Le batterie nelle auto elettriche

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L’ elettrica è un’automobile che utilizza come fonte di energia primaria l’energia chimica, immagazzinata in una o più batterie ricaricabili, e resa disponibile da queste al motore sotto forma di energia elettrica. I hanno, a seconda del contesto, una maggiore o minore efficienza energetica rispetto ai motori a combustione interna; come peculiarità svantaggiosa si hanno una limitata autonomia fra le ricariche, un elevato tempo impiegato per la ricarica e la scarsa durata delle batterie, anche se con l’avanzare della ricerca su nuovi tipi di batterie ricaricabili e nuove tecnologie ne hanno incrementato l’autonomia e la vita utile, riducendone contemporaneamente il tempo di ricarica.

La diffusione di vetture elettriche non è affatto una novità. Ben prima che nel 1886 Karl Benz presentasse la prima autovettura dotata di motore a combustione interna, fra il 1830 ed il 1840 vennero presentati alcuni modelli di carrozza elettrica.

Fino ai primi anni del 1900, erano molto più diffuse le rispetto alle auto con motore termico: dopodiché, grazie alla sua potenza, il motore a combustione interna si impose sempre più, nonostante fosse rumoroso ed inquinante.

Le batterie utilizzate dalle elettriche utilizzano il medesimo principio della pila scoperto da Alessandro Volta nel 1799, cioè la conversione di energia chimica in energia elettrica.

Ciò avviene mediante una reazione di ossidoriduzione nella quale una sostanza si ossida perdendo elettroni che transitano verso una seconda sostanza, producendo di conseguenza un flusso di elettroni fra le due sostanze attraverso un elettrolita, e quindi un flusso di corrente continua.

Le due sostanze, per evitare il cortocircuito, sono tenute divise da un separatore.

Il trucco è utilizzare batterie ricaricabili in modo che il processo non si esaurisca in una sola volta ma si possa ripetere molte volte.

Le batterie attualmente in uso, sui veicoli a basse ad alimentazione elettrica, sono costruite con tre tecnologie, da cui derivano caratteristiche e prestazioni differenti. Queste sono: nickel-metl-idrato (NiMH); piombo-gel (PbGel/Silicon); litio (Li).

Le autovetture elettriche hanno un’autonomia che varia di molto. Le case costruttrici dichiarano, per i modelli equipaggiati con batterie al litio, delle autonomie tipicamente dell’ordine di 200–400 Km, mentre per alcuni degli ultimi modelli in commercio dichiarano fino a 600 Km.

L’autonomia di un’auto elettrica viene aumentata utilizzando un sistema di ricarica automatica, come il sistema KERS, nelle fasi di rallentamento, discesa e frenata, che recupera una media del 15% dell’energia impiegata in un medio percorso.

Allo stesso modo la durata o utilizzabilità di una batteria dipende anche dalle : a temperature molto alte o estremamente basse le batterie perdono autonomia.

Le singole batterie sono di solito raggruppate in grandi gruppi a varia tensione e capacità per ottenere l’energia richiesta.

La durata delle batterie dovrebbe essere considerata quando si calcola il costo di investimento, dato che le batterie si consumano e devono essere sostituite.

Il decadimento delle batterie dipende da numerosi fattori, anche se si stanno progettando batterie che durano di più dello stesso veicolo.

Le batterie ricaricabili utilizzate nei più diffusi veicoli elettrici si basano sul litio (le litio-ione, le Li-ion polimero, le litio-ferro-fosfato). In passato si utilizzavano l’accumulatore piombo-acido (“inondate” e VRLA), il NiCd e il tipo a NiMH.

Le batterie delle vetture elettriche devono essere ricaricate periodicamente.

Le auto elettriche solitamente vengono caricate dalla rete elettrica. In questo caso l’energia è generata da una varietà di risorse come il carbone, l’energia idroelettrica, l’olio combustibile, il gas naturale, altre fonti rinnovabili o, infine, nei paesi in cui è previsto l’uso, l’.

Quanto costa la bolletta di casa per mantenere una vettura elettrica?
Il conto approssimativo lo ha fatto motori.virgilio: ‘Una cifra indicativa è quella di 0,20 euro/kWh che, per chi ad esempio percorre 15.000 km/anno con una Peugeot iOn, si traduce in un esborso di 375 euro. Il che equivale a 0,025 euro/km, contro un valore di circa 0,10 euro/km di una Fiat Panda 1.2 a ‘.

La maggior parte delle auto elettriche (es. Nissan Leaf, Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3) possono essere ricaricate all’80% della loro capacità in 30 minuti (ricarica in corrente continua).

Le Tesla Model S e Tesla Model X possono essere caricate con l’ultima stazione DC a ricarica rapida da 135 kW commercializzata dalla Tesla, fornendo fino a 67,5 KWh (sufficienti per percorrere mediamente 290 Km) in circa 30 minuti.

La velocità di ricarica domestica è vincolata dai contratti di fornitura di energia elettrica dell’impianto (tipicamente 3-6 kW nei paesi con tensione a 240 Volt, in Italia la tipica utenza domestica è di 3 kW).

Inoltre, anche disponendo di potenze elevate, alcuni sistemi di ricarica domestica sono progettati per operare a potenze limitate. Ad esempio, un sistema di ricarica Nissan LEAF, essendo auto-limitato a una potenza di ingresso di 3.3 kW, impiegherà quasi 8 ore, anziché 4 ore, per caricare una batteria da 24 KWh anche se collegato ad un impianto da 6 kW.

Il costo principale del possesso dei veicoli elettrici dipende principalmente dal costo delle batterie, il tipo e la capacità di esse è fondamentale nel determinare molti fattori come l’autonomia di viaggio, la velocità massima, il tempo di vita utile della batteria e il tempo di ricarica; esistono alcuni svantaggi e vantaggi dei vari tipi, probabilmente non esiste un tipo ideale per chiunque, ma alcuni sono più adatti per alcuni utilizzi.

Il costo delle batterie è molto variabile in base alla usata e alle prestazioni offerte, da qualche migliaia di euro fino a superare il 50 % del costo totale del veicolo, rendendo molto più oneroso l’acquisto di auto elettriche rispetto a veicoli alimentati a .

La batteria ricaricabile nota come accumulatore agli ioni di litio (a volte abbreviato Li-Ion) è un tipo di batteria comunemente impiegato nell’elettronica di consumo.

È attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per laptop e telefono cellulare, nonché per alcune auto elettriche, con uno dei migliori rapporti peso/potenza, nessun effetto memoria e una lenta perdita della carica quando non è in uso.

Queste batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e se vengono danneggiate e comunque, a meno che non vengano trattate con cura, si assume che possano avere una vita utile più corta rispetto ad altri tipi di batteria.

Le batterie al Li-Ion andrebbero mantenute fredde tra 0 e 25 °C. L’invecchiamento è molto più rapido alle alte temperature. Ad esempio, le alte temperature, all’interno delle , provocano un degrado rapido di tali batterie.

Il litio non è privo di problemi: rappresenta un rischio per i conducenti delle auto, ambientale, per l’approvvigionamento e per i rifiuti.

Lo smaltimento delle batterie è un problema notevole che ci sarà fra qualche anno, quando le vetture elettriche saranno più presenti nelle nostre strade. Si stima infatti che, nel giro di un paio di decenni, saranno oltre mezzo miliardo le elettriche ai quattro angoli del globo – a fronte delle poco più di 3 milioni di batterie da smaltire nei prossimi cinque o sei anni.

Attualmente in Italia non esiste alcuna normativa in materia di prevenzione incendi che si occupi esplicitamente di autovetture elettriche. In ogni caso ritardi nella legislazione sono presenti anche all’estero: per esempio non risulta ancora definita la classe di rischio (Commodity Classification) delle vetture elettriche e/o delle batterie Li-ion secondo la NFPA 13, Standard for the installation of sprinkler systems.

In caso d’incidente è altamente probabile che si verifichino tre condizioni estreme capaci di far incendiare la vettura. In pratica all’interno della batteria agli ioni di litio si crea uno squilibrio termico del sistema che determina un aumento incontrollato e inarrestabile della temperatura. Una reazione a catena che porta prima alla combustione e poi a uno scoppio.

Lo sa bene il presentatore e pilota Richard Hammond che nel giugno 2017, durante le riprese del programma tv The Grand Tour, ha avuto un grave incidente con una hypercar elettrica. In quel caso, grazie all’intervento dei vigili del fuoco, Hammond è riuscito a salvarsi mentre l’auto è andata completamente distrutta nell’incendio.

La National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), un’agenzia federale statunitense, ha condotto uno studio sul rischio incendio connesso alle batterie agli ioni di litio. Un’interessante presentazione tenuta a Washington il 18 maggio 2011 da David Howell del US Department of Energy, ha concluso che le condizioni anomale che possono condurre al thermal runaway sono tre:

1) urti meccanici;

2) problemi elettrici (cortocircuito, sovraccarica, eccessiva scarica);

3) problemi termici (eccessivo riscaldamento dovuto a cause interne oppure a cause esterne).

Fra questi, il pericolo connesso a forti urti meccanici è di gran lunga il maggiore.

Il principale problema di tipo elettrico è l’uso di materiali scadenti o trasformazioni effettuate dopo la produzione in fabbrica (per esempio veicoli nati HEV e successivamente trasformati in PHEV), aspetti che però non riguardano le maggiori case automobilistiche.

Uno dei problemi maggiori di tipo termico è legato al cortocircuito, in particolare modo a causa del separatore fra anodo e catodo.

Le agenzie pubbliche, in particolare la NHTSA statunitense e la AIBN norvegese che hanno indagato su incendi di vetture elettriche, hanno concluso che non sussistono particolari condizioni di rischio incendio connesso alle auto elettriche. Ma il rischio resta!

Per la composizione di questo articolo si ringraziano le seguenti fonti:
motori.quotidiano.net, antincendio-italia.it, healthshots.hindustantimes.com, orizzontenergia.it, ideegreen.it, it.wikipedia.org.