potere calorifico inferiore, 0,85 densità, 1,38 costo e 0,33 rendimento, comporta per analogia di calcolo 0,43 €/KWh alle ruote.
Ciò che fa girare le ruote consentendo l’avanzamento sono appunto i Wh o J alle ruote che derivano come visto da fonti di costo energetico diverso con rendimenti diversi.
Fatto 100 l’unità di costo della fonte energetica i calcoli appena riportati, indicativi di un bilancio economico non certo energetico, comportano costi di alimentazione pari rispettivamente nell’ordine a 28,3; 59 e 43 proponendo in ordine di convenienza l’EE, il gasolio e la benzina.
I rispettivi fattori di convenienza dell’EE sulle alternative pari al 52% ed al 34% rispettivamente vanno però notevolmente ridotti se si considera che ad oggi la maggior parte di EE deriva comunque dalla trasformazione dell’energia di combustibili fossili del tutto simili ai precedenti con rendimenti certamente inferiori al 60%.
Questa proposta di risposta, dovuta anche dal semplicistico punto di vista economico, va inoltre rivista al ribasso in funzione della maggiore o minore complessità costruttiva, della durabilità, della necessità di manutenzione e quindi dell’investimento che ogni scelta comporta.
Problemi dell’accumulatore a parte quindi e nella speranza che si arrivi tra qualche anno a quei 350 USD per KWh tanto auspicati, premesso la necessità di capire l’errore in cui si incorre indagando solamente come appena fatto poichè molti dei costi non possono che essere assunti sulla base di politiche di prezzo del tutto arbitrarie, mi sia consentito ribadire che:
• masse elevate e prestazioni elevate aumentano il consumo energetico sempre e comunque.
Ecco una verità, ecco la ragione dei SUV in città!
Buona giornata
Sergio Capraro
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posted on 4/7/2011 at 17:36
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