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Aggiornato al 14/10/2019

È molto più bello sapere qualcosa di tutto, che tutto di una cosa; questa universalità è la cosa più bella.

Blaise Pascal

Michael Killen (Menlo Park, California) - Birth of Electric Car Engine -Beginning of the End of the Internal Combustion Engine Car.

 

Le auto elettriche metteranno in ginocchio la rete elettrica?

di Achille De Tommaso

 

Si continua a dire che i motori elettrici sono più efficienti dei motori a benzina, e questo è assolutamente vero; ma il grosso problema energetico, dal punto di vista della centrale, non è il consumo totale di energia, ma il carico di punta.

 

***

 

I tempi di ricarica, sempre più rapidi, per le auto elettriche, generano molto entusiasmo; ma ciò che sembra essere poco considerato è che possono portare a una quantità favolosa di domanda di picco di elettricità.

Se si carica un'automobile elettrica che ha una capacità della batteria di 25 kWh durante 8 ore, è sufficiente una potenza di 3 kW circa.. Se invece si carica la stessa batteria in soli 10 minuti, c'è bisogno di una potenza di 155 kW.

Quante centrali elettriche aggiuntive dobbiamo costruire se introduciamo auto elettriche su larga scala? Secondo i sostenitori della ecosostenibilità delle auto elettriche nessuna: i veicoli elettrici possono essere caricati di notte. Molte centrali elettriche hanno infatti un surplus di energia durante la notte perché la domanda è bassa. E’ proprio vero?

Nel dicembre 2006, uno studio (1) presso il Laboratorio Nazionale del Nord-Ovest degli Stati Uniti affermò che la produzione di elettricità e la capacità di trasmissione fuori picco potevano alimentare l'84% dei 220 milioni di automobili del paese, se queste fossero state convertite in ibridi plug-in.

Poi un aggiustamento: nel giugno 2007, un altro studio del governo degli Stati Uniti concluse che il 73% della flotta di veicoli leggeri statunitensi esistenti poteva essere alimentata con capacità elettrica disponibile fuori picco, se trasformata in ibridi plug-in .

Nel marzo 2008, però, uno studio dell'Oak Ridge National Laboratory affermò che, se il 25% della flotta statunitense fosse stata sostituita da ibridi plug-in (previsione per il 2030), sarebbe necessario costruire otto nuove grandi centrali elettriche, supponendo che tutte queste auto fossero messe in carica dopo le 22.

Sono tutti studi un po’ datati; ma qualcosa non torna comunque, anche se la tecnologia, in 10 anni, ha fatto passi da gigante, e ciò che non torna è abbastanza matematico. Vediamo cosa:

 

Ibride plug-in contro auto full electric

Innanzitutto, la prima difficoltà nel ragionamento è che questi studi parlano di ibridi plug-in, e non di auto elettriche (intendo “full-electric”).

Gli ibridi plug-in hanno batterie più piccole rispetto alle auto completamente elettriche: la capacità della batteria va da 5 a 25 kWh, rispetto a 10-50 kWh per un'automobile completamente elettrica.

 

Ricarica di notte?

Le auto elettriche non hanno il backup di un motore a benzina e necessitano di un'infrastruttura di stazioni di rifornimento per le distanze più lunghe. Quindi, se facciamo i nostri calcoli di necessità di energia, basandoci solo sulla ricarica di notte, abbiamo sbagliato i nostri conti, perché questa ricarica può andare bene per le auto ibride; e non per le “full-electric”.

Se consideriamo, poi, la “ricarica di notte”, dobbiamo osservare che molte persone non hanno la possibilità di caricare i loro veicoli a casa; non tutti hanno un garage. Ciò significa che, se vogliamo dare la possibilità di ricarica notturna, dobbiamo prevedere di costruire un'infrastruttura capillare di punti ricarica lungo i marciapiedi delle città.

Caricare, quindi, le auto elettriche di notte (con l'elettricità fuori picco) potrebbe limitare la necessità di nuove centrali elettriche, ma è tutt'altro che pratico.

In altre parole, è un'illusione pensare che tutte le auto elettriche saranno caricate di notte. Una quantità considerevole di loro forse, ma non tutte. E, non importa quanto sia piccola la quantità di auto che necessitano di ricarica durante il giorno, abbiamo comunque bisogno di un'infrastruttura complessa di punti di ricarica in tutte le città e paesi.

Lo studio dell'Oak Ridge National Laboratory ha anche calcolato cosa accadrebbe se tutti i veicoli plug-in venissero caricati alle 17:00 invece che dopo le 22:00. In questo scenario peggiore, gli Stati Uniti avrebbero bisogno di costruire 160 "grandi" centrali elettriche (e la relativa infrastruttura di distribuzione, ovviamente).

Nota: tutto questo studio di “ricarica di notte” riguarda, però, quasi solo, o soprattutto, ibridi plug-in, non le auto completamente elettriche, e riguarda comunque una penetrazione del solo 25 percento di auto ibride per il 2030, non del 100 percento.

Una conversione completa agli ibridi plug-in richiederebbe quindi 640 centrali elettriche di grandi dimensioni. I ricercatori non specificano ciò che considerano una "grande" centrale elettrica, ma deve essere di circa 1GW, che ci conduce alla necessità di un altro 640 GW di centrali elettriche. Questo è quasi un aumento del 65% della capacità di generazione elettrica degli Stati Uniti esistente . E ricordo: stiamo solo ancora parlando di ibridi plug-in e non di full-electric.

 

La rincorsa verso tempi di ricarica sempre piu’ veloci: questo e’ lo scenario peggiore!

Attenzione: questo è lo scenario peggiore (secondo loro) preso in considerazione dai ricercatori, in cui tutti i conducenti inseriscono le loro auto ibride nello stesso momento e nel momento peggiore possibile della giornata. E ovviamente questo non accadrà mai; e i ricercatori sono felici.

Invece, non è lo scenario peggiore. C’è un altro scenario che è molto peggiore e non fu considerato dai ricercatori: una flotta di auto completamente elettriche a ricarica rapida.

Parliamoci chiaro: un veicolo che richieda da 6 a 12 ore di ricarica per guidare solo 1 o 2 ore non attrarrà mai la maggior parte del pubblico. L'automobile rappresenta la libertà di movimento, quindi le auto elettriche non prenderanno mai veramente piede a meno che non abbiano un tempo di ricarica simile a quello di un'automobile a benzina.

I produttori di auto elettriche e di batterie lo sanno, ed è per questo che la maggior parte di loro sta spingendo per avere tempi di ricarica sempre più brevi. Ciò, combinato con un'infrastruttura capillare di punti di ricarica, supererebbe in gran parte il problema della limitata autonomia.

Diversi produttori e ricercatori hanno già annunciato tempi di ricarica di 30 minuti o meno, il che porterebbe il tempo di rifornimento elettrico abbastanza vicino a quello di un'automobile a benzina.

I tempi di ricarica sempre più rapidi generano molto entusiasmo, ma ciò che sembra essere non considerato è che essi hanno un prezzo: si deve pompare più energia in un tempo più breve, il che porta a una quantità favolosa di potenza di picco necessaria.

 

E non puoi risolvere questo problema con batterie migliori, anzi, puoi solo peggiorare le cose

Se si carica un'auto elettrica con la capacità della batteria di 25 kWh nell’arco di 8 ore, essa ha bisogno di una potenza di 3,125 kW (3,1 kW x 8 ore = 25 kWh). Se si carica la stessa auto in soli 20 minuti, è necessaria una potenza di 75 kW (75 kW x 0,33 ore = 25 kWh).

Per semplificare, questo può corrispondere alla necessità di energia di 220 televisori al plasma da 340 watt ciascuno. Questa quantità di energia è richiesta per un periodo più breve, ma deve essere disponibile.

Se si riduce il tempo di ricarica a 10 minuti, l'energia richiesta sarà 155 kW (155 kW x 0,16 ore = 25 kWh). Ciò equivale a 450 televisori al plasma. Pertanto: più si riduce il tempo di ricarica, più sarà necessaria una più alta quantità di energia disponibile. Magari disponibile per meno tempo; ma deve essere disponibile.

E’ chiaro, quindi, come i tempi di ricarica veloci, anche se sono utilizzati solo da un numero relativamente piccolo di conducenti, saranno possibili solo con un'estensione massiccia della capacità di generazione di elettricità. E questo per far fronte alle necessità di “picco”.

 

Dimensionare, quindi, le centrali per le esigenze “di picco”

Facciamo l’esempio degli USA: ci sono 220 milioni di auto private negli Stati Uniti. Se la flotta completa venisse commutata in full-electric e collegata allo stesso tempo, avrebbe bisogno di 34.000 GW; ossia 34 volte la capacità di generazione elettrica esistente negli Stati Uniti. Però, si dirà, non accadrà mai che tutte queste auto vengano collegate contemporaneamente.

Giusto, però, andiamo con ordine: la ricarica di soli 6.500 di questi veicoli (0,003%) simultaneamente in 10 minuti richiederebbe una produzione di energia paragonabile a quella di una grande centrale elettrica.

Se una su mille di queste auto (lo 0,1% dei 220.000 veicoli) viene caricata simultaneamente in 10 minuti, avranno bisogno di 34 GW. E una su 100 macchine caricate simultaneamente richiederà una produzione di energia totale di 340 GW.

Secondo voi non ci sarà bisogno di centrali aggiuntive?

Ricordo, infatti, ce ne fosse bisogno, che il giusto calcolo della domanda di energia non è solamente il numero di autovetture che verranno caricate insieme in media durante il giorno, ma anche quante di esse verranno caricate insieme in qualsiasi momento possibile della giornata, del mese o dell'anno. Infatti, per dimensionare una centrale, non importa tanto, solo, la necessità media di energia che deve erogare; ma anche quella di picco. Altrimenti la centrale, di fronte ad una necessità di picco superiore, si blocca. Oppure taglia utenze, in genere senza preavviso (come succede talvolta d’estate per colpa dell’aria condizionata…).

 

Migliori batterie?

L'infrastruttura di ricarica (centrali e colonnine di ricarica), quindi, per essere efficiente, deve essere dimensionata per la massima richiesta possibile, (ad esempio quando tutti vogliono andare in auto in occasione di un grande evento sportivo; magari usando la stessa autostrada…). Tenendo anche presente che, a causa della loro più breve autonomia, le auto elettriche devono essere rifornite più spesso delle auto a benzina. E che, quindi, in linea generale, le stazioni di ricarica elettrica devono essere più capillari dei distributori di carburante.

Difficile aggirare questo problema. E non si può risolverlo con una tecnologia migliore delle batterie (2), anzi, puoi solo peggiorarla. Migliori batterie con capacità più elevate possono ridurre la quantità di arresti nei punti di ricarica, ma aumentano la quantità di potenza richiesta per una carica.

 

Le auto elettriche non sono frigoriferi, ma molti calcoli del loro fabbisogno energetico le trattano come se lo fossero

Ma gli altri trasporti elettrici non hanno lo stesso problema? No: Il problema fondamentale è che le auto elettriche sono wireless (3). Treni, tram e filobus non hanno questi problemi, semplicemente perché non hanno bisogno di una batteria. Il loro consumo di energia è distribuito uniformemente sul loro tempo di funzionamento.


Scambiare le batterie?

C'è un modo (teorico) per aggirare il problema del chilometraggio delle auto elettriche e dei picchi energetici richiesti: fare batterie sostituibili con quelle caricate in precedenza. Un po’ come si scambiavano i cavalli nelle stazioni di posta nel 1800, per avere cavalli freschi. Ciò significherebbe che le batterie potrebbero essere caricate di notte nelle stazioni di rifornimento, e quindi fornire energia istantanea durante il giorno; senza generare necessità energetiche di picco.

Ci sono però dei problemi in proposito:

In primo luogo, non stiamo parlando della batteria di un lap-top, portatile. I pacchi batteria delle auto elettriche possono pesare da 100 a 500 chilogrammi, il che significa che si creerebbe il bisogno di apparati elettromeccanici per estrarle e inserirle. Inoltre, al momento, le batterie non sono sempre posizionate in modo da poterle facilmente scambiare: in molte auto elettriche sono sotto il pavimento, per ottimizzare la distribuzione del peso e il centro di gravità.

In secondo luogo, tutte le batterie dovrebbero avere connettori standard, e il raggiungimento di tale standard è, al momento, non allo studio.

Come dicevo: alcuni degli studi citati sono datati; ma la “matematica” sembra questa.

Un possibile modo di ovviare al problema è di non fare affidamento sulle classiche centrali di energia per alimentare le colonnine di ricarica; ma di alimentarle ad energia fotovoltaica. Alcune di queste colonnine sono già in funzione così; ma mi pare che la tecnologia oggi disponibile in merito non sia il meglio per una ricarica rapida di molti veicoli “full-electric”.

 

E per quanto riguarda l’italia?

Per quanto riguarda il nostro paese non siamo messi bene. Per semplificare: abbiamo una cattiva notizia e una buona. La cattiva è che, non essendo autosufficienti come energia elettrica, se dovessimo necessitare di ulteriore elettricità per il fabbisogno autoveicolistico, dovremmo comprarla all’estero. E considerando che abbiamo già le bollette più care d’Europa, mi chiedo quanto felici saremmo di questi possibili, magari sostanziosi, rincari. La “buona” è che sposteremmo l’inquinamento da carburante all’estero; verso quelli che ci vendono elettricità. Come la Francia.

Ma forse, l’unica soluzione ecosostenibile per il trasporto futuro è lasciare l’auto del tutto e salire su un tram o su un treno; oppure su una bici. Magari elettrica.

  1. https://www.treehugger.com/cars/report-us-power-grid-can-fuel-180-million-electric-cars.html
  2. https://www.greentechmedia.com/articles/read/electric-car-firms-push-alternative-to-project-better-places-idea-892#gs.12xzka
  3. https://www.lowtechmagazine.com/2008/01/bumper-cars-o-1.html
  4. https://www.zdnet.com/article/hybrid-cars-and-the-power-grid/

 

Inserito il:18/03/2019 12:03:07
Ultimo aggiornamento:18/03/2019 12:24:58
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