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Sostenibilità, nella mobilità come in architettura

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Come visto nell’articolo dello scorso mese sulla Bioarchitettura, un approccio superficiale al concetto di Sostenibilità può far pensare che essa riguardi principalmente l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili. In architettura abbiamo fatto l’esempio del costruttore che realizza una palazzina come tutte le altre, poi mette un pannello solare in copertura e la spaccia come casa sostenibile. Nella mobilità questo stesso esempio potrebbe essere dato dal sistema Start&Stop (che alcuni erroneamente chiamano micro-ibrido), impiegato dalle case automobilistiche al solo scopo di ridurre le emissioni in fase di omologazione, ma che non porta vantaggi sostanziali nell’uso di tutti i giorni. La vera Sostenibilità consiste prima nell’eliminazione di ogni forma di spreco, poi nella massimizzazione del rendimento e, solo nell’ultima fase, nell’impiego di fonti rinnovabili.

Ibridio Toyota

Cercherò ora di spiegare nella maniera più semplice possibile il funzionamento del sistema Full Hybrid di Toyota, denominato HSD: Hybrid Synergy Drive. Si tratta del primo ibrido commercializzato al mondo (la prima Prius è stata lanciata in Giappone nel 1997) e tutt’oggi rappresenta il sistema di riferimento. Quello che scrivo non si basa solo su conoscenze teoriche, ma soprattutto sulla mia esperienza pratica: da giugno 2011 guido infatti una Toyota Auris HSD, dotata dello stesso motore di Prius.

Volendo semplificare al massimo, un’auto ibrida Toyota è alimentata da tre motori di potenza simile: uno a benzina (motore a combustione interna, o ICE) e due motori-generatori elettrici (MG1 e MG2), destinati a dare sia la trazione della vettura che a fungere da generatori di corrente in fase di decelerazione. I tre motori lavorano insieme o alternativamente per garantire sempre la massima efficienza.

A basse velocità (circa 50-60km/h) e per basse accelerazioni il motore termico è spento e l’auto si muove solo con il motore elettrico, per un massimo di circa 2km. In questa fase i consumi sono pari a zero.

Accelerando con decisione si accende il motore a benzina e i due motori lavorano insieme per garantire il massimo delle prestazioni; questo regime viene adottato anche nelle salite ed in tutte le situazioni in cui è richiesta maggiore potenza. Il motore elettrico fornisce sempre il massimo della coppia, quindi l’utilizzo combinato dei due sistemi genera uno spunto in ripresa superiore a molte auto tradizionali di categoria pari o superiore.

Per mantenere la velocità costante dai 70 km/h in su viene usato il solo motore termico. Non appena si solleva il piede dal pedale del gas il motore termico si spegne, anche se l’auto si trova in movimento, procedendo di nuovo a consumi zero.

Il motore termico non è un normale motore “ciclo Otto”, ma è stato sostituito da un motore “ciclo Atkinson”: rispetto al suo più noto concorrente, garantisce un maggiore rendimento a fronte di una minore potenza. Nelle automobili non ha trovato molto spazio proprio per la minore potenza, che però nei motori ibridi viene compensata dalla presenza del motore elettrico, dotato di uno spunto molto superiore rispetto ai motori a benzina (la coppia non aumenta al salire dei giri, ma è tutta sempre disponibile). L’accoppiata motore ciclo Atkinson e motore elettrico fornisce quindi prestazioni pari o superiori rispetto ai tradizionali motori benzina o diesel, garantendo però un’efficienza molto superiore.

Quando si decelera, il secondo motore elettrico funziona da generatore e trasforma il movimento dell’auto (energia cinetica) in energia elettrica, che viene immagazzinata nella batteria. La frenata rigenerativa è senza dubbio la maggiore dote delle auto ibride, che consente di ottenere consumi così ridotti: un’auto tradizionale ogni volta che rallenta perde completamente tutta l’energia spesa per acquistare velocità, mentre un’ibrida è in grado di recuperarne una buona parte e trasformarla in elettricità pronta da riutilizzare. Si tratta di energia pulita, “riciclata” dal movimento dell’auto e prodotta senza consumare risorse, che l’auto ibrida ci regala e ci mette a disposizione.

Come abbiamo visto, nella filosofia del sistema ibrido HSD di Toyota troviamo il riassunto dei tre i principi alla base del concetto di Sostenibilità, che si dimostrano quindi ugualmente validi in tutti i settori e non solo in edilizia:

  • Eliminazione degli sprechi: quando non è richiesta potenza dal motore termico questo rimane spento, con consumi ed inquinamento pari a zero (anche con l’auto in movimento).
  • Massimizzazione del rendimento: il motore termico è un ciclo Atkinson, in grado di fornire un rendimento superiore al ciclo Otto senza perdere in prestazioni grazie all’ausilio del motore elettrico.
  • Utilizzo di energia pulita: l’energia cinetica, che nelle normali automobili viene sprecata in ogni decelerazione, nelle auto ibride viene utilizzata per produrre energia elettrica da riutilizzare in seguito.

E in cosa si traduce questa maggiore efficienza? In un grosso risparmio, sia in termini di carburante (oltre 25 km/l in città con A/C accesa) che di manutenzione (niente componenti del cambio o cinghie da sostituire, motore elettrico privo di manutenzione, motore termico molto meno sfruttato, pasticche dei freni che durano oltre 100.000 km, ecc). Contrariamente a quanto si pensa, il costo iniziale delle auto ibride è in linea con un’auto di pari categoria ed optional: ad esempio una Toyota Auris HSD, a parità di allestimento, costa meno di una Volkswagen Golf, di una Audi A3 o di una Alfa Giulietta e più o meno uguale rispetto ad una FIAT Bravo.

Come nel campo dell’architettura, la Sostenibilità porta anche un grosso incremento del comfort di utilizzo, dato dalla completa silenziosità del motore elettrico, dal cambio automatico a variazione continua (E-CVT), dalla grande dotazione di optional (quasi tutti di serie nei modelli ibridi), dallo spunto del motore elettrico, dal climatizzatore elettrico (non collegato al motore come nelle altre auto), ecc.

La Sostenibilità dell’ibrido non si ferma al solo utilizzo di tutti i giorni: la Prius è riciclabile al 90% e l’intera linea di produzione è strutturata per ridurre al massimo l’inquinamentoInoltre le batterie del sistema ibrido sono riciclabili al 100%, infatti in caso di sostituzione di una batteria giunta alla fine della sua vita (caso rarissimo, che avviene in genere dopo i 300.000km) Toyota rimborsa parte del costo riprendendosi la vecchia batteria e mandandola in appositi centri di rigenerazione, che la riportano in vita e la preparano ad essere installata si una nuova auto. Non esiste quindi nessun problema di smaltimento delle batterie.

HSD di Toyota e Lexus (il marchio di lusso di Toyota) è stato il primo ibrido, ma non è l’unico. Altro sistema di vecchia data (quindi ultra-collaudato) è l’IMA di Honda, un micro-ibrido che utilizza un motore elettrico molto più piccolo rispetto al motore termico ma che riesce a garantire consumi simili al sistema HSD, nonostante il motore a benzina sia quasi sempre acceso. Ora stanno uscendo molti nuovi sistemi ibridi, alcuni anche basati su un motore termico diesel: ad esempio il sistema sviluppato da Citroen e Peugeot, oppure quelli delle grandi case tedesche. Tuttavia essendo sistemi nuovi ed in fase di sviluppo soffrono ancora di problemi di gioventù e di costi molto elevati.

All’ibrido tradizionale si aggiungono poi numerose altre categorie di motori che sfruttano l’energia elettrica:

  • Ibrido Plug-In: funziona come l’ibrido tradizionale, ma ha delle batterie molto più capienti che consendo autonomie in solo elettrico anche di 20km o più e che possono essere ricaricate tramite la presa di corrente (ad esempio la Prius Plug-In). Risultano più efficienti nelle medie percorrenze, perché hanno un’efficienza quasi pari alle ibride normali (l’unico svantaggio è un maggior peso del parco batterie) ma in più offrono alcune decine di km “regalati” tramite la ricarica da presa. Nelle lunghe percorrenze non si riscontrano grossi vantaggi rispetto ad un’ibrida tradizionale.
  • Veicoli EREV (Extended Range Electric Vehicles – Veicoli Elettrici ad Autonomia Estesa): la trazione è affidata unicamente al motore elettrico per i primi 40-50km ed un motore termico funge da generatore in caso la batteria si scarichi (attualmente sono in vendita la Opel Ampera e la Chevrolet Volt). Il motore termico non offre trazione, ma converte l’energia termica in energia elettrica, che a sua volta è convertita in energia cinetica: questa doppia conversione porta ad un minor rendimento, quindi nelle lunghe percorrenze la resa è inferiore all’ibrido Plug-In.
  • Veicoli EV (Electric Vehicles – Veicoli Elettrici): le autonomie ridotte e la poca diffusione delle colonnine di ricarica per ora ne consentono l’utilizzo solo in città (la migliore, la Nissan Leaf, arriva poco sopra ai 100km). Tuttavia in questo campo non hanno eguali come efficienza.

Alcuni obiettano sostenendo che questo genere di auto, che necessita di ricarica dalla rete elettrica, non offre reali guadagni sull’inquinamento perché la corrente che ci arriva a casa è prodotta nella maggior parte dei casi usando combustibili fossili (carbone, gas e petrolio). E’ vero, in Italia la produzione di energia rinnovabile è ancora poco sfruttata, tuttavia bisogna fare due precisazioni: chi ha la possibilità di installare pannelli fotovoltaici ha a disposizione una ricarica a costo zero e ad emissioni zero; inoltre, anche se si sfrutta energia elettrica prodotta con combustibili fossili, si sposta l’inquinamento dalle città alle centrali elettriche, diminuendo la concentrazione dello stesso e rendendo i centri abitati molto più salubri.

Sono in fase di studio anche nuovi tipi di batterie e sistemi inerziali di recupero dell’energia, che consentono di immagazzinare direttamente l’energia cinetica senza doverla convertire in energia elettrica, ottimizzando di molto il processo.

Spero di avervi incuriosito abbastanza con questo articolo sulla mobilità sostenibile. Ci sarebbe moltissimo altro da dire, ma per questo vi rimando al forum Hybrid Synergy Forum. Se preferite, potete contattarmi in privato e sarò felice di rispondere alle vostre domande… e magari anche di farvi provare la Auris HSD, perché solo toccando con mano ci si può rendere conto dell’enorme differenza tra l’ibrido e tutte le altre tecnologie del secolo scorso.

Se foste interessati ad approfondire più nel dettaglio il funzionamento del sistema ibrido e delle batterie, vi segnalo questo interessantissimo articolo dell’Ing. Matteo Bernardi, scritto su richiesta dell’ente fiera di Klimamobility, il salone internazionale della mobilità sostenibile che si tiene ogni anno a settembre a Bolzano, e di Tekneco, sito di informazione sulla sostenibilità. Si ringrazia Matteo, alias “mbrel” sul forum HSF, per la concessione. Buona lettura!

“Mobilità ibrida, elettrica e carburanti alternativi”

By | 2018-02-02T11:39:22+00:00 luglio 12th, 2012|Categories: Bioarchitettura, Tecnologia|0 Comments

About the Author:

Ingegnere Edile-Architetto, immatricolato nell'ottobre 2003 e laureato con lode nel novembre 2008, dopo due anni di pratica presso altri studi professionali decido di avviare la libera professione, specializzandomi nella progettazione strutturale. I miei più grandi obiettivi sono l'abbattimento delle barriere architettoniche, lo sviluppo di un'architettura eco-sostenibile e la prevenzione del rischio sismico, specialmente per la salvaguardia del patrimonio edilizio storico italiano, tra i più ricchi e vulnerabili al mondo.

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