Archivio | ottobre, 2018

Tutta la verità sul recupero di energia in frenata (“regen” o “frenata rigenerativa”)

6 Ott

–> vedi anche “Quanto è utile la rigenerazione di energia in frenata sui mezzi elettrici?


Questa ricerca, vecchia (1984) ma pur sempre valida (la fisica non invecchia!), mostra come sono distribuiti in percentuale i consumi di energia di un’auto a seconda del percorso:

aria/ruote/inerzia:

  • Traffico congestionato: 55%/14%/31%
  • Traffico urbano normale: 48%/36%/15%
  • Autostrada: 34%/63%/3%

L’unica parte di energia recuperabile è la terza, quella usata per vincere l’inerzia dell’auto; le altre componenti dovute all’attrito dell’aria e delle ruote vanno perse in calore.

Di questi 31%, 15% e 3%, solo il 90% è recuperabile per via dell’efficienza del sistema di recupero, il che significa che le percentuali diventano:

  • Traffico congestionato: 28%
  • Traffico urbano normale: 14%
  • Autostrada: 2.7%

Chiaramente si tratta di valori medi, ogni percorso è diverso e ogni veicolo è diverso, e la massa del veicolo influisce moltissimo sulla quantità di energia recuperabile, che sarà quindi molto maggiore in un camion o in un autobus (15 tonnellate, Cx=0,5 o 0,6) rispetto a uno scooter (300 kg incluso il guidatore, Cx=0,8) o a una bicicletta (80 kg incluso il guidatore, Cx=0,9).

In questi 3 casi, i risultati sarebbero all’incirca questi (efficienza di regen inclusa):

Distribuzione percentuale energia in ciclo FTP (aria/ruote/inerzia):

Percentuale di energia recuperabile in frenata/decelerazione in percorso urbano:

  • Autobus/camion: 44%
  • Auto: 37%
  • Moto: 15%
  • Bici: 3.9%

In autostrada le cose cambiano molto, perchè non si passa molto tempo ad accelerare e frenare, ma più che altro a correre, con questi risultati sulla distribuzione dell’energia:

  • Autobus/camion: 36/48/15 –> 14%
  • Auto: 54/36/10 –> 9 %
  • Moto: 87/12/1  –> 0.9%
  • Bici (!): 98/2/0.1 –> 0.09%

Per ottenere questi risultati ho inserito “valori tipici” dei vari tipi di veicolol veicolo in questo calcolatore online; i dati che servono sono:

Veicolo:

  • Massa (kg)
  • Area frontale (m^2) (6 m^2 autobus, 2.5 m^2 automobile, 0.8 scooter e bici)
  • Coefficiente aerodinamico (Cx o Cd o Cw) (adimensionale) (0.6 autobus, 0.3 automobile, 0.8 moto/bici)
  • Coefficiente attrito ruote (Crr o Nrr, in genere pari a 0.01 per le au, 0.005 per le bici)  (adimensionale)

Il calcolatore, anche se pensato per auto a benzina, in realtà è utile anche per auto elettriche (anzi, per qualunque veicolo con qualunque carburante), perchè  fornisce i 3 dati grezzi che possiamo chiamare:

  • energia aerodinamica
  • energia di attrito delle ruote
  • energia di inerzia

I cicli di test

La cosa interessante del sito è che si può specificare non solo il tipo di auto, ma anche il ciclo di test tra i vari disponibili in America ed Europa. Non è purtroppo presente il World harmonized Light-duty Test Cycle, WLTC per gli amici, che fa parte della complessa World harmonized Light-duty Test Procedure (WLTP), in vigore dal 1° settembre 2018, ma in teoria dovrebbe bastare copiarsi la pagina da qualche parte e aggiungere il file di testo che rappresenta il WLTP, magari un giorno o l’altro lo faccio.

I cicli di test sono molto diversi tra loro, come si può vedere nella panoramica qui sotto:

NEDC (Europa)

EPA FTP75 (urbano, USA)

EPA HWFET (Autostrada, USA)

Il nuovo ciclo WLTC (o meglio, uno dei tanti che la WLTP include) è invece fatto così:

Le differenze sono notevoli, e salta soprattutto all’occhio la schematicità e l’irrealismo dell’europeo NEDC; totalmente lontano dalla realtà, fu probabilmente impostato così per essere facilmente ripetibile meccanicamente e automaticamente anche al banco sul dinamometro, mentre gli altri cicli sono così complessi da richiedere un guidatore in carne ed ossa per essere implementati (almeno, un tempo, quando fu inventato, negli anni ’70, quando non esisteva nemmeno il commodore 64. Oggi la potenza di calcolo di un cellulare sarebbe più che sufficiente per controllare volante e acceleratore di un’auto in tempo reale per farla “guidare” sui rulli di un dinamometro)

La schematicità del NEDC ha quindi il grosso vantaggio della facile ripetibilità scientifica; sfortunatamente, il grosso svantaggio è che fornisce consumi del 30-40% più bassi del reale! Quindi, se è utile per confrontare due veicoli in modo oggettivo, è del tutto inutile per sapere quanto consuma in  realtà un’auto (a meno appunto di moltiplicare per 1.3 i risultati di consumo: se daè 5L/100 km, significa che in realtà sono 6.5, che espresso, all’inverso, in km/l, fa  rispettivamente 20 e 15 km/L.

Il “coasting” o “guida in folle”

Negli “ambienti elettrici” gira voce che guidare in folle faccia aumentare l’autonomia, ma la cosa è molto dibattuta: è vero? QUANTO è vero? è utile?

Vediamo cosa risponde la fisica, prima brevemente, poi con le spiegazioni:

  1. è vero? 
  2. QUANTO è vero?  Poco
  3. è utile? Quasi per niente
  1. E’ vero perchè se passiamo da 0 km/h a  100 km/h  e poi di nuovo a 0 km/h , possiamo percorrere il tratto in decelerazione in due modi: facendo rigenerare corrente al motore, o spegnendolo e andando in folle. Nel primo caso, quel 41% di “energia  di inerzia” torna in parte nella batteria: “in parte” perchè la rigenerazione ha un’efficienza del 90%, e il 90% di 41% è quel 37% visto prima; quando poi riutilizziamo questo 37% rimandandolo alle ruote, per via dell’efficienza del 90% del motore non ci tornerà tutto, ma solo, di nuovo, il 90%; e il 90% del 37% è il 33%.
    Forse si capisce meglio con questo schema:

    Lo schema evidenzia anche la pericolosità intrinseca del viaggiare senza freno a pedale e senza freno motore, il che rende necessario usare comunque i freni, diciamo per il 50% del tempo, riducendo così alla fine l’energia risparmiabile a un misero 4%, a discapito della sicurezza di guida.
  2. Quindi è vero che si risparmia energia andando in folle rispetto a usare freno motore e frenata rigenerativa, ma se ne risparmia davvero poca.
  3.  Quanto all’utilità: rischiare tamponamenti o incidenti per risparmiare il 4% di energia, che su un’auto da 300 km equivale a 10-12 km, mi pare una cosa davvero poco utile, soprattutto in considerazione della pericolosità della guida in folle (chissà perchè l’avranno chiamata così…).