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Batterie al litio a stato solido

Posted in auto elettriche, batterie by jumpjack on 27 agosto 2018

Ultimamente si sente parecchio parlare di batterie al litio a stato solido, e di svariati milioni di dollari investiti da varie aziende sulla loro ricerca e sviluppo; queste batterie occuperebbero infatti metà spazio (e metà peso) di quelle attuali, scatenando quindi una vera rivoluzione nella mobilità elettrica, quanto lo ha fatto l’introduzione delle Li-NCM da 250 Wh/kg al posto delle LiFePO4 da 100 Wh/kg.

Ecco un interessante grafico riassuntivo delle capacità gravimetriche e volumetriche di varie tecnologie  attualmente esistenti (a livello di cella; dentro una batteria le densità diminuiscono per la presenza di separatori, condizionatori, elettronica,…):

Fonte: https://www.researchgate.net/publication/320425585

Ecco una ricerca recentissima (2018) che descrive molto tecnicamente come sono fatte e funzionano (o funzioneranno) le  batterie al litio a elettrolita solido (Solid State Electrolite – SSE, o Solid State Battery – SSB), di cui esistono molteplici varianti, ma per ora tutte soltanto a livello di laboratorio: A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies – Andrew Ulvestad

Le uniche fuori dal laboratorio sono installate sulle auto elettriche Bollorè, ma hanno la densità gravimetrica delle LiFePO4 (100 Wh/kg) e devono lavorare a 80 °C.

La ricerca non parla però della nuova tecnologia inventata dal prof. Goodenough, inventore delle batterie al litio 30 anni fa, che ora (nel 2017), alla tenera età di 94 anni, le ha “perfezionate” inventando quelle a elettrolita solido vetroso.

In genere se una tecnologia per le batterie funziona, ci vuole una decina d’anni perchè arrivi sul mercato delle auto elettriche, forse qualcuno in meno perchè arrivi sui modellini telecomandati, più sacrificabili, e sui cellulari, perchè tanto la gente li comprerebbe anche se funzionassero a nitroglicerina…

Quindi non resta che aspettare, e intanto ringraziare questo simpatico vecchietto se la rivoluzione della mobilità elettrica è diventata possibile.

Prof. Goodenough

 

 

Diario elettrico Zem Star 45 – 26 aprile 2016: capitolo finale, la rottamazione

Posted in scooter elettrici by jumpjack on 25 aprile 2016

Zem Star 45 parcheggiato

Il 16 aprile 2011 iniziava la mia avventura nel mondo degli scooter elettrici, con l’acquisto di uno “Star 45” da 1500W della Zem s.r.l., azienda oggi non più esistente (come tante aziende che in questi 5 anni hanno provato a immettere scooter elettrici sul mercato italiano…), il cui sito è visionabile solo nel “museo storico” di internet.


Pagato 3300 euro con due batterie (contro i 4300 euro di listino) il 16 aprile 2011, immatricolato dal venditore il 26 aprile, andava su strada per la prima volta il 29 aprile; il mio “diario di bordo” iniziava il 3 maggio 2011. Dovetti letteralmente supplicare il venditore di vendermelo, perchè non voleva saperne: aveva in progetto di vendere solo a noleggiatori! E pensare che avrebbe potuto avere un mercato enorme: gli Zem (Star 45  e Smash 54) erano i primi scooter elettrici di nuova generazione venduti a Roma! Dotato di 2 batterie estraibili al litio, per un totale di 2880 Wh, coi suoi consumi di 35 Wh/km poteva vantare un’autonomia reale di 80 km; in precedenza, nei primi anni 2000, la capitale aveva visto entrare sul mercato diversi scooter elettrici di prima generazione: il Piaggio Zip, il Peugeot Scoot’elec, il Malaguti Ciak, l’Oxygen Lepton… tutte “lumache” al piombo, con autonomia pubblicizzata di 50 km e vita utile di 20.000 km…. mentre in situazioni reali arrivavano al massimo a 25-30 km, e le batterie duravano 8000 km (10.000 se le trattavi bene… facendo 10 km prima di ricaricare!) Senza contare che andavano da 0 a 50 km/h in 10-15 secondi.

Oggi qualunque scooter elettrico ha batterie al litio, autonomia reale minima di 50 km (media di 70, alcuni modelli arrivano a 100 e persino 120), durata delle batterie di 1000 cicli (quindi da 50.000 a 120.000 km!), e moltissimi ormai hanno batterie estraibili. Oggi come oggi solo i ciclomotori, che hanno batterie piccole; ma ormai le celle Panasonic NCR18650 hanno raggiunto il prezzo di 400 Euro/kWh, e pesano 1/3 delle LiFePo4 (250 Wh/kg contro 90) e occupano 1/4 dello spazio (730 Wh/l contro 200); quindi anche una batteria da 5 kWh oggi potrebbe essere estraibile, in quanto peserebbe quanto le due batterie dello Zem Star 45… e sarebbe grande quanto UNA!


Ne è passata di acqua sotto i ponti: all’epoca dell’acquisto, ecco a che razza di test sottoponevo, ignaro, le mie povere batterie!

Batteria completamente piena, spremuta fino all’ultima goccia. Passeggero di 75 chili. Strada asciutta. Fari spenti.

Percorso totale: 50,8 km.

(contachilometri di bordo; effettivi: 43)

Questo con una batteria da 24Ah! Oggi so che da una batteria da 60V/24Ah non si possono pretendere, senza rovinarla, più di 30km (Ah moltiplicato 1.2).

La batteria era composta da 96 celle organizzate in 16 paralleli in serie di 6 celle ciascuna, quindi una 16s6p; le celle non riportavano nessuna dicitura, ma essendo cilindriche (con fattore di forma 26650):

Batteria Zem Star 45 60V/24Ah li-ion LiCoO2 estraibile - 16S6P

Batteria Zem Star 45 60V/24Ah li-ion LiCoO2 estraibile – 16S6P

Celle “anonime” a confronto con 26650 A123 (dimensioni identiche, ma distorte dalla prospettiva):

Dimensioni batteria:

  • 37,5 x 8 x 26,5 (senza manico e rotelle)
  • 48 x 8 x 26,5 con manico e rotelle (dimensioni vano batteria singola)
  • 48 x 16 x 26,5 (dimensioni totali vano batterie)
  • Peso: 10 kg
  • Capacità: 60V/24Ah/1440 Wh
  • Volume: 8 litri
  • Densità gravimetrica: 144 Wh/kg
  • Densità volumetrica: 180 Wh/L
  • Cicli: 300-500

Post utili:

Solo oggi, dopo 5 anni, riesco ad apprezzare una particolarità di questa batteria: il fatto che avesse un unico connettore, sia per la carica che per la scarica. Tutti gli altri scooter elettrici che ho visto ne avevano 2 separati.

Oggi sono arrivato alla conclusione che questa batteria avesse la particolarità di supportarela frenata rigenerativa, in cui l’energia va dalle ruote alla batteria invece del contrario.

Purtroppo però aveva anche un lato negativo: non era LiFePO4 come quelle di oggi, ma era targata semplicemente “li-ion”, e credo che fosse una LiCoO2: stessa chimica (piuttosto pericolosa) delle LiPo da modellismo, ma un po’ più sicura avendo celle cilindriche rigide in alluminio, invece che morbide a sacchetto. Ma il vero problema è che duravano poco: dai 300 ai 500 cicli, contro gli almeno 1000 delle LiFePo odierne!

In realtà le batterie cedettero ben prima di 300 cicli: a novembre 2011, dopo appena 7 mesi dall’acquisto, non era più possibile circolare con una singola batteria… cosa che, però, era proprio l’origine del problema! Il manuale dello scooter raccomandava di non usare MAI le due batterie insieme, in parallelo, ma solo una per volta! Solo che così ogni batteria doveva erogare 1C continuo con picchi (forse) di 1.5 o 2C… almeno in modalità normale; lo scooter aveva però anche una modalità “turbo”, in cui la velocità era limitata a 45 km/h invece che 60, ma l’accelerazione in partenza era molto più bruciante… quindi le batterie erano molto più sollecitate. E per una svista del meccanico, avevo viaggiato per 2 mesi, senza saperlo, con lo scooter in modalità turbo…

Decisi così di iniziare a utilizzare lo scooter con le due batterie sempre in parallelo; riuscii così a guadagnare parecchi mesi prima di dover comprare una nuova batteria a settembre del 2012, quindi 1 anno e mezzo dopo l’acquisto dello scooter; alla fine però dovetti comprarla, pagandola 500 euro come prezzo di favore invece di 650, essendo forse l’unico cliente privato di lunga data… Il prezzo totale dello scooter diventò quindi 3800 euro.

Secondo i miei calcoli, 3800 euro si recuperano percorrendo 38000 km (non considerando il costo della corrente, ma solo il risparmio in benzina). Purtroppo non so quanto di preciso ho percorso con lo Zem, essendosi rotto il contachilometri: a spanne, però avendolo usato per 4 anni per fare tutti i giorni lavorativi 18 km, considerando complessivamente 6 mesi di “fermo macchina” per i vari guasti, direi che ho percorso circa 17000 km “di base”; a questi si aggiungono altri km, visto che usavo lo scooter praticamente per andare ovunque; non sono sicuramente arrivato a 38000 km, ma penso di aver raggiunto almeno i 25000 tra una cosa e l’altra. Significa quindi 2500 euro di benzina, a fronte di 3800 euro spesi per lo scooter; i 1300 euro che restano (che sarebbero stati 800 se avessi saputo come trattare le batterie…) sarebbero il prezzo che mi è effettivamente costato lo scooter.

Volendo conteggiare anche la  corrente, considerando 0,16 euro/kWh e 0,035 kWh/km, risulta un costo di 0,035 KWh/km * 0,16 euro/kWh = 0.0056 euro/km, che per 25000 fa la “bellezza” di 150 euro di corrente! 🙂

Quindi:

  • 3300 euro di scooter
  • 2500 euro risparmiati in benzina
  • 140 euro spesi in corrente

Totale costo effettivo scooter: 940 euro (1440 con la batteria aggiuntiva).

A questo costo andrebbero aggiunti i costi dei vari caricabatterie cambiati: non tutti i QUINDICI che si sono bruciati me li hanno cambiati in garanzia, 3 o 4 me li sono pagati da solo (mi pare 60 euro l’uno).

Ignoti i motivi di questo tasso di mortalità; unico sospettato: lo scintillone a ogni connessione/sconnessione della batteria al caricabatterie; forse evitabile con una resistenza di precarico. Che forse installerò nell’ecojumbo.


In questi anni non ho mai dovuto pagare il bollo, trattandosi di un mezzo elettrico. A partire dal 26 aprile 2016 dovrei iniziare a pagare annualmente 18,44 euro, come calcolabile sul sito ACI immettendo semplicemente la targa.

In realtà lo scooter è ormai stabilmente fermo nel parcheggio da un anno, cioè da quando ho acquistato un Ecojumbo 5000 usato per 1000 euro. Il diario di bordo dell’Ecojumbo inizia il 25 luglio 2014.

Dovrei pensare a rottamarlo… ma mi mettono pensiero i costi: 50 euro? 100? 150? Il passaggio dell’ecojumbo di proprietà mi è costato 180….

Così ho iniziato a informarmi; ecco qualche sito utile:

Teoria:

 

Pratica (a Roma):

 

Documenti necessari:

  • Carta di circolazione
  • Certificato di proprietà
  • Fotocopia del documento d’identità del proprietario
  • Targa del motociclo

 

Note importanti:

  • “non è possibile organizzare una demolizione “in proprio”. Alla consegna del veicolo, i centri di raccolta (demolitori autorizzati), tra l’altro, devono rilasciare al proprietario un certificato che riporta la data di consegna”
  • Se la radiazione avviene nel primo mese del periodo d’imposta, il proprietario non è tenuto al pagamento del bollo auto per quell’anno“. Quindi ho tempo fino a fine maggio 2016 per organizzarmi per la rottamazione… e per trovare un “sostituto” dello scooter, che al momento funge da colonnina di ricarica! Nel vano sottosella, infatti, risiedono stabilmente da quasi due anni i due caricabatterie, al riparo da vento e pioggia, ma al tempo stesso ben ventilati grazie alle varie aperture che ho fatto nel vano, ma che sono comunque protette dalle plastiche dello scooter.

Adesso dovrò comprare un costoso armadio elettrico! E dovrò fare i conti con  pioggia e ventilazione: i CB devono essere protetti dall’acqua ma avere un ottimo ricambio d’aria… motivo per cui finora li avevo tenuti nello scooter invece di impazzire a trovare un mobiletto.

 

 

Quanto consuma un’auto a benzina, una a diesel, una a idrogeno, una elettrica,…?

Posted in ambiente, auto elettriche, scooter elettrici by jumpjack on 14 luglio 2013

Ecco un’interessantissima tabella che risponde a questa domanda per ben 33 motorizzazioni diverse!

Consumi

Tratta da questa chilometrica ma interessantissima tesi (p.111):

http://itee.uq.edu.au/~serl/_pamvec/PhD_Thesis_AGS_050420.pdf

Può essere utile affiancargli la tabella delle densità gravimetriche (energia/peso) e volumetriche (energia/volume) di p.21:

Densità energetiche

Notare come l’altissima densità energetica della benzina (ULP = UnLeaded Petrol = Benzina senza piombo)  (37300 MJ/kg, cioè 10400 Wh/kg), di fatto è come se fosse molto più bassa, perchè in un motore a benzina, diesel, GPL o altri idrocarburi l’energia del carburante può essere sfruttata al massimo per un 28% (quinta colonna della prima tabella), il che significa che meno di un terzo dell’energia contenuta nel carburante viene utilizzato per muovere l’auto, il resto si disperde in calore; come dire che ogni volta che si mettono 50 euro di carburante, 33 se ne vanno letteralmente in fumo, mentre 17 servono a far muovere la macchina! E questo nel caso dei carburanti migliori, tipo il diesel, ma il rendimento può scendere fino al 23%, arrivando a farci buttare 38 euro per ogni pieno da 50 euro!

Nel caso dell’auto elettrica, l’efficienza del “carburante”, cioè della batteria, è del 90% come minimo, e fa sì che su 50 euro, appena 5 euro vadano sprecati, e 45 vengano effettivamente utilizzati per muovere la macchina.

Per un’ibrida i “soldi buttati” sono intorno ai 35 euro su 50, quindi simile alle auto diesel.

Ma non è tutto: fin qui abbiamo parlato  di valori MASSIMI; in realtà, il rendimento varia molto anche in base al tipo di percorso, e può scendere fino al tristissimo livello del 9% in una città trafficata (ciclo NYCC): come dire che dei nostri 50 euro ne buttiamo 45! In questo tipo di situazione, un’auto elettrica mantiene comunque un’efficienza del 49% (93% * 53%). Questi ultimi dati si evincono da quest’altra tabella:

efficienze

Per qualche motivo in questa tabella le efficienze a volte sono ragruppate (solo “engine” per le auto con motore a scoppio) o separate (batteria, motore+elettronica nell’elettrica; batteria, cella a combustibile e motore+controller nelle ibride). Perchè i dati siano confrontabili bisogna quindi “accorpare” i rendimenti, cioè moltiplicarli tra loro: 44%, 95% e 65% si possono esprimere come 0,44 , 0,95 e 0,65, che “accorpati” danno 0,44*0,95*0,65=0,27, cioè 27%: il rendimento di un’auto ibrida a celle a combustibile.

Gli acronimi:

ICV = Internal Combustion Vehicle – Veicolo con motore a combustione interna, cioè motore a scoppio.

PHEV: Parallel Hybrid Electric – Ibrido parallelo (motore elettrico e a benzina entrambi collegati alle ruote) . In alcuni testi pare però che con PHEV si intenda Plugin Hybrid Electric, intendendo gli ibridi che si possono ricaricare anche dalla presa di corrente.

SHEV:Serial Hybrid Electric – Ibrido seriale (motore a benzina funzionante solo come generatore, mai collegato alle ruote)

FCEV: Fuel Cell Eletric – solo celle a combustibile, che alimentano direttamente il motore

FCHEV: Fuel Cell Hybrid Electric – celle a combustibile + batteria

BEV: Battery Electric – solo batteria

Un altro dato interessante che si evince dall’ultima colonna della prima tabella, è che un’auto a GPL (LPG) consuma solo poco meno di una a benzina (2,69 MJ/km contro 2,78), ma più di una diesel, che richiede 2,25 MJ=km. In questo caso però entrano in gioco i prezzi molto diversi tra GPL e Benzina/Diesel.

I dati sono però da verificare perchè a prima vista sembrano corrispondere a consumi eccessivi (2,69 MJ/km significherebbe 9 km/Litro o 21 mpg).

Ecco un grafico che mostra l’evoluzione dei consumi delle auto negli anni, espressi in miglia per gallone (15 mpg= 6 km/L, 33 mpg = 14 km/L):

fuel-economy-history

http://www.pewenvironment.org/uploadedFiles/PEG/Publications/Fact_Sheet/History%20of%20Fuel%20Economy%20Clean%20Energy%20Factsheet.pdf

 

Il grafico dice che il consumo medio si assesta sui 33 MPG, che corrispondono a 14 km/L; considerando i 7000 Wh/L della benzina, significa 7000/14 = 583 Wh/km, che corrispondono a circa 2,10 MJ/km, mentre ai 2,69 MJ/km della tabella corrispondono 747 Wh/km o 9,37 km/L, cioè 21 MPG, che stando al grafico soprastante corrisponderebbe ai consumi di un’auto degli anni ’80 o di un moderno SUV.

 

Mettiamo vicini tutti i numeri per averli a portata di mano.

Benzina:

  • 7000 Wh/litro
  • 2,78 MJ/km ==> 772 Wh/km
  • 1,85 Euro/litro
  • 7000 Wh/L  /  772 Wh/km  = 9 km/L
  • 1,85 Euro/L  / 9 km/L  = 0,21 Euro/km

 

Diesel:

  • 8000 Wh/Litro
  • 2,24 MJ/km ==> 622 Wh/km
  • 1,75 Euro/litro
  • 8000/622 = 12,8 km/L
  • 1,75 / 12,8 = 0,14 Euro/km

 

GPL:

  • 4600 Wh/Litro
  • 2,69 MJ/km ==> 747 Wh/km
  • 0,65 Euro/litro
  • 4600/747 = 6,15 km/L
  • 0,65/6,15 = 0,10 Euro/km

 

Anche con i dati di consumo di 20 anni fa è evidente la convenienza economica del GPL su Diesel e Benzina, mentre a livello di inquinamento il GPL risulta peggiore (ma, come detto, forse si tratta di dati vecchi).