Su questo blog abbiamo gi\u00e0 affrontato diverse volte il tema dell’elettrificazione dell’auto, analizzando il passaggio dalla vecchia concezione alla nuova. In quelle occasioni, abbiamo sempre voluto evitare le guerre di religione, cercando invece di dare una casella precisa ad ogni situazione e, soprattutto, di impacchettarle escludendo ogni tipo di ragionamento di pancia. Vediamo ora il discorso puramente energetico.<\/p>\n\n\n\n
Smontiamo il problema partendo da un calcolo aritmetico elementare. Mettiamo sui due piatti della bilancia due vetture medie che compiono lo stesso identico lavoro: percorrere 100 chilometri. Sul primo piatto c’\u00e8 una classica vettura a benzina che consuma 5 litri ogni 100 km. Sul secondo c’\u00e8 una vettura elettrica che richiede 15 kWh per coprire la stessa distanza.<\/p>\n\n\n\n
Per fare un confronto onesto, dobbiamo abbandonare per un attimo i litri del benzinaio e i kilowattora della bolletta e convertire tutto nell’unit\u00e0 di misura della fisica, lo standard dell’energia nel Sistema Internazionale: il Joule. Prendendo come riferimento il potere calorifico inferiore della benzina, scopriamo che un singolo litro d’idrocarburo racchiude circa 34,6 Megajoule (MJ). Di conseguenza, per fare i nostri 100 km, l’auto termica brucia ed estrae 5 litri moltiplicati per 34,6 MJ\/L, che fanno 173 MJ, ovvero 173 milioni di Joule.<\/p>\n\n\n\n
Passiamo all’elettrica. La conversione qui \u00e8 lineare e standardizzata, dato che 1 kWh equivale esattamente a 3,6 Megajoule. Il calcolo \u00e8 presto fatto: 15 kWh moltiplicati per 3,6 MJ\/kWh danno come risultato 54 MJ, ovvero 54 milioni di Joule.<\/p>\n\n\n\n
Il primo dato macroscopico \u00e8 una vittoria schiacciante, un’umiliazione fisica dell’elettromagnetismo sulle macchine termiche: a parit\u00e0 di strada percorsa, l’auto elettrica richiede meno di un terzo dell’energia primaria rispetto a quella a benzina.
Il motivo \u00e8 puramente ingegneristico. Il motore elettrico \u00e8 una macchina quasi perfetta, con un’efficienza che supera tranquillamente l’85-90%. Al contrario, il vecchio e caro motore a combustione interna \u00e8, dal punto di vista termodinamico, una stufa inefficiente con le ruote: converte il 65-70% dell’energia chimica della benzina in calore disperso nell’ambiente (che serve solo a scaldare l’asfalto), usando solo la misera frazione restante per muovere la vettura.<\/p>\n\n\n\n
Se le cose stanno cos\u00ec, dove sta l’inghippo? Perch\u00e9 l’utente comune percepisce ancora l’auto elettrica come una tecnologia monca o “problematica”? Il motivo non risiede nell’efficienza del motore, ma nella drammatica inadeguatezza del suo serbatoio. \u00c8 una questione di densit\u00e0 energetica della materia.<\/p>\n\n\n\n
Dobbiamo ammetterlo: la benzina ha una densit\u00e0 energetica spaventosa (e il gasolio ancora di pi\u00f9). Un comune serbatoio da 45 litri contiene al suo interno circa 1.550 MJ di energia chimica potenziale. Quel serbatoio pieno pesa circa 35 kg. Si solleva con una mano.
Se oggi volessimo stoccare la stessa identica quantit\u00e0 di energia chimica (circa 430 kWh) all’interno di una moderna batteria agli ioni di litio per autotrazione, ci scontreremmo con un muro chimico-fisico. Quella batteria, da sola, peserebbe oltre 2.000 kg. Due tonnellate di metallo, cobalto e fogli di rame per eguagliare una tanica di plastica. Un’assurdit\u00e0 progettuale che farebbe piangere qualsiasi ingegnere aeronautico.<\/p>\n\n\n\n
Per nostra fortuna, il fattore efficienza di cui parlavamo prima interviene a salvare la baracca. Poich\u00e9 il veicolo elettrico spreca pochissimo calore e consuma un terzo dell’energia rispetto al termico, non ha alcun bisogno di imbarcare un “serbatoio elettronico” da 1.550 MJ. Per garantire un’autonomia reale e accettabile (diciamo attorno ai 500 km), all’auto elettrica basta una capacit\u00e0 di circa 80 kWh, pari a circa 288 MJ. <\/p>\n\n\n\n
Tuttavia, anche accettando questo saggio compromesso al ribasso, quel pacco batterie finisce per pesare sulla bilancia tra i 400 e i 500 kg.<\/p>\n\n\n\n
Qui arriviamo a una curiosit\u00e0 controintuitiva a cui non pensa mai nessuno, ma che per chi ama smontare i meccanismi del reale \u00e8 a dir poco esilarante: se prendessimo le celle di una moderna batteria agli ioni di litio e le buttassimo in una piscina, galleggerebbero. La densit\u00e0 dei materiali attivi all’interno delle celle pi\u00f9 avanzate (grazie all’abbondante uso di grafite, litio e solventi organici leggeri) si attesta spesso sotto la densit\u00e0 dell’acqua, ovvero meno di 1 kg\/dm\u00b3. Il pacco batteria completo di un’auto, una volta scatolato con i suoi tubi di raffreddamento e la piastra strutturale di protezione in acciaio o alluminio, ha una densit\u00e0 complessiva che si aggira intorno a quel valore fatidico.<\/p>\n\n\n\n
Prendiamo un esempio reale, matematico e misurabile: la batteria di una Tesla Model 3 Long Range. Il pacco batterie completo pesa circa 500 kg. Se andiamo per\u00f2 a calcolare l’ingombro geometrico del perimetro di quel blocco che occupa l’intero pianale dell’auto, scopriamo che il suo volume complessivo \u00e8 di circa 1 metro cubo (1 m\u00b3). Facendo il rapporto tra massa e volume (500 kg divisi per 1 m\u00b3), otteniamo una densit\u00e0 di 500 kg\/m\u00b3, che equivale a 0,5 kg\/dm\u00b3. Considerando i vuoti strutturali e le tolleranze geometriche, siamo di fronte a un oggetto che dal punto di vista puramente idrostatico ha una densit\u00e0 specifica che \u00e8 la met\u00e0 di quella dell’acqua. Significa che se sigillassimo ermeticamente quel pacco batterie e lo gettassimo nell’oceano, galleggerebbe come una zattera, con met\u00e0 del suo volume fieramente sopra la linea di galleggiamento.<\/p>\n\n\n\n
Questo ci dice che il vero incubo dei progettisti dell’automotive non \u00e8 una mera questione di gravit\u00e0, ma un immenso problema di geometria tridimensionale. Il vero limite delle batterie attuali non \u00e8 solo il peso, \u00e8 lo spazio. Mentre 45 litri di benzina occupano lo spazio di uno zainetto scolastico nascosto sotto i sedili posteriori, l’equivalente elettrico richiede un intero metro cubo di spazio utile. <\/p>\n\n\n\n
L’ingegnere dell’auto non sta solo lottando contro la bilancia; sta letteralmente implorando i millimetri per ridisegnare il telaio. \u00c8 questo il motivo per cui l’industria ha dovuto inventare l’architettura a skateboard (il pianale piatto e spesso) e per cui le auto elettriche moderne tendono a essere quasi tutte dei Crossover o dei SUV: serve spessore sotto i piedi dei passeggeri per alloggiare quel metro cubo di volume galleggiante, senza costringere i clienti a viaggiare con le ginocchia in bocca.<\/p>\n\n\n\n
Se il volume \u00e8 il vero nemico, come si risolve l’equazione? La risposta che l’intera industria sta inseguendo \u00e8 la batteria allo stato solido. Per capire il guadagno geometrico di questa tecnologia, dobbiamo guardare alla chimica interna. Nelle batterie attuali agli ioni di litio liquidi, un sacco di spazio \u00e8 sprecato dall’anodo in grafite. La grafite non produce energia; agisce solo come un enorme parcheggio atomico strutturale, necessario a ospitare gli ioni di litio quando la batteria \u00e8 carica per evitare che facciano danni. <\/p>\n\n\n\n
Sostituendo il liquido infiammabile con un sottilissimo elettrolita ceramico solido, la batteria diventa intrinsecamente sicura. Ma il vero miracolo \u00e8 che l’elettrolita solido \u00e8 cos\u00ec rigido da permettere di sfrattare la grafite, sostituendola con un microscopico film di litio metallico puro.<\/p>\n\n\n\n
Nelle batterie attuali, la densit\u00e0 energetica volumetrica reale si ferma a circa 300-350 Wh\/L (Wattora per litro) a livello di pacco finito. Lo stato solido promette di balzare a 700-800 Wh\/L. Tradotto in matematica spicciola: a parit\u00e0 di energia immagazzinata, lo stato solido riduce il volume del 50-60%.<\/p>\n\n\n\n
Riprendiamo il metro cubo della nostra Tesla Model 3. Oggi, con gli ioni di litio liquidi, 80 kWh occupano 1.000 litri (1 m\u00b3) e pesano 500 kg. Domani, con lo Stato Solido, gli stessi 80 kWh occuperanno appena 400-500 litri, ovvero meno di mezzo metro cubo. I progettisti non saranno pi\u00f9 costretti a rialzare i pianali delle vetture trasformando ogni berlina in un furgoncino. Quel mezzo metro cubo risparmiato consentir\u00e0 di abbassare il baricentro e restituire spazio ai bagagli. O, viceversa, mantenendo lo spazio di un metro cubo attuale, si potranno stipare 160 kWh, portando l’autonomia reale oltre i 1.000 chilometri.<\/p>\n\n\n\n
A questo punto la domanda sorge spontanea: se dimezziamo il volume, dimezzeremo anche il peso? Eh no, la fisica non fa sconti. Il peso si ridurr\u00e0 in modo significativo, ma non proporzionale, registrando un calo stimato tra il 25% e il 40%. Si crea cos\u00ec un altro bellissimo paradosso della materia: se lo stato solido comprime la batteria dimezzandone il volume ma togliendo solo un terzo del peso, significa che la densit\u00e0 specifica aumenta.<\/p>\n\n\n\n
Mentre l’attuale batteria liquida della Tesla galleggia a causa del suo enorme volume, la batteria allo stato solido del futuro affonder\u00e0 rapidamente come un sasso. Concentrer\u00e0 infatti circa 330 kg in meno di mezzo metro cubo, portando il peso specifico a circa 0,75 kg\/dm\u00b3. Sar\u00e0 ancora teoricamente pi\u00f9 leggera dell’acqua pura a livello di cella nuda, ma l’intero sistema scatolato superer\u00e0 la soglia idrostatica a causa delle piastre ceramiche.<\/p>\n\n\n\n
Perch\u00e9 il peso non crolla insieme al volume? Primo, l’addio alla grafite alleggerisce: la grafite costituisce circa il 30% del peso della cella attuale. Toglierla significa eliminare una zavorra enorme. Secondo, la ceramica penalizza: il liquido chimico rimosso \u00e8 leggero. Al suo posto viene inserito un elettrolita ceramico o vetroso che, per sua natura atomica, \u00e8 strutturalmente molto pi\u00f9 denso e compatto, ma anche pi\u00f9 pesante del fluido che sostituisce. Portarsi dietro 330 kg al posto di 500 kg significa comunque togliere quasi due quintali da un’auto. Una cura dimagrante che permetter\u00e0 di alleggerire di riflesso freni, sospensioni e strutture portanti, invertendo finalmente il trend dei “carri armati” stradali a cui ci ha abituato l’ultimo decennio.<\/p>\n\n\n\n
In conclusione, se vogliamo analizzare lo stato dell’arte con onest\u00e0 intellettuale, dobbiamo ammettere che l’auto elettrica non ha un problema di trazione. Il motore elettrico ha gi\u00e0 stravinto la sua sfida evolutiva contro il pistone nei libri di fisica. La vera partita si gioca ancora interamente nei laboratori di chimica dello stato solido. La vera rivoluzione della mobilit\u00e0 sostenibile non passer\u00e0 da un display pi\u00f9 grande in plancia, da un software di guida autonoma o da un alettone pi\u00f9 aerodinamico, ma dalla capacit\u00e0 dell’uomo di svincolarsi dagli ioni di litio liquidi per trovare il modo di stipare pi\u00f9 Joule in meno centimetri cubi. Comunque vada, la termodinamica continuer\u00e0 a guardarci sorniona dall’alto, ricordandoci che nell’universo non sono ammessi pasti gratis. Nemmeno se la spina \u00e8 verde.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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