Come usano i freni rigenerativi i diversi veicoli?
Artwork: Quanta energia risparmiano i freni rigenerativi? Dipende dal veicolo. I veicoli grandi e pesanti che si muovono rapidamente (come i treni elettrici) accumulano molta energia cinetica, quindi ottengono il miglior risparmio. Anche se pesano meno e vanno più lentamente, i camion per le consegne che si fermano e partono molto possono risparmiare molto. Le automobili variano in ciò che possono risparmiare da circa l’8-15 per cento (a seconda dell’auto e se sta guidando nel traffico cittadino o sull’autostrada aperta). Le biciclette elettriche sono leggere e vanno abbastanza lentamente, quindi i freni rigenerativi ottengono poco. Dati: Ho usato cifre medie tipiche da varie fonti per treni (https://goo.gl/J3hZXL), camion (https://goo.gl/6DRvY5), automobili (https://goo.gl/UglXby) e biciclette (https://goo.gl/N0w7X3)- ma si potrebbero trovare valori diversi altrove.
Diversi veicoli usano la frenata rigenerativa in modi diversi.
Auto e treni elettrici
Nelle auto elettriche e ibride, i freni rigenerativi caricano la batteria principale, estendendo effettivamente l’autonomia del veicolo tra una carica e l’altra. I treni elettrici, che sono alimentati da linee elettriche aeree o lungo i binari, funzionano in modo leggermente diverso. Invece di inviare l’energia di frenata nelle batterie, la restituiscono alla linea elettrica. Un tipico treno elettrico moderno può risparmiare circa il 15-20 per cento della sua energia usando i freni rigenerativi in questo modo. Alcuni veicoli usano banchi di supercapacitori per immagazzinare energia al posto delle batterie.
Biciclette elettriche
La maggior parte delle biciclette elettriche non hanno la frenata rigenerativa e guadagnano poco o nessun beneficio dall’usarla. Perché? Una bicicletta è un veicolo a bassa massa e bassa velocità, quindi spreca molta meno energia cinetica per fermarsi e ripartire rispetto a un’automobile o a un treno (un veicolo ad alta massa e alta velocità). La maggior parte dei ciclisti usa l’energia in modo molto efficiente andando per inerzia o a ruota libera fino a un punto morto, invece di schiacciare forte i freni, ogni volta che può. A meno che non stiate facendo un sacco di arresti e partenze e pedalando a velocità relativamente alte (se siete un fattorino, per esempio), l’energia che risparmiate con i freni rigenerativi su una bicicletta elettrica sarà minima.
Foto: Le biciclette elettriche generalmente non hanno freni rigenerativi: a meno che non si facciano molti arresti e partenze, non si può risparmiare abbastanza energia per renderli utili.
Infatti, i freni rigenerativi sulle biciclette possono effettivamente finire per usare più energia di quella che risparmiano. Per funzionare efficacemente, i veicoli con sistemi di frenata rigenerativa hanno bisogno di avere i loro motori elettrici (tipicamente i motori al mozzo sulle biciclette elettriche) permanentemente impegnati e funzionanti come motori o generatori per tutto il tempo.Questo va bene per un’auto elettrica, ma una bicicletta elettrica ha bisogno del suo motore solo per una parte del tempo: alcune volte si può tranquillamente costeggiare.Avere il motore impegnato tutto il tempo significa che la bicicletta può finire per usare molta più energia nel complesso, quindi i freni rigenerativi possono effettivamente finire per usare più energia di quella che risparmiano! Otis, uno dei principali produttori, ha introdotto il primo ascensore rigenerativo, ReGen™, nel 2011, sostenendo di risparmiare fino al 75% dell’energia normalmente utilizzata. Dove un normale ascensore spreca l’energia di frenata come calore, ReGen la restituisce al sistema di alimentazione dell’edificio.
Altri tipi di freni a risparmio energetico
Flywheels
I freni rigenerativi possono sembrare molto hi-tech, ma l’idea di avere “serbatoi di risparmio energetico” nelle macchine non è nuova. I motori usano dispositivi di accumulo di energia chiamati volani praticamente da quando sono stati inventati.
Foto: Il volano di metallo pesante attaccato a questo motore aiuta a mantenerlo in funzione ad una velocità costante. Si noti che la maggior parte della massa di metallo pesante del volano è concentrata intorno al suo bordo. Questo gli dà quello che si chiama un alto momento d’inerzia: ci vuole molta energia sia per farlo girare velocemente che per farlo rallentare. Questa macchina è una mostra nella sala dei motori del museo della scienza Think Tank a Birmingham, Inghilterra.
L’idea di base è che la parte rotante del motore incorpora una ruota con un cerchio di metallo molto pesante, e questo aziona qualsiasi macchina o dispositivo a cui il motore è collegato. Ci vuole molto più tempo per far girare un motore a volano ma, una volta che ha raggiunto la velocità, il volano immagazzina un’enorme quantità di energia di rotazione. Un pesante volano che gira è un po’ come un camion che va a velocità: ha un’enorme quantità di moto, quindi ci vuole molto tempo per fermarsi e cambiare la sua velocità richiede molto sforzo, il che può sembrare uno svantaggio, ma in realtà è molto utile. Se un motore (magari un motore a vapore alimentato da cilindri) fornisce potenza in modo irregolare, il volano compensa, assorbendo potenza extra e compensando le pause temporanee, così la macchina o l’attrezzatura a cui è collegato viene guidata in modo più regolare.
È facile vedere come un volano potrebbe essere usato per la frenata rigenerativa. In qualcosa come un autobus o un camion, si potrebbe avere un volano pesante che potrebbe essere inserito o disinserito dalla trasmissione in momenti diversi. L’inconveniente principale dell’uso dei volani nei veicoli in movimento è, naturalmente, il loro peso extra: vi fanno risparmiare energia immagazzinando la potenza che altrimenti sprechereste nei freni, ma vi costano anche energia perché dovete portarli in giro tutto il tempo.
Trasmissioni avanzate che incorporano volani hi-tech sono ora utilizzati come sistemi rigenerativi in cose come la formula-1 auto, dove sono tipicamente indicati come sistemi di recupero di energia cinetica (KERS).
Foto: Un volano magnetico sviluppato dalla NASA per applicazioni spaziali. Si noti, ancora una volta, come la maggior parte della massa è concentrata intorno al cerchio per ottenere un elevato momento d’inerzia. Foto per gentile concessione del NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Fluidi idraulici e gas compressi
Altri tipi di sistemi rigenerativi immagazzinano energia comprimendo un gas ogni volta che un veicolo frena – un po’ come una molla a gas in una sedia da ufficio immagazzina energia quando ci si siede sopra. L’energia può essere rilasciata e riutilizzata lasciando espandere il gas (in modo molto simile a come una sedia da ufficio rilascia energia quando si toglie il peso con la leva dell’ascensore sbloccata). Altri sistemi (incluso l’HydraulicPower Assist o HPA della Ford) immagazzinano l’energia di frenata pompando fluido idraulico in un serbatoio.
Chi ha inventato i freni rigenerativi?
Ora potrebbe sembrare incredibilmente all’avanguardia per auto e treni elettrici avere freni rigenerativi, ma un po’ di ricerca dimostra il contrario. Il più vecchio brevetto statunitense per un treno elettrico rigenerativo che posso trovare, US Patent 714,196: Sistema rigenerativo di Martin Kubierschky di Berlino, Germania, fu concesso nel 1902, e mirava a risparmiare un ottimistico 40 per cento del solito consumo di energia. Forse ci sono state versioni precedenti, ma non così tante: la tecnologia rigenerativa sembra risalire all’inizio del XX secolo. Si ritiene che il primo freno rigenerativo su un’auto sia stato sviluppato dal francese M.A. Darracq e dimostrato al Salon du Cycle Show di Parigi nel 1897.Proprio come un moderno sistema rigenerativo, restituiva l’energia di frenata alla batteria per estendere l’autonomia di guida dell’auto (che era di soli 48 km o 30 miglia), ma dichiarava un sorprendente risparmio del 30% di energia (circa tre volte tanto rispetto all’equivalente moderno).
A che serve?
Comunque funzionino, tutti i sistemi di frenata rigenerativa hanno una cosa in comune: ci aiutano a usare l’energia in modo più saggio. In a world where fuel is becoming ever morecostly, and environmental concerns are mountingby the day, that can only be a good thing!
