Auto solari

Summary

E’ questo un lavoro introduttivo sulle possibilità di affrancamento dai combustibili fossili dei mezzi di locomozione. L’auto ad energia solare è il sogno degli ecologisti e ambientalisti che immaginano l’auto funzionante con energia rinnovabile e con basso o nullo impatto ambientale. Esso contiene dei cenni storici riguardo l’evoluzione tecnologica di tali veicoli, considerando anche le competizioni a livello mondiale; una descrizione sommaria e il funzionamento di base di un’auto che utilizza l’energia solare; un’analisi semplice di costi e limiti di un tale tipo di tecnologia; cenni sullo stato attuale della ricerca e sulle possibili prospettive.

Un pò di storia

Negli anni ’80 compaiono i primi prototipi di auto ad energia solare, molto leggeri e monoposto, con praticità nulla dal punto di vista della motorizzazione generale. Quando Worden si interessò alla costruzione della sua prima auto solare Solectria non vi era alcun riferimento bibliografico che potesse essere di aiuto per poter costruire un tale veicolo.

Worden riding Solectria 1 http://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/solarEclipse.pdf

Alla fine degli anni 70, dopo le vicende della crisi energetica mondiale, Hans Thostrup ebbe l’ispirazione di questo nuovo tipo di mobilità pulita e realizzò la Quiet Achiever. Egli, insieme a Larry Perkins, guidò (nel 1983) il primo veicolo solare per 4052 chilometri fra Sydney e Perth in 20 giorni.

Quiet Achiever http://www.speedace.info/quiet_achiever_solar_car.htm

Di qui si arrivò quindi alla prima sfida solare del mondo, nel 1987, e su 23 concorrenti prevalse il GM Sunraycer completando il viaggio con una velocità media di 67 km/h. Questa gara, che ancora oggi si corre per circa 3.000 km attraverso il deserto australiano, e’ nata appunto nel 1987 e da allora costituisce un riferimento fondamentale dell’esperienza sui veicoli solari, il palcoscenico principale di tutta la ricerca applicata allo sfruttamento del sole anche per la copertura di grandi distanze. Il World Solar Challenge nasce da un’iniziativa proprio di Hans Thostrup, il pioniere danese nato nel 1944 che per primo circumnavigò l’Australia a bordo di una barca di 16 piedi. Già nel 1990 si presentò un numero maggiore di mezzi e con caratteristiche tecniche molto più avanzate rispetto al 1987. Il vincitore nel 1990 fu la squadra della scuola svizzera di ingegneria di Biel. Nell’anno 2005, Nuna III - che ha divorato i tremila chilometri in sole 29 ore e 11 minuti (contro le 30 e 54 minuti realizzati nel 2003) – si è classificata per la terza volta al primo posto nel WSC. Questa auto dal design avveniristico è stata costruita interamente da studenti olandesi (su 11, tre sono donne) dell’Università di Delf. Ha mantenuto una velocità media di oltre 95 chilometri l’ora.

Nuon Solar Team, Netherlands http://www.wsc.org.au/2005/competition/our.teams/Nuna.3/

Il World Solar Challenge dimostra che l'energia alternativa non è solo un'utopia ambientalista. Certamente, i prototipi della corsa hanno i loro limiti ma rappresentano anche una finestra sul futuro.

Come è fatta e come funziona un’auto solare?

In generale i prototipi di auto solare sono stai costruiti con una forma aerodinamica tale da ridurre la resistenza all'aria, con l'involucro esterno costruito con plastiche speciali per assicurarne la leggerezza senza comprometterne la robustezza. La superficie dell'auto è ricoperta di pannelli solari ad alta efficienza. I pannelli fotovoltaici disposti sulla superficie dell’auto convertono l’energia solare in energia elettrica che viene accumulata in batterie di vario tipo, che a loro volta vanno ad alimentare il motore elettrico. Quest’ultimo trasformerà l’energia elettrica in lavoro meccanico trasmesso alle ruote. Uno schema di massima è quello indicato in figura:

Model Solar Car System Block Diagram http://www.elec.canterbury.ac.nz

In soluzioni avanzate, sull'auto viene disposto un triplo strato di pannelli, in modo che la luce, e quindi l'energia, che oltrepassa il primo strato di celle può essere raccolta dal secondo o addirittura dal terzo strato. Inoltre sull’auto sono presenti piccoli dispositivi che garantiscono le migliori prestazioni dalla batteria e dai pannelli solari anche quando l'auto è all'ombra o quando il cielo è nuvoloso. Un opportuno dispositivo elettronico viene collegato a un pc di bordo, che tiene conto sia dell'erogazione di potenza da parte delle celle solari (che naturalmente dipende dalle condizioni meteorologiche), sia dell'erogazione dovuta alle batterie. In seguito a questo bilancio, il voltaggio con il quale le batterie vengono caricate attraverso le celle solari viene modificato per ottimizzare il rendimento. Tali veicoli possono raggiungere una velocità di circa 150 km/h e il loro peso è dell’ordine di 300 chilogrammi.

Costi e limiti

“Il petrolio ha un padrone, il sole no” (ha affermato Giorgio Nebbia, su “Liberazione” del 25 novembre 2004); tale affermazione rappresenta uno dei punti di partenza di tutti gli studi riguardanti l’affrancamento dai combustibili fossili dei mezzi di locomozione. L’auto esclusivamente solare rimane comunque ancora un sogno, in quanto dipende dal sole senza il quale … rimane ferma. Considerando il tempo medio giornaliero di utilizzo di un’auto e l’energia giornaliera media fornita dal sole, si può pensare ad un’auto che possa funzionare sfruttando l’energia solare, ma quali sono le difficoltà da risolvere?

1. I pannelli solari sono ingombranti e dovrebbero essere sempre orientati verso il sole, di conseguenza non possono essere installati su un’auto se non in misura assolutamente inadeguata, costosa e facilmente soggetta a danneggiamenti.
2. Possiamo sempre parcheggiare un’auto al sole?
3. Dove accumuliamo l’energia raccolta dai pannelli quando l’auto è ferma?

In un’intervista di Murianni (tratta dal periodico Newton), V. Naso, Ordinario di Sistemi energetici all' Università La Sapienza di Roma e presidente di Ises Italia (sezione italiana della International Solar Energy Society) a proposito delle auto solari come Nuna sostiene che c' è “un limite fisico che non permette di costruire macchine solari capaci di prestazioni "commerciali": di fatto non possono disporre di una potenza superiore a qualche kW. Fuori dall' atmosfera terrestre, il Sole fornisce una potenza inferiore a 1,4 kW per metro quadro. Nelle migliori condizioni, sulla Terra, possiamo sperare di disporre di 1 kW per metro quadro di pannelli solari. Ebbene, esagerando, un' automobile non può esporre al Sole una superficie maggiore di 10 metri quadrati, pena ingombri eccessivi. Quindi non si possono superare i 10 kW. Per muovere quelle specie di salotti tecnologici che sono le nostre auto attuali, oggi i motori hanno almeno 60 kW. Inoltre, nessuno è disposto a lasciare a casa l' auto ogni volta che piove o di notte. La sfida per la realizzazione di questo sogno si è concretizzata nel World Solar Challenge, al quale hanno partecipato ricercatori di tutto il mondo per gareggiare con auto sofisticatissime e costosissime che utilizzano tecnologie molto avanzate per ottenere pannelli solari ad alta efficienza, profili estremamente aerodinamici, materiali ultra leggeri. Sono state realizzate auto solari coperte di pannelli fotovoltaici che caricano accumulatori elettrici al piombo, al nichel-cadmio, al litio. Un professore dell'Università dell'Alabama, E. Passerini, prende le distanze dalle competizioni di auto solari dalla tecnologia estremamente sofisticata e dai costi esorbitanti (in genere auto che superano il costo di 150 mila euro). Passerini ha costruito diverse piccole auto solari, una delle quali nel 1996, "Canary II Z.E.V." (Zero Emission Vehicle), è costata solamente $ 7.000 (autonomia di 160 km, velocità di circa 65 km/h, 6 batterie da 12 volt, un peso di 408 kg. e posti per due persone ). Lo scopo reale di queste vetture non è quello di partecipare alle competizioni, ma di dimostrare che le auto solari possono essere utili ai normali spostamenti quotidiani. L'Europa è all'avanguardia nell'utilizzo di questa tecnologia per le auto, come dimostrano i recenti risultati del WSC.

A che punto è la ricerca?

Dal punto di vista dell'impatto ambientale il progresso fatto ed in via di applicazione è l'auto ibrida elettrica con motore a combustione interna, nella quale il motore viene fatto funzionare in condizioni ottimali riducendo l'inquinamento e producendo energia elettrica che, accumulata in batterie tampone, viene usata per la trazione.

Da un articolo di Repubblica di D. Sparisci, si legge “l'auto ibrida diventa ora anche solare”: una ditta americana ha appena annunciato che metterà in commercio un kit fotovoltaico da installare sul tetto della Prius, la berlina della Toyota, ormai divenuta un simbolo tra gli ecologisti di mezzo mondo.

http://www.repubblica.it/2005/l/motori/dicembre05/superprius/superprius.html

Con i pannelli solari l'auto, secondo i dati forniti dalla Solatec, guadagnerebbe un dieci per cento in più di autonomia. Dopo una prima fase di test su di un prototipo che ha circolato in diverse condizioni climatiche, i produttori hanno già fissato il prezzo del kit a 2.195 dollari. I pannelli da 30 watt, che tra le altre cose non rovinano nemmeno l'estetica, si attaccano con il nastro adesivo sul tetto e ricaricano le batterie del sistema ibrido attraverso uno speciale alimentatore, che smista i raggi catturati in sosta o durante la fase di marcia.

Una grande e promettente svolta si è avuta con la realizzazione delle celle a combustibile che sono in grado di fornire energia elettrica se alimentate con idrogeno e ossigeno e viceversa produrre idrogeno e ossigeno dall’acqua se alimentate con energia elettrica. Il loro rapporto peso potenza è anche molto basso. Il problema di queste celle è però il combustibile, che non potendo essere liquefatto, richiede contenitori robusti e pesanti nei quali essere conservato in alta pressione, ed inoltre il lavoro di pompe che lo immagazzinino in questi serbatoi, una volta che esso è stato prodotto con le celle a combustibile alimentate dai pannelli solari.

Le prospettive di sviluppo sono legate:

L’auto ad energia solare del futuro sarà probabilmente un’auto elettrica senza pannelli solari installati a bordo o con una dotazione che sopperisce solo a parte del fabbisogno. Funzionerà con celle a combustibile alimentate con prodotti non gassosi o facilmente liquefacibili e comunque disponibili lungo le strade presso normali distributori e rigenerabili dalla corrente fornita da pannelli fotovoltaici installati su tetti e terrazzi delle abitazioni.

References

Papers

http://www.repubblica.it/2005/l/motori/dicembre05/superprius/superprius.html
” La super Prius è fra noi Con i pannelli solari vola” (D. Sparisci)

http://www.repubblica.it/2005/l/motori/dicembre05/autosolare2005/autosolare2005.html
“Un'auto solare da usare in città Ecco la sfida della SolidWorks (V. Borgomeo)

http://www.repubblica.it/2005/i/motori/settembre05/solarchellenge05/solarchellenge05.html
“Al via la F 1 delle auto solari: Partita la Adelaide-Darwin ” (Repubblica)

http://www.repubblica.it/2004/j/motori/ottobre04/bibendumcina/bibendumcina.html
“Challenge Bibendum a Shanghai In Cina la corsa di auto ecologiche” ( S.Braccini)

http://www.repubblica.it/2004/g/motori/luglio04/corsasolari2/corsasolari2.html
“Auto solari in pista a Suzuka E' il Solarcar Race 2004” di (V.Borgomeo)

http://www.repubblica.it/2004/f/motori/giugno/nuna2initalia/nuna2initalia.html
“In Italia la Nuna 2 è l'auto solare più del veloce del mondo” (Repubblica)

http://www.repubblica.it/2003/l/motori/dicembre03/400kmfuelcell/400kmfuelcell.html
“Quattromila chilometri con un'auto a idrogeno” (Repubblica)

http://www.repubblica.it/2003/k/motori/novembre03/mgibrida/mgibrida.html
“L'auto ibrida diventa spider - Elettrico o a benzina, un computer sceglie autonomamente quale dei due propulsori usare” ( M. Caldera)

http://www.repubblica.it/online/cultura_scienze/macchina/macchina/macchina.html
“Settemila chilometri con auto a energia solare” (Repubblica)

http://www.repubblica.it/online/cultura_scienze/idrogeno/mondo/mondo.html
“E tra poco il mondo andrà a idrogeno” (Repubblica)

http://www.esa.int/esaCP/ESAHK2OED2D_Italy_0.html
“La nostra auto è spaziale” (ESA)

http://newton.corriere.it/Pregresso/2003/11/2003110100010.shtml
” Il veicolo del futuro che non guideremo mai ” M. Murianni

http://newton.corriere.it/PrimoPiano/News/2004/06_giugno/21/nuna.shtml
“Nuna2 in giro per l'Europa: 6500 km e neanche una goccia di benzina” (Newton)

http://newton.corriere.it/Pregresso/2002/03/2002030100002.shtml
“Idrogeno: è in arrivo l' energia pulita” M. Murianni

http://newton.corriere.it/PrimoPiano/News/2003/11_Novembre/19/numa2.shtml
“Nuna II batte tutti i record del World Solar Challenge” (Newton)

Books

Titolo: “The Leading Edge: Aerodynamic Design of Ultra-Streamlined Land Vehicles”
Autore: Goro Tamai
Editore: Bentley Publishers - Data di Pubblicazione: Aprile 2003
”The Leading Edge is the first book to summarize the design and construction issues of solar cars and ultralight land vehicles…”

Titolo: Cars (Transp)
Autore: Julie Richards
Autore aggiunto: June Loves
Editore: Chelsea House Publications - Data di Pubblicazione: Aprile 2001
”This series presents information about six different forms of transportation in a database format, linking information literacy with computer literacy…”

Titolo: More with Less: Paul MacCready and the Dream of Efficient Flight
Autore: Paul Ciotti
Editore: Encounter Books - Data di Pubblicazione: Settembre 2003
”In the 1970s a small group of unknown southern California visionaries, working independently on their whims and hobbies, developed an interest in lightweight, low-powered machines…”

Titolo: The Solar Car Book with Other
Prodotto da Klutz Press
Editore: Klutz - Data di Pubblicazione: Settembre 2001
”This book about solar power comes complete with a real solar-powered car to assemble…”

Link

http://www.ilsolea360gradi.it
Newsletter sull'energia solare e energie rinnovabili pubblicata da ISES Italia, sezione dell'International Solar Energy Society

http://www.futura2.it/cosae.htm
Associazione Futura

http://ing.univaq.it/energeti/research/Macchine/Scheda6.htm  
Dipartimento di Energetica dell'Università dell'Aquila

http://www.wsc.org.au/2005/
World Solar Challenge 2005

http://www.unisa.edu.au/solarcar/
University of South Australia

http://www.cdu.edu.au/solarcar/album.html
Fuji Xerox Desert Roses

http://web.mit.edu/solar-cars/www/noflash/index.html
”Solar electric vehicle team”

http://www.americansolarchallenge.org/
North American Solar Challenge

http://www.und.nodak.edu/org/sea/
Society for Energy Alternatives

http://www.prin.edu/solar/
The Principia Solar Car Team

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