General Motors debutta con la batteria elettrica Bolt, che promette di
avere un raggio 200-mile e costare circa $ 30,000. GM, CC BY

n uno sforzo per far ripartire l'adozione di veicoli elettrici a celle a combustibile, Toyota Motors all'inizio di questo mese ha fatto più di 5,600 brevetti disponibile per altre case automobilistiche. Pochi giorni dopo, la General Motors ha introdotto il bullone elettrico, un veicolo elettrico progettato per far funzionare miglia 200 sulle batterie.

Nel frattempo, le case automobilistiche continuano a sviluppare altri tipi di veicoli elettrici: ibridi plug-in e circuiti ibridi.

I veicoli elettrici sono l'alternativa più promettente alle vetture convenzionali a benzina e diesel. Ma come è diversa ogni tecnologia? E quali sono i benefici relativi e le sfide commerciali per ciascuno?

Come siamo arrivati ​​qui

Iniziamo con le somiglianze. I veicoli elettrici a batteria plug-in (BEV), i veicoli elettrici ibridi (HEV), i veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) ei veicoli elettrici a celle a combustibile a idrogeno (FCEV) sono tutti veicoli elettrici. Sono tutti azionati da un motore elettrico e dispongono di batterie per immagazzinare o fornire l'elettricità necessaria e assorbire energia durante la frenata del veicolo.

Alcuni di questi veicoli possono anche generare elettricità a bordo, tramite un motore a combustione a benzina o una cella a combustibile alimentata a idrogeno.

Rappresentano tutti una rottura fondamentale dei veicoli a combustione a benzina che guidiamo oggi in tre modi: il drivetrain è elettrico, piuttosto che meccanico; il motore sotto il cofano è elettrochimico anziché a base di combustione; e il carburante è elettricità e idrogeno, piuttosto che benzina.

Le forze alla base di questi cambiamenti tecnologici hanno avuto inizio nel tardo 1980 con il riconoscimento da parte dei produttori di automobili che la disponibilità a lungo termine del petrolio è limitata e che sarebbe necessaria una piattaforma e un carburante alternativi per assicurare un futuro modello di business sostenibile. L'idrogeno è stato selezionato come combustibile e un percorso 25-anno per la commercializzazione dei veicoli a celle a combustibile è stato stabilito.

Dopo 1990, sono emerse tre forze aggiuntive per affermare ulteriormente la decisione di indirizzare il veicolo a celle a combustibile a idrogeno come prodotto del futuro, compresi i cambiamenti climatici, le politiche che favoriscono l'indipendenza dal carburante e le normative sulla qualità dell'aria, in particolare in California.

Batteria veicoli elettrici (BEV)

Negli ultimi cinque anni, però, c'è stata una ripresa dei veicoli elettrici a batteria, che si basano esclusivamente sulla batteria. Gli esempi includono la Nissan Leaf, la GM Spark e la Kia Soul. Dopo 40 a miglia 60, le batterie sono scariche e devono essere ricaricate collegando un circuito residenziale o un caricabatterie 220-volt, appositamente realizzato presso un centro commerciale o posto di lavoro. Il tempo di ricarica dipende dalla tensione, dalla tecnologia del caricabatterie e dallo "stato di carica" ​​della batteria (cioè, quanto la batteria è esaurita), ma in genere richiede da una a sei ore per caricare completamente il veicolo.

Un BEV è attraente perché la sua gamma soddisfa la maggior parte dei viaggi effettuati dal pubblico, ricaricare a casa è conveniente e guidare è privo di vibrazioni e silenzioso. La dimensione del veicolo è relativamente piccola, fornendo una buona manovrabilità e un parcheggio relativamente facile, e non ci sono agenti inquinanti durante la guida. I BEV hanno anche il potenziale per bilanciare la rete elettrica caricando durante la notte quando le risorse della rete sono sottoutilizzate.

Lavorare contro i BEV è il tempo necessario per ricaricare il veicolo e l'ansia della portata, ovvero la preoccupazione per il campo di guida limitato, vissuta dai conducenti, che riduce efficacemente la portata utile del veicolo. Inoltre, la ricarica può stressare la rete elettrica e ci sono casi in cui non è disponibile alcuna infrastruttura di ricarica, in particolare per le persone che vivono negli appartamenti.
In seguito al mandato per veicoli a emissioni zero della California, i BEV sono stati commercializzati per la prima volta negli 1990, ma il mercato è diminuito negli 2000. Con un numero di autovetture disponibili per la vendita o il leasing, il mercato è stato testato oggi per valutare la domanda pubblica di questo veicolo a raggio limitato, ma conveniente. I progressi nella tecnologia delle batterie hanno il potenziale per aumentare la portata.

Hybrid Electric Vehicles (HEV)

I veicoli elettrici ibridi sono un BEV con un motore a combustione a benzina per generare elettricità e spostare l'auto in congiunzione con il motore elettrico. Possono fornire la stessa gamma di miglia 300 che le persone si aspettano con un veicolo a benzina convenzionale. E con controlli software avanzati, il motore a combustione interagisce con le batterie per raggiungere elevati livelli di efficienza e basse emissioni di inquinanti.

Gli HEV sono stati offerti in vendita negli Stati Uniti da 2000, con la Prius, introdotta per la prima volta dalla Toyota in Giappone in 1997, un esempio di rilievo. In 2012 e 2013, la Prius è stata la vettura più venduta in California con oltre sette milioni di veicoli venduti, che riflettono l'accettazione decisamente positiva del veicolo da parte dei consumatori.

Veicoli ibridi elettrici plug-in (PHEV)

I PHEV sono HEV con capacità della batteria aggiuntiva in grado di fornire un range di guida elettrico compreso tra dieci e miglia 60. La Chevy Volt, ad esempio, può pilotare quasi miglia 40 a batteria prima che entri un generatore di benzina. Ciò consente la comodità di ricaricare le batterie durante la notte a casa e una portata elettrica giornaliera che la maggior parte del pubblico degli Stati Uniti non supera. E il PHEV offre la gamma 300-mile a cui il pubblico di guida è abituato. Un plug-in Prius ha una batteria più grande e ha un tutto-elettrico
intervallo di circa 10 miglia prima di passare alla modalità ibrida. Toyota 

Veicoli elettrici a celle a combustibile a idrogeno (FCEV)

I veicoli a celle a combustibile sono veicoli elettrici ibridi con due differenze principali. Una cella a combustibile, un dispositivo elettrochimico che prende un combustibile, come l'idrogeno e l'ossigeno dall'aria per generare elettricità, sostituisce il motore a benzina sotto il cofano. La pila a combustibile ha un'efficienza notevolmente elevata (tre volte superiore rispetto a quella convenzionale della benzina) e zero emissioni di inquinanti atmosferici durante la guida. Il prodotto della reazione è l'acqua, che viene scaricata attraverso il tubo di scappamento con azoto e un po 'di ossigeno che rimane dall'aria. E invece di un serbatoio di benzina, ci sono serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno. Il tempo di rifornimento di carburante di un veicolo a celle a combustibile è paragonabile a un'automobile a benzina convenzionale e il carburante può essere acquistato a livello nazionale.

Alcune delle sfide associate ai veicoli a celle a combustibile sono il numero limitato di stazioni di rifornimento di idrogeno a livello nazionale. La California ha la maggior parte delle stazioni di rifornimento di idrogeno negli Stati Uniti, con 51 progettato per essere operativo entro la fine di 2015, su 70 entro la fine di 2017 e 100 di 2020. Sessantotto stazioni sono considerate il minimo iniziale per supportare l'accettazione di veicoli a celle a combustibile nello Stato.

Andando avanti

Il mercato sta scoprendo che il BEV è un interessante complemento (non sostitutivo) del convenzionale veicolo a benzina. L'HEV e il PHEV alimentati a benzina stanno emergendo per soddisfare le normative ambientali, pur mantenendo l'esperienza di guida complessiva della gamma e delle dimensioni a cui il mercato è abituato.

Il costo dei veicoli e il costo della guida dei veicoli sono, per tutti gli scopi pratici, competitivi e convincenti. A seconda del costo dell'elettricità e del costo della benzina, il costo per miglio può favorire l'uno o l'altro. Il PHEV offre al cliente la possibilità di utilizzare l'elettricità o la benzina.

Il veicolo elettrico a celle a combustibile sta emergendo come una naturale evoluzione dell'ibrido ibrido elettrico plug-in. Di conseguenza, si può prevedere che il BEV e il FCEV rappresentano le alternative di prossima generazione al veicolo a benzina convenzionale e ibrido per soddisfare le esigenze di trasporto leggero. BEV offre praticità e manovrabilità e FCEV offre autonomia, flessibilità nelle dimensioni del veicolo e rifornimento rapido. Entrambi i veicoli raggiungono l'indipendenza dal carburante, la separazione dalla geopolitica e l'attrattiva attributi ambientali.

Il costo di acquisto e il costo operativo dei veicoli elettrici a batteria e a celle a combustibile sono oggi paragonabili. È probabile che il costo dell'idrogeno diminuirà in futuro a causa della concorrenza del mercato e dei progressi tecnologici e che il costo dell'elettricità aumenterà. Ciò significa che il costo per miglia di funzionamento di un veicolo elettrico a celle a combustibile, rispetto a un veicolo elettrico a batteria, sarà probabilmente inferiore.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation
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Circa l'autore

Dr. Scott Samuelsen è un professore di ingegneria meccanica, aerospaziale e ambientale presso l'Università della California, a Irvine (UCI). È direttore del programma Advanced Power and Energy, dell'UCI Combustion Laboratory e del National Research Center per il Dipartimento di energia degli Stati Uniti e della California Energy Commission. Il professor Samuelsen co-presiede la California Fuelary Fuel Cell Collaborative, un'alleanza pubblico-privato unica che sta affrontando la tecnologia critica e gli ostacoli del mercato per accelerare la commercializzazione di sistemi avanzati di generazione di energia.