La motorizzazione ibrida o la vettura a recupero d’energia Prima di fare questa presentazione, ho avuto l’idea un po' folle, nel 2001, di comprare un’auto quasi sconosciuta, dall’estetica di una scarpa e dal prezzo comunque consistente (43 milioni di lire). Oggi, dopo avere cercato di comprendere il suo funzionamento così particolare, sono in grado di dire che tutte le automobili, qualunque sia il loro carburante, ricorreranno ad una motorizzazione ibrida di qui alcuni anni. Pila a combustibile o non. Proviamo a vedere perché.

Motore elettrico (+ batteria!) Ibrido o bastardo? Ibrido: ecco un aggettivo poco allettante, non molto lontano di " bastardo " ed abbastanza impreciso. Significato per un'automobile: associazione di due sorgenti di energia, per esempio elettricità e benzina. Possono esistere tuttavia anche degli ibridi elettrico / elettrico, vedi automobili a pila a combustibile! In effetti questa denominazione è ingannevole perché occulta il carattere essenziale dei tali veicoli: il recupero di energia. Questo recupero non può avere luogo che perché una parte della motorizzazione è reversibile (caso del motore elettrico, non del motore a benzina). è ciò che l'esposizione tenterà di spiegare. Motore elettrico (+ batteria!) Motore termico

potenziale, cinetica, elettrica... C’è energia ed energia Una unità: il joule (J) ≈ caduta di 1kg su 10 cm : unità piccola! unità pratica: il watt-ora (Wh) 1Wh = 3600 J 1kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ energia « ordinata » o non Esiste soltanto un'unità di energia ufficiale: il joule, (ci sono anche quelle anziane come la caloria, l'erg, ecc. o quelli «industriali» come l'equivalente di una tonnellata di petrolio, ma non è il nostro problema). Invece il joule è piccolo, ed è più interessante di calcolare in watt-ora, (Wh), o chilowattora (kWh). Certo, si potrebbe ugualmente parlare anche in megajoules (MJ), ma come tante persone, in Italia, sono familiari col kWh a causa delle loro bollete di gas e di elettricità, custodiamolo. Tuttavia tutte le energie non sono equivalenti, a causa del loro carattere più "nobili" dicono certi, più "ordinati" dicono gli scienziati. I fisici parlano di "lavoro" per l'energia ordinata, e di "calore" per l'altro. potenziale, cinetica, elettrica... calore

Energie ordinate cinetica: Ec = mv2/2 1 tonnellata, 68 km/h : 50 Wh Il semplice fatto di avere una massa e di spostarsi ci conferisce un'energia detta cinetica; quando si dice "prendere slancio" ciò significa "immagazzinare dell'energia cinetica per utilizzarlo subito dopo." Salire o scendere fanno variare l'energia potenziale, sciare è praticare l'arte di trasformare l'energia potenziale, acquistata grazie allo ski-lift, in energia cinetica. potenziale: Ep = mgh 1 tonnellata, 18 m : 50 Wh

L’elettricità pure... + - L'energia elettrica è ordinata anche poiché, l'avete notato tutti, non si mette le pile in qualsiasi senso. L'energia contenuta nelle pile, delle batterie o dei condensatori è una forma di energia potenziale, dunque facilmente utilizzabile per produrre del lavoro, idealmente senza perdite. E soprattutto, una conseguenza di questo carattere "ordinato", per questo che i motori elettrici sono reversibili: si può fornir loro dell'energia elettrica affinché danno del lavoro (caso motore), o fornir loro del lavoro affinché producono dell'energia elettrica (caso generatore), nei due casi con un rendimento abbastanza vicino al 100%.

reversibilità delle macchine elettriche Sopra i due casi come sono schematizzati sullo schermo centrale di un'automobile ibrida (illustrazioni tirate del sito john1701a.com negli USA, dove le temperature sono espresse in °F): la batteria alimenta il motore elettrico per fare girare le ruote (frecce rosse), oppure le ruote, trascinate per il movimento dell'automobile, fanno girare il generatore, (che è medesino! Chiamamolo allora motore-generatore...) per produrre l'energia sotto forma elettrica (frecce verdi che sono immagazinnate nella batteria). E' sottointeso che non si crea l'energia dal nulla. Occorre dunque che sia presa da qualche parte, quando se ne ha troppo, per esempio in frenata. Un motore elettrico non è dunque solamente un motore, ma è anche un freno ed è là il suo grande interesse, perché è un freno che ricupera l'energia al posto di trasformarla integralmente in calore sprecato.

bisogni in energia? accelerazione (aumento di Ec) 0 a 68 km/h, 1 tonnellata: 50 Wh salita (aumento di Ep) +18 m, 1 tonnellata: 50 Wh Qualche ordine di grandezza, non fa mai male... Vediamo per quali motivi un veicolo consuma energia. Energia cinetica: Ec = (½) m v² Energia potenziale: Ep = m g h Energia dissipata, per esempio, attriti nell’aria: - Forza aerodinamica: Fa = (½) r v² S Cx Con r: massa del volume dell’aria (1,3 kg/m3) v : velocità in m/s S : superficie frontale in m² Cx : coefficiente d’attrito Vettura costante : S Cx = 0,78 m² - Energia dissipata = Fa.d con d = distanza percorsa Resistenza all’aria, agli attriti Dipende molto dalla velocità Solo aria, vettura costante, 68 km/h, 50 Wh : 1 km 130 km/h, 50 Wh : 274 m

bisogni negativi? decelerazione (diminuzione di Ec) 68 a 0 km/h, 1 tonnellata : -50 Wh discesa (diminuzione di Ep) -18 m, 1 tonnellata : -50 Wh attriti... Non recuperabili! Ma si ha tanto spesso dell'energia in troppo! Prendiamo alla rovescia ciascuno dei bisogni precedenti... ogni energia spesa può essere ricuperata, salvo se corrisponde all'energia dissipata sotto forma di calore, di energia "disordinata") al quale caso è persa, (salvo per il riscaldamento dell'abitacolo!). Lo si è sempre detto, non conduce a niente ad essere dissipato. * I detti di Shadok Se non c’è una soluzione vuol dire che non c’è il problema.

} Recupero d’energia Ec Ep L'energia potenziale e l'energia cinetica sono dunque facilmente recuperabili mediante un motore/generatore elettrico (funzionando come generatore) ed una batteria; invece il caldo dissipato... non se ne fa un gran che. Si eviterà dunque per quanto possibile di produrne frenando coi freni ordinari! Per tanto, non dimentichiamo che è il caldo che è all'origine del movimento dell'automobile poiché funziona con un motore termico! Ma giustamente, il suo rendimento non ha niente da vedere con quello di un motore elettrico... vediamo un po'.

Motore termico 1 litre carburante ≈ 10 kWh 10 litri / 100 km (10 km/l): 1 km per kWh o 50 m per 50 Wh (5 litri / 100 km (20 Km/l): 100 m per 50 Wh) rendimento ≈ 1/3 : 3 Wh termici Motore termico: consuma del carburante (energia cinetica), fornisce del lavoro Rendimento scarso: circa, 1/3 (o meno) Ordine di grandezza: 1 litro di carburante = 10 kWh (benzina: 34,66MJ = 9,63 kWh, Diesel : 38,68 MJ = 10,74 kWh) 7 litri / 100 km (14,3 km/l): 70 kWh / 100 km cioè 1,43 km par kWh cioè 71 m pour 50 Wh 1 Wh lavoro meccanico

Motore Mercedes benzina 1,8 l compresso Di male in peggio Motore Mercedes benzina 1,8 l compresso potenza 0,33 0,27 Non solo il rendimento massimo di un motore termico non è terribile, ma in generale è ancora peggiore poiché non lo si utilizza al suo rendimento massimo. Vediamo un esempio di motore a benzina Mercedes recente, col compressore, che sviluppa 120 kW cioè 160 cavalli circa. Si tratta di un motore di berlina classe C. L'automobile ha bisogno, per mantenere i 130 km/h senza vento su strada piana, che 30 kW... (curva rossa) o solamente ¼ del suo potenza massima: il motore è dunque molto sovradimensionato per questo caso preciso e non potrà lavorare al suo rendimento massimo. 0,16 coppia regime

Cambio tradizionale frizione / convertitore idraulico Numero fisso di rapporti (eccetto CVT) Inoltre ad una determinata velocità non si può, con un cambio tradizionale, avere una piccola scelta di regimi del motore un quanto il cambio ha soltanto alcuni rapporti; ora per fare lavorare il motore nel suo regime di migliore efficacia sarebbe ideale poter scegliere liberamente il regime in funzione della potenza richiesta e non in funzione della velocità. Esistono molti cambi a variazione continua, come sugli scooter, detti "CVT" per "Continuously Variabile Transmission" ma il loro rendimento meccanico non è eccellente, (troppi attriti), sebbene gli ultimi modelli siano in evoluzione e tendono a superare il rendimento di un cambio manuale.

Diagramma di funzionamento Ma se si può temporaneamente portare un po' di energia immagazzinata in una batteria ad un motore meno potente, allora è possibile migliorare il rendimento del motore. In più è possibile ricuperare l'energia che sarebbe comunque persa, (durante una frenata per esempio); questa energia supplementare è a portata di mano in caso di bisogno ed è dunque, in parte, "gratuita". Sopra, evoluzione della richiesta di potenza durante il tempo durante la guida: in rosso la richiesta reale, in blu la potenza fornita dal motore termico. La differenza, positiva o negativa, è presa in carico dalla batteria che si scarica o si ricarica.

Scelta libera di regime Ricapitolando + Utilizzare la zona di rendimento massimo Dunque: - evitare di utilizzare i freni "veri" ma frenare al massimo con un motore/generatore elettrico, - utilizzare un motore principale,in questo caso termico, di potenza moderata - provare a sviluppare un cambio che lascia una scelta totale del regime Scelta libera di regime Potenza moderata

Ingredienti: Un motore termico non troppo potente Un motore/generatore elettrico Una batteria per immagazzinare Un cambio a variazione continua e… far funzionare l’insieme! Ed ecco gli ingredienti della ricetta...

Tipologia degli ibridi batteria centralina Generatore Motore/Gen. elettrico Motore/Gen. elettrico ... ed ecco ciò che ci può dare. In generale ci sono due classi di ibridi: gli ibridi "seriali" e gli ibridi "paralleli". I tratti ondulati rappresentano dei cavi elettrici, i tratti spessi dei collegamenti meccanici. Il rettangolo coi buchi rappresenta il motore termico, ed il quadrato grigio una trasmissione meccanica. Ibrida seriale: il motore termico serve solamente come gruppo elettrogeno al sistema elettrico, non è collegato meccanicamente alle ruote. Ibrido parallelo: il motore termico è collegato direttamente alle ruote, il motore/generatore elettrico anche ma questo ultimo, essendo reversibile, preleva o fornisce dell'energia alla batteria (caso rappresentato: il motore svuota la batteria), e quindi accelera o rallenta il veicolo. seriale Parallelo

Ibrido al quadrato Seriale-parallela batteria Motore/Gen. elettrico Centralina Treno epicicloidale Motore/Gen. elettrico Ma ciò sarebbe troppo semplice... si può fare dell'ibridazione di ibridi! E è del resto di questo tipo che vado a parlare più particolarmente, perché corrisponde all'automobile che conosco, la mia. In questo " indrido seriale-parallèle " il motore termico è legato meccanicamente alle ruote ed ad un secondo motore-generatore elettrico. Ci sono dunque tre motori, un termico e due elettrici! La chiave di questo sistema è un "treno epicicloidale", analogo ad un differenziale che permette di dividere il potere in una parte meccanica ed una parte elettrica. Ci ritorneremo... Seriale-parallela

Soluzioni odierne Ibridazione «leggera» : Ibridazione «pesante» : Si parte da una architettura esistente Motore elettrico e batteria « discreti » Ibridazione «pesante» : Si parte da zero Parte elettrica «non disinseribile» Indipendentemente della soluzione tecnica ritenuta, si può concepire l'ibridazione in due modi: - o adattando un motore che esiste senza modificarlo troppo, e conservando una trasmissione tradizionale, - o riprendendo tutto a zero, la parte elettrica diventa allora un elemento essenziale del sistema.

Ibridazione leggera Honda Insight (1999) 3 cilindri, benzina, 1000 cm3 50 kW (67ch) + 10 kW batteria NiMH 144 V 6,5 Ah (936 Wh) m < 900 kg, consumi: ≈ 3,5 l / 100km La prima automobile ibrida commercializzata all'infuori del Giappone è un ibrido "leggero", la Honda Insight, non importata in Europa. Il suo basso consumo è dovuto anche alla sua taglia, piccola e bassa, 2 posti, ed alla sua massa (è in alluminio). Tecnicamente è un ibrido parallelo, Honda parla di "IMA" per "Integrated Motor Assist" o "Motore ad assistenza integrata" in italiano. NB: "motor" in inglese significa motore elettrico, "engine" per il motore termico. Notate il rapporto tra le potenze dei due motori (1/5).

Impianto tecnico Il motore/generatore elettrico, piccolo e molto discreto, è impiantato al livello del volano del motore termico. In effetti, si può dire anche che è parte integrantedel volano poiché gira con lui. Seguendo il modo di cui l'elettronica lo comanda, frena o aiuta il motore termico, ricaricando o scaricando la batteria. Inconveniente: come su un'automobile normale, il motore termico deve girare quando l'automobile cammina, (a meno di essere folle...); inoltre, in fase di frenata, esso contribuisce ad una parte "non recuperabile" dell'energia di frenata.

Ibridazione pesante Toyota Prius (modèle 1997, Japon) 4 cilindri, benzina (ciclo Miller), 1500 cm3 43 kW (58 ch) + 30 kW batteria NiMH 288 V 6,5 Ah (1,87 kWh) m ≈ 1240 kg, consumi: ≈ 5 l / 100km ? Ma la prima degli ibridi prodotti in grande serie è stata la Toyota Prius, commercializzata prima unicamente in Giappone. Una versione profondamente modificata, ma con la carrozzeria identica, è stata importata poi in Europa e negli USA nel 2000, ed è quella che conduco. Attualmente esiste una nuova versione rivista totalmente. Si tratta di un ibridazione "pesante", il motore termico ed elettrici sono di potenza equiparabile. La capacità energetica della batteria è anche raddoppiata. Il motore utilizza un ciclo termodinamico particolare ad alto rendimento, (ma poco adatto ad un'utilizzo normale senza sovralimentazione o assistenza elettrica): il ciclo Miller. Si parla spesso, compreso in Toyota, di ciclo Atkinson perché il “principio" è stato definito da Atkinson, (al diciannovesimo secolo!); ma è Miller (anni 1940) l'autore della realizzazione praticata attualmente.

Ciclo Atkinson Ciclo Otto : rapporto di espansione non ottimizzato perdite di pompaggio all’immissione Soluzione proposta da James Atkinson (1882) Il ciclo abituale dei motori a benzina, inventato da Beau de Rochas, applicato industrialmente da Otto, ha l'inconveniente di non essere ottimizzato rispetto al suo rapporto di espansione: si potrebbe avere altra energia dal ciclo, e dunque ottenere un migliore rendimento, con un rapporto di espansione superiore. Ma come il rapporto di espansione è uguale per costruzione meccanica al rapporto di compressione, e che questo è limitato a 10 dal carburante in sé, (altrimenti si auto-detona), ci si accontenta di un rapporto di espansione abbastanza debole. Un ingegnere britannico, James Atkinson, propose alla fine del diciannovesimo secolo una soluzione meccanica che permette di differenziare i rapporti di compressione e di espansione (illustrazione): http://www.keveney.com/Atkinson.html. NB: non si vede praticamente su questa animazione...

Ciclo Miller Problemi del ciclo Atkinson : Attriti supplementari Complessità meccanica Soluzione proposta da Ralph Miller (USA) negli anni 1940 Sì ma la realizzazione meccanica del ciclo Atkinson è complicata, e gli attriti supplementari annullano in grande parte il guadagno di rendimento. Da qui l'idea semplice ed efficace di un ingegnere degli USA, Ralph Miller, di costruire un motore dove la corsa del pistone è la stessa in compressione ed in espansione, come nel ciclo Otto, ma dove si chiude volontariamente "troppo tardi" le valvole di immissione: dopo essere stato immesso, l'aria è respinta in parte prima che la compressione inizi. Il motore è così dimensionato per il suo rapporto di espansione, date che il rapporto di compressione è inferiore per via di questa astuzia, illustrazione toyota.co.jp. Inconveniente: scarsa potenza specifica, ma che può essere compensata da un compressore, come sul Xedos 9, o per un'assistenza elettrica come sulla Prius o sulla Ford Escape Hybrid.

Come funziona? Nessun cambio Nessuna frizione o convertitore idraulico Non uno, ma due motori elettrici Con questa architettura, ci si può dimenticare pressappoco tutto ciò che si conosce dei veicoli a motore! - non c'è la scatola del cambio - non c'è la frizione né di convertitore di coppia - due motori/generatori elettrici in più al motore termico - e per collegare tutto ciò (o sostituire gli elementi mancanti) questo notevole treno epicicloidale, invenzione vecchia come la meccanica automobile e presente (sebbene utilizzata differentemente) in tutti i cambi automatici tradizionali.

Principio del « Power Split Device » Motore generatore MG1 Treno epicicloidale MG2 Questo treno epicicloidale è chiamato " PSD " dalla Toyota, e comporta tre assi concentrici (corrispondenti ai tre colori di ingranaggi), solidali ciascuno all'elemento motore (MG1, MG2 o motore termico) dello stesso colore sullo schema. A causa degli ingranaggi, se la velocità di due assi è fissata, allora quella del terzo lo è anche. Per esempio se si blocca la posizione, non la rotazione, dei "planetari" rossi, il "pignone sole" blu può girare ma va ad imporre al "corona a dentatura interna" verde una velocità di rotazione di senso inverso alla sua, ed è ciò che accade quando l'automobile circola unicamente elettrico. Questa corona verde è collegata alle ruote motrici per un rapporto di riduzione fissa, ingranaggi + catena, quindi la sua velocità di rotazione è proporzionale alla velocità dell'automobile. Nessuna possibilità di disinnesto!

Impianto meccanico Concretamente, tutto questo prende poco posto: l'insieme dei due motori/generatori elettrici più il treno epicicloidale occupa lo stesso volume che una scatola del cambio tradizionale...

Il cuore della trasmissione Ed ecco il treno epicicloidale o " PSD " smontato... meno complicato di una scatola del cambio, no? Si può dire che la complessità è stata spostata della parte meccanica verso la parte elettrica ed elettronica.

Tutto passa di là Ed ecco lo stesso rimontato, accanto ad un lattina di bevanda schifosa di cui ho mascherato per compassione il nome della marca, (ma che da la scala). Tutto il potenza motrice passa di là, prova che la potenza è la coppia moltiplicata dalla velocità,: la forte velocità di rotazione permette di limitare le forze sui pezzi meccanici e quindi la loro grandezza.

Treno epicicloidale Già presente nel cambio automatico tradizionale Matematicamente paragonabile ad un differenziale Non è una «vera» trasmissione a variazione continua! Necessita di due motori elettrici di cui uno grande (con tanta coppia) Tutta l'astuzia consiste in riutilizzare differentemente un dispositivo meccanico arciconosciuto per aggirare i problemi di accoppiamento di più motori montati per un veicolo ibrido. Questo tipo di trasmissione è possibile solamente su un veicolo ibrido con due motori elettrici! Per curiosità, si può trovare dei brevetti di trasmissioni elettromeccanica simili che datano degli anni 1970 (copia conforme), oppure, in una versione leggermente differente... del 1905. All'uso il veicolo da l'impressione di avere una trasmissione a variazione continua, il regime del motore può variare continuamente e non è legata alla velocità.

Trasmissione continua? Definizione di un rapporto di trasmissione? Rapporto di velocità d’entrata / d’uscita Rapporto di coppia d’uscita / d’entrata Principio di leva problema: Tre alberi, dove sono le entrate e le uscite? Rapporto di coppia costante Ma si può dimostrare che non è una trasmissione a variazione continua. Difatti una trasmissione è definita da un certo numero di "rapporti" di trasmissione, questo numero è infinito per un CVT. Qui, il rapporto di coppia è costante tra un asse all'altro come rappresentato sulla seguente figura:

Forza e coppia Qui le freccie rappresentano : - Per la loro lunghezza, la coppia - Per il loro spessore, la forza La forza esercitata dal motore termico (freccia blu) è ripartita anche sulla corona e sul pignone sole. La coppia è ripartita invece inegualmente, ma in modo fisso, essendo applicato al 72% sulla corona ed al 28% sul pignone sole in questo caso preciso. (Schema Graham Davies)

Cliccadromo interattivo Certi si sono divertiti a proporre agli internauti delle belle animazioni interattive: approfittiamone! Verde: motore-generatore 2, rilegato alle ruote motrici. Rosso: motore termico, deve girare a più di 1000 rpm Blu: motore-generatore 1. deve girare tra -6500 e +6500 rpm. La velocità di rotazione in questa animazione è circa 1/100 della velocità reale, e corrisponde alle graduazioni indicate. Approfittiamo del lavoro dei altri...

Una invenzione di Shadok? Rapporto di coppie costanti, senza possibilità di disinnesto: si ottiene una trasmissione ad una sola velocità a presa costante... ciò che può sembrare un dispositivo molto "Shadok" nel suo spirito: perché farlo semplice quando lo si può fare complicato? Quasi così notevole che il colapasta del terzo ordine o colapasta complesso, che, come chiunque sa, può lasciare passare le tagliatelle e non l'acqua se e solamente se il diametro dei buchi è inferiore al diametro dell'acqua. Trasmissione ad una velocità a presa costante

Le diverse modalità della trasmissione Riscaldamento o ricarica all’arresto guida «normale» Retromarcia (sempre elettrico) Ma in realtà, è più sottile, come dimostrano queste animazioni che corrispondono a diversi casi di guida. Senza più il bisogno di disinnestare in nessuno modo il motore termico alla trasmissione: può girare anche quando l'automobile è fermo. (animazioni Graham Davies) Modalità elettrico Modalità «eretico»

In pratica Per il guidatore medio : Per i curiosi : Pedale destro: accelerare Pedale sinistro: frenare Per i curiosi : Fonte di esperienze e misurazioni Tutto questo può sembrare molto complesso e soprattutto insolito (in realtà, è peggiore coi veicoli attrezzati di trasmissioni convenzionali, ma come si è abituato non ci facciamo più domande...), ma per il conducente si riduce ad un pedale per accelerare ed uno per frenare. L'elettronica si occupa di tutto. Il curioso invece si può sempre divertirsi...

Misurazioni Soprattutto quando un ingegnere britannico che vive negli USA, disoccupato, ha deciso di occupare il suo tempo libero per concepire e commercializzare un piccolo apparecchio che permette di leggere un sacco di informazioni che si scambiano i differenti computer dell'automobile. Per esempio: velocità ed accoppiamento dei diversi motori, flusso di benzina, corrente entrante o uscente della batteria, ecc. Grazie, Graham!

Qualche risultato Questo apparecchio che può essere connesso ad un computer per raccogliere degli archivi di misurazioni, ecco per esempio che può dare una porzione del tragitto Pau-Lourdes in termini di dati. Qui ho misurato, o calcolato indirettamente, il regime del motore termico, la sua potenza, il suo rendimento (non realmente misurat, ma calcolato a partire dalla consegna di potenza inviata al motore e del flusso di aria di immissione), la velocità dell'automobile, ed evidenzato gli intervalli dove l'automobile circola puramente elettrico, col motore termico fermo. Si nota che a velocità ridotta o in decelerazione queste fasi sono frequenti.

Trasmissione elettro-meccanica Qui si può comprendere ciò che certi chiamano la "modalità eretica" della trasmissione: ad una velocità abbastanza elevata, il più grosso motore/generatore elettrico (MG2) frena l'automobile, e l'elettricità che genera è mandata direttamente all'altro motore/generatore elettrico, MG1 in modo che spinga l'automobile... il bilancio globale che è pressappoco nullo in potenza. Perché farlo? Per permettere al motore termico di girare più lentamente ("rapporto lungo elettrico") e consumare meno. Lo si vede molto bene nelle zone dove le curve blu e verdi sono simmetriche rispetto a zero, e dove di conseguenza la curva rossa (somma dei due) è vicino a zero. La catena elettrica è quindi indispensabile, anche senza ricorrere alla batteria: questa trasmissione électro-meccanica differenzia l'automobile dall'ibrido "leggero" come la Honda Insight o Civic IMA.

E la batteria? Si può dire giustamente che, poiché la capacità della batteria è limitata, il motore elettrico non potrà aiutare eternamente il povero piccolo motore termico se la domanda di potenza è alta e continua. Ho provato a trovare un modo di chiedere per molto tempo della potenza, ciò che capita quando si sale una pendenza, la velocità essendo limitata: la salita alla stazione di Luz-Ardiden è molto pratica, rappresenta un dislivello di 1000 m su 12 km, o il 8% di pendenza media. Questo estratto (che comporta un buco corrispondente ad un arresto tecnico) dimostra che la carica della batteria si abbassa, ma non esageratamente: il minimo (40%) autorizzato dal il sistema non è stato raggiunto in vetta, mentre si è partito da un livello abbastanza basso (circa 55%, quando il massimo è 80%). All'inizio la batteria si ricarica, addirittura!

Difficile da scaricare Qui è giusto un dettaglio della curva precedente: si vede bene dei forti picchi negativi di corrente di scarica (non lontano da 100 A!) ma anche una foresta di picchi positivi, di ricarica: difatti anche in salita continua non si accelera mai a fondo per sempre (ci sono dei tornanti) ed il sistema ne approfitta per ricaricare appena possibile. Il sistema è regolato in modo tale che la batteria non è messa sotto sforzo che quando è veramente necessario, quando il motore termico è insufficiente (o al contrario troppo potente e quindi poco efficace). Rovescio della medaglia: in forte accelerazione esso gira più rapidamente per fornire più di potenza, ciò che lo rende abbastanza rumoroso.

... ma facile a ricaricare! E naturalmente, dopo essere salito si finisce sempre per ridiscendere... è in effetti là che si raggiunge i limiti della batteria! Difatti il carico massimo (80%) è raggiunta prima del fondo della discesa, che significa che l'energia potenziale supplementare è persa, il motore termico allora viene automaticamente trascinato senza carburante per far da freno motore e sostituire la frenata elettrica. Anche qui, arresto tecnico a 12-13 minuti (per registrare l'altitudine dato dal GPS) che spiega il parte "vuota". I trattini rosa rappresentano le "finestra di ricarica" della batteria: il sistema non autorizza una scarica inferiore del 40% né una ricarica oltre il 80% della capacità totale, per prolungare la vita della batteria.

Quanta energia recuperata ? Con questi valori si può fare un calcolo semplice per valutare l'energia recuperata nella batteria (curva in verde)... qui, sono circa 700 Wh.

ovvero 4 km gratuiti per 8 km di discesa Calcoli a tavolino dislivello : h = 700 m massa (vettura + benzina + conducente +...) : m = 1400 kg g = 9,81 m.s-2 Ep = mgh = 9,6 MJ = 2,7 kWh Ebatteria = 0,7 kWh Paragoniamolo alla variazione di energia potenziale corrispondente... ci dà un poco più di 1/4. Evidentemente non è 1 (quando tutta l'energia potenziale sarebbe ricuperata) ma se si traduce in termini di distanza che l'automobile può percorrere in modalità elettrica, si arriva a circa 4 km "gratis" per una discesa di 8 km... non trascurabile ugualmente! Tanto più che si tratta di una "vecchia" versione di automobile ibrida, ora sostituita da una più ad alto rendimento in recupero di energia. Ebatteria / Ep = 0,26 ovvero 4 km gratuiti per 8 km di discesa

Diagramma di funzionamento Se si diverte a rappresentare la "zona di funzionamento" del motore in un diagramma che rappresenta il rendimento in funzione del regime e della coppia, ci si accorge che quasi tutti i punti sono vicini del rendimento massimo, circa il 34%, ciò che dimostra la buona gestione dell'energia di un tale sistema. Con un po' di pratica, si riesce a consumare di meno una volta che si capisce che è inutile andare il più possibile "elettrico": è meglio utilizzare direttamente l'energia del motore che immagazzinarla poi per consumarla in seguito, ciò porta a delle perdite. Da allora, appena si ha bisogno di potenza sufficiente per permettere al motore di funzionare ad alto rendimento, bisogna accelerare relativamente parecchio. Ed abituarsi a vedere la velocità aumentare mentre il regime resta costante.

Bilancio consumi In termini di consumi, la media si assesta a 5,2 l/100 (19 km/l) su più di 50 000 km, ed ha tendenza a diminuire leggermente, ciò non è male per un'automobile automatica a benzina di prestazioni sufficienti. La curva rossa corrisponde a ciò che è calcolato ad ogni pieno, la blu a ciò che visualizza il computer di bordo e la verde alla media generale calcolata. NB: in città, il consumo non cambia. Sono soltanto i corti tragitti a motore freddo, o l'autostrada ad alta andatura (è difficile aggirare le leggi della fisica che fanno aumentare i consumi). Superare i 7 litri / 100 km (14 km/l) risulta un impresa o un tentativo di suicidio. Scendere a 3,5 l / 100 km (28 km/l) su dei percorsi scorrevoli alle velocità legali su strada è dell'ordine del possibile.

Bilancio inquinamento: benzina Le automobili ibride sono presentate dai loro costruttori come meno inquinanti delle automobili a motore termico. Com'è realmente? Si può per rispondere paragonando la Prius (2004) ad un'automobile recente di abitabilità e di prestazioni comparabili, in benzina e Diesel, per esempio la 407 Peugeot. Si noterà che con lo stesso motore, il 407 manifesta delle cifre molto differenti, per il CO soprattutto, a seconda che ha un cambio automatica o manuale. La Prius è necessariamente automatico per concezione. Tuttavia le cifre del CO sono a relativizzare, perché eccetto in un ambiente naturale chiuso (è lui il responsabile delle asfissie in inverno negli alloggi a riscaldamento difettoso) non fa altro che trasformarsi in CO2 e quindi i 1000 mg di CO del 407 automatici diventeranno 1,16 g di CO2 supplementari. I risultati dell'ibrido sono qui estremamente positivi.

Bilancio inquinamento: diesel Rispetto a ciò che di meglio in PSA in materia di Diesel, il bilancio è ancora favorevole, salvo in materia di CO di cui si è visto la poca importanza reale, e di idrocarburi incombusti (HC), questi due campi sono la differenza del tipo di combustione tra i motori a benzina ed il motori Diesel. Si può notare che esistono in certi paesi (USA) delle legislazioni più rigorose sulle emissioni di idrocarburi all'arresto (eh sì, il carburante evapora...) che potrebbero essere utili tanto quanto le norme che riguardano il funzionamento! La Prius è stata adeguata di conseguenza (serbatoio a membrana rendendo la misurazione fantasiosa...). Il FAP diminuisce considerevolmente la massa totale di particelle emesse dai Diesel, la scala è qui troppo piccola, la benzina che non emette in quantità significativa, ma lascia passare ancora alcune di più fini considerate come più nocive.

5 litres d'essence = 4,5 litres de diesel Paragone ingannevole benzina : 34,7 MJ = 9,63 kWh per litro diesel : 38,7 MJ = 10,74 kWh per litro (+12%) en énergie, 5 litres d'essence = 4,5 litres de diesel Rendimenti diversi (sebbene...) Tuttavia un paragone dei consumi in litri ai cento chilometri (o chilometri al litro) tra benzine e Diesel non sono molto "scientifiche" per la buona ragione che un litro di gasolio contiene più energia che un litro di benzina! Differenza che si ritrova comunque nelle emissioni di CO2, il gasolio emettendo più per litro consumato. Il rendimento dei due cicli non è peraltro lo stesso, superiore per il Diesel, sebbene, coi cicli come il ciclo Miller, un motore a benzina non sia molto lontano. E le evoluzioni a venire dei motori a benzina (turbo ed iniezione diretta tra l'altro), promettono ancora progresso che i Diesel hanno già fatto.

Il taxi ideale? La spigliatezza particolare di un veicolo ibrido nel traffico urbano, tanto per la comodità che per i consumi, ha condotto certi pionieri ad utilizzarlo come taxi... si vede qui il primo taxi ibrido, una Prius del 2000, avendo percorso più di 330 000 km senza noie particolari (batteria di origine) ed avendo permesso al suo proprietario delle sostanziali economie di carburante e di pastiglie dei freni.

certains le pensent Questo stesso proprietario ha deciso di acquistare il nuovo modello quando esso è disponibile. Modello che ha fatto la sua entrata tra i taxi parigini, a quanto pare...

Effetti secondari Modalità elettrica se la velocità < 50 km/h : Viva i 50 in città. Frenata rigenerativa se (molto) moderata: Invito alla anticipazione Manovre in modalità elettrica: Un vero piacere Nessuna scusa per parcheggiare male Ma potrebbe ben essere che uno degli effetti più notevoli di questo tipo di veicolo non sia la diminuzione dell'inquinamento o del consumo: tutti i conducenti (persino i più "aggressivi") manifestano del suo effetto "pacificatore" sulla guida. Guidare con calma diventa un piacere, e non perché le prestazioni sono insufficienti, tutt'altro (con la particolare notevole agilità dovuta al motore elettrico). Brevemente, questo tipo di veicolo porta un piacere di guida reale ma diversa di quello di cui si parla abitualmente e di chi si basa sulle prestazioni e la guida "sportiva".

Fuel Cell Marathon (mai – juin 2004) Molti costruttori di cui Toyota, fanno una certa battitura intorno ai futuri veicoli a pila a combustibile, funzionando all'idrogeno che sarebbe la soluzione definitiva in termini di inquinamento (rigetterebbero soltanto acqua) e di dipendenza al petrolio, poiché utilizzano l'idrogeno (1). Certi qualificano anche la motorizzazione ibrida di soluzione temporanea senza grande avvenire. Mentono sfacciatamente, perché sanno che è falso. Ecco perché. Durante l'estate 2004 ha avuto luogo un'esperienza a grandezza naturale della traversata d'Europa con un prototipo di automobile a pila a combustibile, il HydroGen3 della General Motors, sulla base della Opel Zafira. Chiunque può consultare il sito sopracitato che racconta l'avventura. (1) come produrre l'idrogeno, è un'altra domanda...

Dimostrazione per l’assurdo GM HydroGen3 (www.gmeurope.com/marathon/) Pila a combustibile non ibrida «Ogni 150 chilometri al massimo dovevamo fermarci per rifornirci, che ci forniva un’autocisterna: circa 75 litri di idrogeno liquido, pesando meno di cinque chili, raffreddato a - 253°C, è un pieno.» «Usiamo esattamente 1 chilo di idrogeno per 100 chilometri sfruttando le discese (l’auto non ha freno motore).» Si trova, se si legge il tedesco o l'inglese, delle precisazioni interessanti sul consumo di questa automobile che, contrariamente al prototipo precedente non è più ibrido cioè che non ricorre alle batterie di stoccaggio per "aiutare" la pila a combustione alla richiesta di potenza e ricuperare l'energia alla frenata. Ciò che è presentato come un "passo avanti" per General Motors... Il verdetto è abbastanza chiaro: un consumo di circa 50 litri di idrogeno liquido (-253°C) ogni 100 km, e dei giornalisti che si lamentano dell'assenza totale di freno motore (su un veicolo non particolarmente leggero...) abbastanza stressante nelle discese dei colli alpini. Riconosciamo tuttavia che si tratta probabilmente la più inefficiente (e di tanto) dei prototipi recenti di automobile a pila a combustibile. Del resto, all'inizio 2005 GM ha appena presentato il "Sequel" (!), il suo successore che è ridivenuto ibrido, ed utilizza dell'idrogeno gassoso...

Confronto di energie 50 l/100 km d’idrogeno liquido (-253°C) 33 kWh / kg ; 50 l = 3,5 kg cioè 117 kWh energia di liquefazione dell'idrogeno Prius : 4,3 l/100 benzina cioè ≈ 42 kWh Sì ma l'idrogeno liquido non è la benzina, ed è vero che un litro contiene meno energia che la stessa quantità di benzina: circa 2,4 kWh contro un poco meno di 10 per la benzina. Tuttavia, il bilancio resta crudele poiché il consumo di energia è qui circa 3 volte quella di un'automobile ibrida a benzina, già in vendita... senza contare l'energia necessaria alla compressione e/o alla liquefazione dell'idrogeno, lontano da essere trascurabile: bisogna sacrificare più del 50% dell'energia contenuta nell'idrogeno per liquefarlo! Brevemente, tutti gli ingegneri dell'automobile sanno adesso che qualunque sia la motorizzazione, anche con una pila a combustibile, si avrà bisogno dell'architettura ibrida per sprecare meno energia. Quelli che pretendono il contrario sono o incompetenti o bugiardi. ... Senza contare il resto ! (energia di liquefazione dell'idrogeno)

E l’idrogeno rinnovabile? + = 1 kW / m2 > 200 W / m2 mediamente cellule: r = 20 % (!?) > 40 W / m2 Sì, ma si può fare dell'idrogeno "pulito", dicono alcuni, con l'energia solare per esempio, per elettrolisi dell'acqua, ed allora perché economizzarlo? Giustamente, in questo caso è cruciale... Nel migliore dei casi, bel tempo soleggiato, il sole ci manda circa 1 kW per metro quadrato. Ma ci sono le notti, le nuvole, così contare su 200 W per metro quadrato è una media già ottimista per noi. Il tutto con un rendimento del 20% delle cellule fotovoltaiche... ma siamo, molto, ottimisti! Supponendo che si attrezza una stazione di servizio di 1000 metri quadrati di cellule, si ottiene dell'ordine di 1000 kWh elettrici prodotti per giorno, o la quantità di energia contenuta in un centinaio di litri di carburante... quando la stazione accanto a da me, 8 pompe, in città con una statale passante, smerciano almeno cento volte tanto. E questo senza contare i rendimenti delle seguenti tappe: produzione e stoccaggio (compressione o liquefazione) dell'idrogeno... che sono deprimenti. Anche tenendo conto del migliore rendimento finale della pila a combustibile. 1000 m2, 24 h > 960 kWh > 100 litri di carburante tipo senza piombo 95 Distributore tipico: 10 000 litri / giorni...

Futuro? Generalizzare l’architettura ibrida Diesel ibridi, inizialmente sui veicoli commerciali Apparizione degli ibridi ricaricabili Pila a combustibile «ammazzati nell’uovo» da nuove batterie? Obbiettivo a 5 anni: vettura Diesel, ibrida, 3 l/100 km, pulita dal particolato e NOx Si può fare alcune predizioni ragionevoli? Il prezzo del petrolio, non potendo che aumentare e diminuire quello dei componenti elettronici e batterie, è evidente che l'architettura ibrida diventerà sempre più competitiva e si diffonderà, ivi compreso al Diesel anche se le difficoltà tecniche sono un po' più grandi ed i benefici un po' inferiori. Gli veicoli commerciali Diesel ibridi esistono già... (Allison, Mercedes-Benz, Toyota). Il futuro della pila a combustibile in automobile è molto meno assicurato, a causa dei problemi legati all'idrogeno, costo energetico dello stoccaggio, delle quantità richieste di catalizzatore (platino) e delle prestazioni crescenti delle batterie o supercondensatori... verso un ritorno delle "semplici" automobili elettriche a batterie? Non è impossibile. Ma prima di ciò, probabilmente degli ibridi ad autonomia elettrica allungata, e ricaricabile su settore.

Evoluzione corta ma istruttiva La più anziana delle ibride: Toyota Prius modelli successivi: 1997 (NHW10), 2000 (NHW11), 2003 (NHW20) NHW10 NHW11 NHW20 Pot. Mot. Termico(kW) 42 52 57 Pot. Mot. Elettrico(kW) 30 33 50 Capacità batteria (kWh) 1,9 1,8 1,3 Massa batteria (kg) 76 52 45 0 a 100 km/h (s) 14,5 13,4 10,9 Sull'unica automobile ibrida sufficientemente vecchia per avere subito un'evoluzione, è interessante constatare come hanno cambiato certe caratteristiche. Contrariamente a ciò che certi credono, la capacità della batteria non ha aumentato ma contrariamente è diminuito, anche se la capacità totale non è la capacità realmente utilizzata che è pressappoco stazionaria. Ciò dimostra che la logica non è affatto la stessa che quella delle automobili elettriche: la potenza della batteria è rimasta quasi costante, così come la sua resistenza interna che deve essere più debole possibile, sono più importanti di una grande capacità. Non dimentichiamo che questi veicoli traggono tutta la loro energia dal petrolio... l'utilizzano meglio, tutto qui ma non è male!

Non dimentichiamo l’essenziale… L'automobile è indispensabile? Difficile farne a meno ma: L’uso abusivo nelle piccole distanze in citta (bicicletta, rollers, bus... E a piedi!) L’uso abusivo sulle lunghe distanze (treno molto più efficace energeticamente) Non credete che la tecnica risolvi tutti I problemi (effetti perversi sempre presenti!) Non dimentichiamo nemmeno che questa esposizione è partita della domanda: " come un'automobile può utilizzare al meglio l'energia per funzionare? "... ciò non deve vietarci di porre l'altra domanda: "in effetti, ho proprio bisogno di un'automobile per fare ciò?" In particolare è istruttivo paragonare due cifre: per chilometro e passeggero, un TGV ha bisogno di circa 70 Wh di energia. Un'automobile che consuma 5 litri ai cento chilometri, circa 500 Wh per chilometro, ciò che riportato al tasso di occupazione media delle automobili che da noi, a 1,3 passeggeri, fanno ancora 385 Wh per chilometro e passeggero, o 5,5 volte più del TGV...

Grazie ! Grazie a tutte le persone che hanno reso possibile la redazione di questa esposizione ed in particolare Graham Davies che mi ha insegnato tutto sul funzionamento della sua, e mia, automobile. Grazie a tutti i siti internet dove ho pompato delle illustrazioni senza vergogna, ma finché non li rivendo, non vedo dove è il male. E grazie per la vostra attenzione!