Renzo Emili

I dispositivi di accumulo dell’energia sono caratterizzabili con i seguenti parametri:

1) Densità dell’energia massima accumulabile, esprimibile in Wh/kg;
2) Densità della potenza massima erogabile, esprimibile in W/kg;
3) Tempo necessario per i processi di carica e scarica.

Riportando l’energia specifica accumulabile e la potenza specifica erogabile su un sistema di assi cartesiani su scala logaritmica, come indicato nel grafico di fig.1, e tracciate

su questo stesso sistema le rette rappresentative di un medesimo tempo fisico di carica/scarica (Isotherms of characteristic time constant)), si possono circoscrivere le aree che caratterizzano i parametri di energia, potenza e tempi di carica/scarica tipici di ciascuna tipologia di dispositivo per l’accumulo dell’energia elettrica, ottenendo la cosiddetta Ragone chart.


Nel grafico di fig.1 sono posti a confronto i condensatori elettrolitici (electrolytic capactors), super capacitori,  batterie elettrochimiche e celle a combustibile (fuel cells: dispositivi elettrochimici che consentono di ottenere elettricità direttamente da sostanze come idrogeno e ossigeno).

In questo modo è possibile mettere a confronto le prestazioni di dispositivi molto diversi ai fini del loro impiego nei processi di mobilità. Infatti, in questi processi, oltre all’energia immagazzinabile nei dispositivi, è essenziale che questa stessa energia possa essere scaricabile rapidamente (potenza erogabile) e nello stesso tempo dovrà essere il più possibile breve il tempo di ricarica.

In particolare in fig.2 sono rappresentate le potenzialità delle diverse tipologie di batterie elettrochimiche poste a confronto rispetto ai condensatori elettrolitici e super capacitori. Si può osservare come la densità di energia sia abbastanza elevata per le diverse tipologie di batterie elettrochimiche (in particolare per quelle al litio) rispetto a quella cumulabile nei condensatori elettrolitici e nelle diverse famiglie di super capacitori. Al contrario gli ultra capacitori consentono più elevate potenze di scarica e tempi caratteristici di ricarica molto più brevi rispetto alle batterie (pochi secondi rispetto a 1-8 ore delle batterie).

Quest’ultima considerazione suggerisce la possibilità d’impiego combinato di questi dispositivi per avere :

a) Un elevato stoccaggio di energia ai fini di un sufficiente range del veicolo (Batteria);

b) Un elevato spunto di potenza ai fini di una sufficiente accelerazione del veicolo (Capacitore);

c) Un basso tempo di ricarica per recuperare e stoccare l’energia di frenatura (Capacitore).

Fig. 3

La ricerca in corso è quindi orientata a massimizzare questi citati parametri.

Nel grafico di fig.3 in colore verde è rappresentata l’area in cui si colloca un dispositivo tradizionale basato su un motore a combustione interna ICE “Internal Combustion Engine”. Di conseguenza l’obiettivo della ricerca (goal) è quello di poter avere  dispositivi elettrochimici che possano approssimare il più possibile quelli basati sui citati motori.
Nel grafico di fig.3 con le stelle in colore blu sono rappresentati i punti obiettivo oggi ritenuti sufficienti per rendere competitivi, in termini di prestazioni, batterie per impiego rispettivamente su veicoli EV (Electric Vehicles), HEV (Hybrid Electric Vehicles) e PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles).

EV: Veicoli equipaggiati con motore elettrico alimentato da batteria di trazione ricaricabile con prese d’energia di diversa tipologia (prese, pantografi, pattini, ecc.);

HEV: Veicoli ibridi equipaggiati con motore a combustione interna/generatore elettrico che eroga energia verso il sistema batteria/motore elettrico (denominato collegamento in serie), oppure, in alternativa, trazione esercitata distintamente o da motore a combustione o da motore elettrico alimentato da batteria (denominato collegamento in parallelo);

PHEV: Veicolo HEV che permette l’utilizzazione anche in semplice modalità EV.

Fig. 1

Fig. 2