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Le batterie al piombo: efficienza e tipi

Posted in ambiente, auto elettriche, batterie, scooter elettrici by jumpjack on 21 novembre 2015

Ottima e completa disamina dell’effetto Peukert nelle batterie al piombo, a causa del quale hanno efficienza di appena il 60% sugli scooter elettrici, perchè scaricate a 1C o più:

http://bdbatteries.com/peukert.php

Una batteria al piombo “da 100Ah” viene etichettata come “da 100Ah” estraendone una corrente molto piccola, tale da farla scaricare in 20 ore, e pari a 5A; se la corrente viene aumentata a 10A, la batteria non si scaricherà in 10 ore ma, ad esempio, in 8; estraendo 20A non si scaricherà in 5 ore ma magari in 3, e così via, secondo un grafico di questo tipo (che varia un po’ da una batteria all’altra secondo marca, modello e tecnologia):

Si tratta in particolare del grafico per una batteria da 36Ah: si osserva che scaricata a 36A/1C dura mezz’ora, quindi di fatto a 1C fornisce 18Ah, ossia ha un’efficienza del 50%.

 

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Quest’altro link illustra in dettaglio le tecnologie usate per costruire le batteria al piombo:

  • Flooded Valve Regulated Lead Acid Batteries (VRLA) – da evitare su scooter elettrici, devono essere rabboccate con acqua distillata
  • Gelled Electrolyte Lead Acid Battery (GEL) – molto usate sugli scooter elettrici
  • Absorbed Glass Mat Battery Construction (AGM) – le più efficienti e durature… e costose

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Qui invece ho scoperto un effetto che non conoscevo: la sotto-ricarica delle batterie al piombo.

Se nel caricare una batteria al piombo non si arriva a riempirla al 100%, il solfato di piombo (PbSO4) che si era formato durante lo scaricamento rimane in parte depositato sugli elettrodi invece di ritrasformarsi in Piombo (Pb) e acido solforico (H2SO4); riscaricando la batteria e poi ripetendo sotto-ricariche più volte, il solfato che non viene ri-disciolto finisce per indurirsi, cosicchè quando alla fine si prova a ricaricare la batteria al 100%, il solfato non si scioglie più, quindi di fatto non è più possibile rimettere nella batteria il 100% della carica: si ha quindi una perdita di capacità.

Col tempo una perdita di capacità si avrebbe comunque, ma per altri motivi; questo è un fattore di invecchiamento in più, che può essere evitato con un uso corretto.

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Tutto sui metodi di ricarica delle batterie al piombo

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Altro effetto mai sentito prima: “coup-de-fouet”  (“colpo di frusta”) [1]

E’ un improvviso, lieve e breve ma inaspettato calo di tensione durante la scarica; il fenomeno si aggrava con gli anni, e si moltiplica su batterie a tensioni più alte di 12V, e può far “credere” all’elettronica che la batteria sia ormai scarica, anche se poco dopo la tensione risale al livello “giusto”.

Non si conoscono le cause del fenomeno.

(1) – IMPORTANT CONSIDERATIONS WHEN REDUCING THE RUN-TIMES
OF VRLA UPS BATTERIES – Mike Nispel

Quanto è utile la rigenerazione di energia in frenata sui mezzi elettrici?

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

Secondo varie fonti, la massima quantità di energia che può essere reimmessa nelle batterie rallentando o scendendo da una discesa non supera il 25% in condizioni ideali, ma può scendere fino all’8%, dipendendo da vari parametri tra cui anche il tipo di percorso e il tipo di trasmissione del veicolo.


“Regenerative braking is an effective approach to extend the driving range of EV and can save from 8% to as much as 25% of the total energy used by the vehicle, depending on the driving cycle and how it was driven.”

“Serial regenerative braking could give an increase of 15-30% in fuel efficiency; parallel regenerative braking could give an increase of 9-18% in fuel efficiency.”

http://www.mate.tue.nl/mate/pdfs/12673.pdf

Il regen “parallelo” si ha quando, premendo il pedale del freno, si attivano sia le ganasce tradizionali, sia, contemporaneamente,  la frenata elettronica; in quello seriale, invece, dapprima si ha solo la frenata elettronica, e successivamente, se essa non è sufficiente, interviene la frenata tradizionale a sommarsi a quella elettronica.

A pagina 5 di questa ricerca c’è un grafico che mostra i rendimenti di regen per veicoli che pesano dagli 800 kg in su, da cui ho estrapolato un grafico per stimare i valori nel caso di scooter, che pesano meno di 300 kg incluso il guidatore:

efficienza-recupero-regen2Nel mio grafico ho inserito due curve che potrebbero, a occhio, approssimare il prosieguo di quella basata sui dati (parte destra della curva, solo 5 valori).

La curva più in alto, benchè molto ottimistica e poco realistica, dice che per un piccolo scooter (90 kg + guidatore) il regen potrebbe arrivare al massimo all’8% (più realisticamente al 4%), per uno scooter grande (200 kg + guidatore) arriverebbe all’11% (7%), e per una minicar al 15% (13%), arrivando a stento al 30% sulla più pesante delle auto (1400 kg); in ogni caso, si nota un andamento asintotico che lascia supporre che anche su un mezzo di 10 tonnellate il regen non supererebbe il 35% dell’energia erogata dalle batterie. Il restante  65% (o 93% nel caso di uno scooter) dell’energia erogata dalle batterie viene assorbito dall’aria e dalla strada a causa dell’attrito.

In realtà la situazione per i mezzi leggeri è anche peggiore, perchè la suddetta figura 5 mostra come i valori di regen considerati nel mio grafico sono valori limite, validi solo per potenze da 10 kW in su, ma calano drasticamente per potenze inferiori, arrivando a un valore massimo del 17% per un mezzo di 800kg/10kW. Ipotizzerei un valore massimo del 10% per mezzi di meno di 300kg/5kW. Ciò comporterebbe curve ancora più basse nella parte sinistra del mio grafico, ergo efficienze di regen ancora minori.

Se però su uno scooter una batteria contiene al massimo 3 o 4000 Wh, su un auto si arriva a 20000, quindi nel caso di uno scooter si parla di risparmiare 200Wh, ma su un’auto si tratterebbe di 5000-6000 Wh.

Con 200 Wh uno scooter percoore 3-5 km (40-60 Wh/km), con 6000 Wh un’auto percorre 30-40 km (150-200 Wh/km).

In altre parole uno scooter con il regen ha un’autonomia di 5 km in più rispetto a uno senso, un’auto ha un’autonomia di 40 km in più rispetto a un’auto senza regen.

Da notare che la rigenerazione in frenata non richiede nessun componente aggiuntivo (quindi nessun peso aggiuntivo) nel caso di mezzi elettrici, in quanto è il motore stesso che, “in folle”, produce corrente; sulle auto a benzina, invece, è possibile installare sistemi di recupero a volano o ad aria compressa, che però richiedono un aumento di peso e quindi di consumi, oltre che di regen stesso.

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).