Il mito dei supercondensatori

Articolo a cura di Flavio Odorici – Responsabile Progetto Elettronico iaiaGi S.R.L.

In questo numero proseguiamo nella serie di articoli dedicati ai miti, più o meno grandi, che popolano la narrativa dei giornalisti sull’argomento auto elettriche.

Il terzo che affrontiamo è il seguente:

“Il futuro dell’auto elettrica è nell’uso dei Supercondensatori, che ne rivoluzioneranno le prestazioni.” Il terzo che affrontiamo è il seguente:

“Il futuro dell’auto elettrica è nell’uso dei Supercondensatori, che ne rivoluzioneranno le prestazioni.”

Come dire, se non avete un’auto con supercondensatori non siete nessuno…

Per brevità, da ora in poi nel testo li indicheremo con la sigla SC.

La maggioranza degli articoli puntano sul concetto che un’auto elettrica equipaggiata con SC possa essere caricata in pochi minuti. È sufficiente aprire il browser e cercare “supercondensatori su auto elettriche” per rendersene conto.

Prima di iniziare il discorso per farvi capire quanto sia ridicola questa teoria, vogliamo  dire una cosa per noi importante.

La gente comune fa veramente molta fatica a familiarizzare con i concetti nuovi portati dalla rivoluzione elettrica e andrebbe quindi aiutata. Il giornalismo dovrebbe lavorare per semplificare e trasmettere messaggi chiari e comprensibili, non aumentare la confusione sbandierando cose senza senso.

Differenze tra Batterie e Supercondensatori

Tutti e due i dispositivi accumulano energia elettrica, ma sono molto diversi.

La batteria si basa su processi elettrochimici, e accumula/eroga energia tramite lo scambio di elettroni e di ioni nelle reazioni di ossidoriduzione delle sostanze attive in essa contenute.

Il processo avviene a tensione quasi costante, il che rende la batteria molto facilmente utilizzabile. La densità di energia delle migliori celle commerciali al Litio per uso automobilistico arriva oggi intorno ai 260 Wh/Kg.

Il Supercondensatore si basa su processi elettrostatici, e accumula/eroga energia tramite l’accumulo di carica elettrica sulle due piastre di cui è composto.

Il processo avviene con rapide variazioni della tensione disponibile, il che rende il SC molto poco utilizzabile. La densità di energia dei migliori SC arriva oggi a 8 Wh/Kg ed è solo parzialmente sfruttabile.

Il SC è sì in grado di erogare correnti elevatissime, ma solo per brevissimi periodi.

Nella tabella seguente vediamo i dati salienti dei migliori SC in commercio per uso autotrazione.
MARCA TIPO FARAD VOLT Wh/Kg Resistenza  Interna
Maxwell BCAP3400P300K04/05 3400 3V 8,6 0,15 mOhm
SkeleCap SCA3200 3200 2,85V 6,8 0,15 mOhm
Eaton XL60-2R9348T-R 3400 2,85V 7,23 0,23 mOhm
AVX SCCZ1EB308SWB 300 2,7V 6,08 0,20 mOhm
Nichicon JJDOE608MSEGBN 6000 2,5V 4,67 2,2 mOhm
Nichicon JJDOE138MSEGBN 1300 2,5V 5,37 6,0 mOhm

Utilizzo pratico dell’energia contenuta

Come si è detto, una batteria è un dispositivo essenzialmente a tensione costante, questo ne facilita l’uso con le elettroniche di controllo dei motori elettrici, che richiedono appunto tensioni pressoché costanti nel tempo.

In caso di forti prelievi di corrente, la tensione cala per un valore dato dal prodotto della resistenza interna della batteria per la corrente. Il calo può essere del 5% circa (indicativo) a media carica ad una corrente di 2C, cioè due volte la capacità di corrente nominale.

Poiché l’uso di un convertitore DC-DC separato sarebbe una follia come complicazione, pesi e costo, i SC vengono semplicemente collegati in parallelo alla batteria che devono supportare.

All’arrivo della richiesta, i SC erogano la corrente al posto della batteria, sostenendola. Quando la scarica arriva al 5%, la loro funzione cessa, e il carico rimane tutto sulla batteria stessa.

In pratica, quanta energia possono erogare? La risposta è: “Pochissima”.

Infatti, l’energia contenuta in una serie di SC vale:  
                                              E = ½ * C * V² *n / 3600

con E in Wh, C in Farad, V in Volt, n = numero di condensatori in serie.

Un caso pratico

Proviamo ora a delineare uno scenario pratico. Una vettura è dotata di una batteria composta da 111 elementi da 120 Ah, con tensione nominale 3,6 V, 266 Kg totali.

Abbiamo considerato elementi della Kokam, di tipo piatto, SLBP con chimica NMC di ottima qualità, tanto per fare un esempio. In totale abbiamo 400 V, 120Ah, 48 Kwh.

In parallelo abbiamo un banco di SC Maxwell composto da 133 elementi da 3400 F ciascuno (400 V totali), per un peso complessivo di 67 Kg: costo maggiore della batteria.

Supponiamo che l’auto acceleri, richiedendo 240A (96 kW) per 20 secondi (0,0055 ore) al sistema. L’energia richiesta nella fase di accelerazione è di 240 * 400 * 0,0055 = 520 Wh.

Il banco di SC contribuisce finché da 3 V ciascuno siamo scesi a 2,85 V (-5%). In totale:

E = (0,5 * 3400 * 3 * 3 * 133 / 3600) – (0,5 * 3400 * 2,85 * 2,85 * 133 / 3600) = 55,12 Wh.

Il banco di SC contribuisce quindi per 55 Wh su 520 Wh, in pratica circa 2,1 secondi, per poter disporre di 93,6 kW medi al motore invece di 91,2 kW.

Ma vi rendete conto? 67 Kg in più e un costo più che raddoppiato per 2,4 kW di potenza in più?

Nella figura abbiamo riportato un banco SC reale, per mostrare la complessità dell’oggetto, che costa più della batteria. In realtà i SC avrebbero dovuto essere molti di più, per resistere alla tensione di carica della batteria. Altro costo e complessità da aggiungere.

Conclusioni

Crediamo non resti molto da dire, se non che prima di parlare di miracoli occorre fare due conti. Si eviterebbe di fare brutta figura.

Il mito della ricarica rapida

Articolo a cura di Flavio Odorici – Responsabile Progetto Elettronico iaiaGi S.R.L.

In questo numero proseguiamo nella serie di articoli dedicati ai miti, più o meno grandi, che popolano la narrativa dei giornalisti sull’argomento auto elettriche.
Il secondo che affrontiamo è il seguente:

“ È indispensabile poter disporre di colonnine di ricarica rapida, e più sono potenti meglio è?”

L’obiettivo poi non tanto nascosto è quello di poter fare rifornimento in 5 o 10 minuti.

È evidente che durante un lungo viaggio possiamo aver necessità di una carica intermedia, e che in tal caso è bene sia veloce.

Ma a parte questo caso, che è raro per la media degli utenti, la ricarica notturna può essere più che sufficiente. Per maggiori particolari vedere il precedente articolo “Il Mito della Penuria di Colonnine di ricarica”.

Ma, scendendo negli aspetti tecnici, la ricarica rapida potrebbe essere considerata un metodo utilizzabile tutti i giorni?

La risposta è “no, decisamente no.” Vediamo perché.

Punto primo: lo stress sulla batteria

Sono rare le batterie climatizzate, che cioè vengono sempre mantenute alla temperatura ottimale.

Caricare con correnti molto elevate batterie troppo fredde è estremamente pericoloso per la possibile formazione di dendriti metallici (piccole strutture ramificate) all’interno, che portano al cortocircuito degli elementi.

Caricare con correnti molto elevate batterie troppo calde può portare all’incendio, in quanto il sistema di raffreddamento può non riuscire a raffreddare la batteria e contemporaneamente smaltire il calore causato dalla carica veloce.

In genere, in queste due situazioni il caricabatterie limita la corrente, ma allora non abbiamo più una carica rapida, anzi.

Punto secondo: la mancanza totale di bilanciamento

La carica rapida procede con forti correnti fino circa all’80% della carica totale. Visto che lo scopo di una carica rapida è quello di essere veloce, ci si ferma qui.

Nel caso all’inizio la batteria fosse sbilanciata, a questo punto lo sarà ancora di più, e peggiorerà di carica in carica.

La fase successiva, dall’80 al 100 %, detto “Bilanciamento”, è un processo che viene effettuato con precisione, basse correnti, e tempi lunghi.

Ed è indispensabile, per la salute della batteria. Del resto, tutti i costruttori prescrivono che, dopo alcune cariche veloci, debba essere effettuata almeno una carica lenta con bilanciamento finale.

In questa fase un apposito sistema elettronico, detto BMS (Battery Management System) o BBS (Battery Balancing System) si prende cura delle singole celle, caricandole o scaricandole finché la stato di carica sia esattamente lo stesso per tutte, con grande precisione (qualche millesimo di Volt).

Naturalmente questo si può fare solo con basse correnti e tempo a disposizione.

Un buon BMS e una carica lenta sono necessari alla lunga vita della batteria.

Punto terzo: il basso rendimento

Quando carichiamo in casa a 3 o 6 kW, carichiamo una batteria standard a 400 V con 7,5 A o 15 A.

La ricarica veloce invece presuppone correnti molto alte. Quando carichiamo con, ad esempio, un Tesla Supercharger V.2, da 150 kW, arriviamo a 375 A.

Il calore che si sviluppa all’interno della batteria, dovuto alla sua resistenza interna, è proporzionale al quadrato della corrente.

Nei due casi il calore sviluppato è rispettivamente di ben 2.500 e 625 volte maggiore: la batteria deve essere raffreddata energicamente, il che costa altra energia elettrica, mentre nei primi due casi la batteria rimane praticamente fredda.

Nei primi due casi non si spreca nulla, nel terzo caso si butta un buon 20% dell’energia che paghiamo.

Inoltre, questi stress termici non fanno bene alla salute della batteria.

Morale: chi va piano va sano e va lontano

Come al solito, i proclami pubblicitari e la realtà tecnica non vanno d’accordo.

Le colonnine ad alta velocità di carica servono per qualche sporadica occasione, e la loro scarsità non può costituire pretesto per rallentare l’adozione dei veicoli elettrici su grande scala.

Ne ha bisogno il pianeta, ne abbiamo bisogno noi.

Il mito della penuria delle colonnine di ricarica

Articolo a cura di Flavio Odorici – Responsabile Progetto Elettronico iaiaGi S.R.L.

In questo numero inauguriamo una serie di articoli dedicati ai miti, più o meno grandi, che popolano la narrativa dei giornalisti sull’argomento auto elettriche. Il primo che affrontiamo è il seguente:

“La diffusione delle auto elettriche non potrà avvenire finché le colonnine di ricarica non saranno disponibili capillarmente sul territorio.”

Il concetto deriva dall’osservazione di quello che è avvenuto nella storia dei veicoli a scoppio ma, come vedremo, non vale per la mobilità elettrica.

Infatti, per la prima volta, è possibile rifornire il veicolo a casa propria, durante la notte.

Iniziamo la verifica di questa affermazione dalla disponibilità dei punti di ricarica.

Chi dispone di un garage o un box auto singolo non ha problemi. In entrambi i casi è opportuna una verifica da parte del proprio elettricista di fiducia che monterà la presa (o un box di ricarica) e stabilirà se è opportuno variare il contratto di fornitura.

Nel caso di posti auto in garage collettivi o in spazi aperti di pertinenza del condominio, si dovrà procedere al necessario aggiornamento dell’impianto elettrico, con l’installazione di punti di ricarica dotati di scheda elettronica di accesso. In questi giorni molti conoscenti ci hanno riferito che questo argomento è in fase di grande discussione, il problema non è affatto ignorato. E comunque è risolvibile.

Per chi parcheggia su suolo pubblico è ovvio che ci sono maggiori problemi.

Problemi che potrebbero essere grandemente mitigati se le amministrazioni locali prescrivessero ai proprietari degli edifici l’installazione di punti di ricarica all’esterno, pagati da un contributo versato da coloro che non dispongono di un punto di ricarica a casa propria, e collegati alla rete di distribuzione pubblica. Anche in questo caso l’accesso tramite schede elettroniche o dispositivi di riconoscimento RFID permettono la corretta fatturazione.

Una possibilità in più è data dalla ricarica fatta da normali prese industriali blu o rosse nei posti di lavoro.

Vediamo ora cosa si può ottenere da un contratto di fornitura elettrica domestica.

La maggioranza di questi contratti prevede 3 kW nominali, con una disponibilità di potenza di 3,3 kW. È possibile aggiornare questi contratti per avere una disponibilità di potenza di 6,6 kW, a fronte di qualche euro in più in bolletta. Chi scrive lo ha fatto anni fa e non si è mai pentito.

Notate che queste potenze sono garantite per contratto, 24 ore al giorno.

Calcoliamo un tempo a disposizione di 8 ore, anche se spesso l’auto staziona in garage molto di più.

L’energia che si può caricare nei due casi, tenendo un piccolo margine per lampade, frigorifero e termosifoni, è di 3×8=24 kWh oppure 6×8=48 kWh.

Considerando il solito consumo specifico su percorsi misti di 150 Wh/Km, si possono percorrere 160 Km al giorno nel primo caso, 320 Km nel secondo.

Se non si fa autostrada, ma percorsi misti urbani, il consumo è minore. Per confronto, vi diremo che le Smart da noi convertite 15 anni fa e tuttora in uso, nonostante il peso di 1000 kg e l’aerodinamica pessima, ad una velocità media di 70 Km/h consumano in media 80 Wh/Km.

Il Portale dell’Automobilista del Ministero dei Trasporti riporta che in Ottobre 2019 la percorrenza media degli italiani è stata di 9560 Km annui, in calo del 12% negli ultimi 12 mesi. Nel caso di uso 5 giorni su 7, si percorrono 37 Km al giorno. Se 7 su 7, sono 26 Km.

Perfino in America l’NHTS (National Household Travel Survey) attesta che il 95% dei trasferimenti non supera i 200 km di percorrenza. A maggior ragione in Europa, e in particolare in Italia.

La conclusione è che la ricarica notturna permette tranquillamente gli spostamenti quotidiani.

E le colonnine di ricarica rapida? Solo nel caso di rari, lunghi spostamenti. Anche perché, facendo il pieno dalla vostra presa privata, spendete circa 0,21 € al kWh, mentre dalle colonnine si va da 0,4 a 0,5 € al kWh, a parte alcuni contratti con pagamento anticipato, che limano qualche centesimo.

Buona riflessione.