Il gruppo Smart Cities del Media Laboratory del MIT ha sviluppato mezzi elettrici di nuova concezione per una mobilità urbana sostenibile.
di William J. Mitchell
Una tipica automobile Americana ha un peso pari a venti volte quello del suo conducente. Sebbene una comoda poltrona occupi appena mezzo m2, un’auto parcheggiata ne occupa 10 di suolo pubblico. Oltretutto un’auto rimane parcheggiata l’80 per cento del tempo, occupando uno spazio che potrebbe essere sfruttato in modo migliore, ma anche incorporando tanta energia inutilizzata.
Sebbene i limiti di velocità urbani si aggirino intorno ai 30, 50 km orari, l’auto è progettata per velocità superiori ai 160 km orari. Le distanze urbane sono nell’ordine delle decine di km, le automobili sono capaci di autonomie pari a 500 km. E, ovviamente, l’automobile è alimentata a benzina, una risorsa non rinnovabile in rapida diminuzione che comporta l’emissione di gas a effetto serra. Non è mia intenzione demonizzare i designer o le case automobilistiche per la loro promozione di mezzi dotati di caratteristiche superiori alle esigenze. Siamo giunti a questo punto dopo un processo evolutivo durato un secolo e influenzato da molteplici fattori sociali, politici ed economici. Desidero però sostenere la necessità di un cambiamento radicale. Dovremmo prendere questo periodo di crisi economica come opportunità per reinventare da capo la mobilità urbana personale. Possiamo e dovremmo creare sistemi capaci di fornire servizi mobili di alto livello pur minimizzando il consumo energetico e supportando il passaggio su larga scala a risorse rinnovabili più pulite e locali. Veicoli elettrici leggeri e intelligenti costituirebbero una parte fondamentale di questo sistema. Sarebbero quindi necessarie infrastrutture adibite alla loro ricarica. Costituirebbe un terzo punto l’integrazione di questi veicoli e delle loro infrastrutture di ricarica con reti elettriche sufficientemente intelligenti da renderle compatibili con le fonti energetiche rinnovabili e pulite seppur intermittenti.
Per finire, sarebbe necessario un sistema di controllo e calcolo capace di monitorare in tempo reale le condizioni del contesto, processare grandi quantità di informazioni, identificare soluzioni ottimali al variare delle richieste e delle condizioni e controllare le operazioni complessive di gestione della mobilità.
La bicicletta elettrica GreenWheel
Il più logico punto di partenza per la creazione di simili sistemi è la bicicletta. Si tratta di un tipo di veicolo estremamente elegante ed efficiente e con un impatto ambientale trascurabile. Purtroppo la bicicletta è penalizzata da limitazioni altrettanto ovvie. Non è adatta a cattive condizioni meteorologiche. In molti contesti urbani i percorsi e le strade non ne garantiscono la praticità o la sicurezza. è ideale per tutte le persone in salute ma non altrettanto valido, specialmente in climi caldi o paesaggi collinari, per persone fisicamente debilitate. Ciononostante è oggi possibile equipaggiare le biciclette con sofisticati sistemi elettrici di assistenza, caratteristica che ne ha esteso l’utilità e l’appeal.
Le biciclette elettricamente assistite non sono una nuova idea e, infatti, ne vengono vendute decine di milioni ogni anno in Cina. Ma lo sviluppo e l’unione di svariate nuove tecnologie ha recentemente aperto la strada a nuovi validi approcci di design. La GreenWheel, sviluppata da parte del gruppo Smart Cities del Media Laboratory presso il MIT, ne è una dimostrazione. La GreenWheel non è altro che un fulcro modulare compatto capace di fornire assistenza elettrica e rigenerarsi in frenata, e munito di batterie agli ioni di litio. Le dimensioni e la calibratura sono concepite per minimizzare le masse in movimento, così da non influenzare le dinamiche di marcia.
Le GreenWheel sono concentrate meccanicamente ed elettricamente al fine di poter essere adattate a qualunque bicicletta. Non necessitano di una riprogettazione della bicicletta, dell’acquisto e dell’installazione di complessi kit o dell’acquisto di una nuova bicicletta.
è sufficiente rimuovere la ruota posteriore e sostituirla con una GreenWheel. Pertanto le GreenWheel forniscono uno strumento semplice, rapido ed economico per l’evoluzione della vasta gamma di biciclette esistente al mondo e costituiscono una opportunità per incrementare la funzionalità dei modelli circolanti. L’introduzione delle GreenWheel costituisce un primo passo verso la creazione di una flotta urbana di veicoli elettrici per la mobilità urbana personale. La tecnologia è semplice e con bassi rischi e costi. I privati possono acquistare personalmente le GreenWheel, mentre i commercianti e le agenzie governative possono incoraggiare il gradimento dei consumatori mettendo a disposizione le rastrelliere per laricarica.
Lo scooter elettrico pieghevole RoboScooter
In molte città del mondo, gli scooter costituiscono il mezzo di trasporto personale più economico. Sono semplici da realizzare e manovrare e forniscono velocità e capacità di carico superiori a quelle delle biciclette. I loro ingombri su strada e da fermi sono minimi in quanto di poco superiori a quelli di una bicicletta; non comportano quindi la necessità di larghe corsie come per le automobili e possono essere parcheggiati (spesso anche dove non consentito) in spazi molto ristretti che non potrebbero ospitare automobili. Forniscono una protezione dagli incidenti leggermente superiore alle biciclette, nulla in confronto a quella garantita da un’automobile. Inoltre gli scooter alimentati a benzina costituiscono una fonte primaria di inquinamento acustico e atmosferico. Lo scooter elettrico pieghevole RoboScooter, sviluppato dal gruppo Smart Cities, massimizza i vantaggi di uno scooter pur riducendo alcuni dei suoi svantaggi. Si avvale di motori elettrici incorporati nella ruota, batterie agli ioni di litio e un telaio in alluminio pressofuso. Per ridurre il suo ingombro quando parcheggiato, che costituisce una componente chiave in molti contesti dove lo scooter è particolarmente diffuso, si ripiega in una configurazione molto compatta. Dove lo spazio per i parcheggi non costituisce un problema è possibile optare per un modello non pieghevole.
I RoboScooter sono concepiti per avere la stessa funzionalità di un modello a benzina da 50 cc. Eppure, sono ecologici, silenziosi e occupano meno spazio nei parcheggi. Sono anche molto più semplici in quanto costituiti da 150 parti, contro le 1.000, 1.500 parti di un equivalente modello a benzina, il che semplifica la fase di assemblaggio, i costi del veicolo e la manutenzione. I RoboScooter possono essere ricaricati al pari delle GreenWheel attraverso una rastrelliera. Inoltre il loro blocco batterie è sufficientemente piccolo da poter essere facilmente rimosso.
Questo ne consente la sostituzione con batterie di riserva caricate personalmente a casa dal consumatore o acquistate presso un distributore adibito anche alla raccolta delle batterie scariche.
Lo sccoter elettrico pieghevole RoboScooter sviluppato dal gruppo Smart Cities del MIT.
L’auto elettrica CityCar, sviluppata a livello di prototipo dal gruppo Smart Cities del MIT.
L’auto elettrica CityCar
L’auto elettrica City Car, sviluppata e costruita a livello di prototipi da Smart Cities, è concepita per rispondere alla necessità di trasporti coperti e offrire una protezione dalle condizioni atmosferiche, un ambiente confortevole e climatizzato, un bagagliaio sicuro e la protezione in caso di incidenti. Il tutto nella maniera più pulita ed economica possibile. Pesa meno di 500 kg, quando parcheggiata occupa meno spazio di una Smart e dovrebbe avere un’autonomia paragonabile a 150-200 miglia per gallone di gasolio.
La struttura della CityCar è radicale. Essendo elettrica non emette gas di scarico. Non dispone di un motore centrale o di una trasmissione tradizionale, bensì di quattro motori elettrici montati all’interno delle ruote. Ciascuna ruota contiene un motore (che consente anche la ricarica in frenata), sterzo e sospensione, ed è controllata da un sistema digitale indipendente. Questo consente manovre quali la rotazione della vettura sul proprio asse (la vettura può effettuare curve a O anziché solo a U), lo spostamento laterale per parcheggiare e il cambio di corsia senza cambio di direzione.
La redistribuzione degli ingombri consente alla CityCar di piegarsi per ridurre l’ingombro a terra quando la vettura viene parcheggiata e fornire l’accesso e l’uscita frontali (grazie all’assenza di un motore frontale). Questo cambia sensibilmente il suo rapporto con strade e città.
Può essere parcheggiata volgendo l’anteriore verso il marciapiede in uno spazio inferiore alla larghezza di un posteggio tradizionale e può essere allineata molto efficacemente ad altre CityCar. è possibile parcheggiare fino a quattro CityCar nello spazio riservato a una sola auto tradizionale. Il compartimento frontale è riservato ai passeggeri mentre quello posteriore offre spazio in abbondanza per valigie, alimenti e quant’altro. Quando una CityCar si piega il bagagliaio rimane livellato e basso per favorire l’accesso.
Le CityCar ospitano due passeggeri, il che risponde ai requisiti per la maggior parte dei viaggi urbani. Sono concepite per viaggi intra-urbani, che siano sufficientemente brevi da favorire molteplici occasioni per ricaricare le batterie. Questo le rende compatibili agli attuali o futuri modelli di batterie. Non sono concepite per viaggi extra-urbani, per i quali sono necessari caratteristiche e tecnologie differenti. Nel complesso, le CityCar sono più piccole e semplici delle automobili tradizionali e, in principio, molto più economiche da realizzare. Gran parte della complessità meccanica è incorporata nelle ruote. Queste possono essere studiate per essere compatibili con più telai e il loro costo può essere abbattuto tramite la
competizione e l’innovazione, come si è visto per i disk drive dei personal computer.
Le batterie agli ioni di litio sono collocate nel pianale della CityCar, che offre molto spazio, mantiene basso il baricentro della vettura e favorisce il raffreddamento. La ricarica può essere effettuata senza costo di infrastrutture da casa o tramite impianti di ricarica installati nei parcheggi pubblici. è particolarmente interessante l’ipotesi di offrire la ricarica automatica nei parcheggi, paragonabile alla ricarica di uno spazzolino elettrico nel suo supporto. Questo estende il principio della rastrelliera già presentato nei casi della GreenWheel e del RoboScooter.
Le strutture di ricarica
Ovviamente i veicoli elettrici a batteria hanno una autonomia limitata e, a causa della densità energetica relativamente bassa delle batterie, l’autonomia tende a essere assai inferiore a quella dei veicoli a benzina. Oltretutto, solitamente la ricarica delle batterie richiede molto più tempo rispetto al riempimento di un serbatoio di benzina.
Un problema associato è quello dell’«ansia da autonomia», la preoccupazione dei conducenti di esaurire la carica e ritrovarsi fermi a bordo della strada. Le strutture di ricarica devono essere studiate per far fronte a questi problemi. La strategia varierà a seconda del tipo di veicolo. I problemi sono minimi con le GreenWheel e altre bici elettriche. Il consumo energetico non è elevato e solitamente i tragitti in bicicletta sono talmente brevi da non necessitare la presenza di tante batterie che impiegherebbero più tempo per essere ricaricate.
L’ansia da autonomia non è un grande problema in quanto si può sempre pedalare nel caso in cui dovesse finire la carica. La ricarica direttamente dalla presa di casa la sera e tramite rastrelliere di giorno dovrebbe essere sufficiente a rispondere alle necessità dei proprietari di una GreenWheel.
La GreenWheel fornisce quindi alle città e alle aziende elettriche un sistema economico e a basso rischio per collaudare l’efficacia e la gestione di strutture adibite alla ricarica di veicoli elettrici.
Siccome i RoboScooter sono più pesanti e vengono utilizzati per viaggi più lunghi, possono comportare la necessità di strutture di ricarica più avanzate. Ciononostante, la combinazione tra unità di ricarica a casa e al lavoro, combinate a rastrelliere di ricarica, dovrebbe essere fattibile.
Non è possibile pedalare su un RoboScooter o spingerlo a lungo, ma le batterie intercambiabili forniscono una soluzione di emergenza e contribuiscono ad alleviare l’ansia da autonomia.
Le automobili elettriche, quali la CityCar, comportano la sfida maggiore sul piano delle infrastrutture di ricarica in quanto sono più grandi e pesanti, richiedono accelerazioni e velocità superiori e percorrono distanze maggiori. E gli approcci tradizionali per dimensionare le batterie e fornire le infrastrutture di ricarica comportano degli svantaggi rilevanti. Un approccio tradizionale, come nel caso delle auto sportive Tesla, consiste nella progettazione di modelli capaci di autonomie paragonabili alla percorrenza di 300 miglia a bordo di un’automobile alimentata a benzina.
Ne risultano automobili estremamente costose e cariche di batterie che non rispondono efficacemente su larga scala alle esigenze quotidiane di mobilità personale. Questo approccio comporta inoltre l’utilizzo di grandi quantità di batterie che eventualmente dovranno essere riciclate. Inoltre, a meno di utilizzare caricatori ad alta velocità estremamente costosi, i tempi di ricarica sono lunghi.
Quello delle batterie intercambiabili costituisce un altro approccio, una idea molto vecchia che solo di recente è stata ripresa in considerazione. Uno dei principali problemi nella sostituzione di grandi batterie all’interno delle automobili consiste nella necessità di complessi macchinari potenzialmente inaffidabili per portare a termine l’operazione (non è come sostituire manualmente la batteria di un RoboScooter).
è particolarmente interessante l’ipotesi di offrire la ricarica automatica nei parcheggi, paragonabile alla ricarica di uno spazzolino elettrico nel suo supporto. Questo estende il principio della rastrelliera già presentato nei casi della GreenWheel e del RoboScooter.
Alcuni modelli di veicoli non inquinanti, compatti e a efficienza energetica.
Gli utenti del sistema di mobilità su richiesta possono usufruire di diversi tipi di veicoli come complemento ai trasporti pubblici.
L’integrazione di veicoli elettrici e di reti elettriche intelligenti
Siccome la domanda di elettricità fluttua, siccome la fornitura di elettricità deve sempre incontrare la domanda e siccome le reti elettriche solitamente non hanno capacità di immagazzinamento sufficienti a rispondere alle perdite di potenza, il bilanciamento dei carichi nelle reti elettriche costituisce una problematica assai rilevante. Fonti di energia pulite e rinnovabili ma intermittenti, quali solare ed eolico, non fanno altro che esasperare questo problema introducendo fluttuazioni incontrollate all’interno della rete. Eppure, l’uso su larga scala di veicoli elettrici (specialmente automobili), abbinato a un sistema di ricarica automatica permanente, immette nella rete un grande volume di batterie con le quali immagazzinare energia. In principio, questo potrebbe favorire il mantenimento dell’equilibrio fra domanda e offerta di elettricità.
Quando il carico sulla rete è basso e le auto necessitano di ricarica, possono prelevare l’elettricità dalla rete. Al contrario, quando la domanda sulla rete è elevata e le vetture dispongono di energia in eccesso, possono trasmettere elettricità alla rete. Questo non comporta solamente un vantaggio per la rete. Un simile numero di batterie permetterebbe di regolare voltaggio e frequenza, incrementando pertanto l’efficienza della rete. Un simile sistema può essere gestito attraverso una sistema di prezzi ottimale della fornitura. Quando la richiesta complessiva è elevata, il prezzo dell’elettricità sale, inducendo la vendita dell’energia stoccata nei veicoli. Quando invece la domanda è bassa, i prezzi calano, motivando l’acquisto e lo stoccaggio di elettricità a bordo dei veicoli.
Questa operazione non è possibile con reti elettriche di vecchio stampo, quali la maggior parte delle reti attualmente operative nel mondo, ma diventa plausibile con le nascenti reti elettriche intelligenti. Nelle reti intelligenti vi è una copertura ed un controllo ideale delle informazioni sulla disponibilità di elettricità all’interno della rete elettrica.
I sistemi di mobilità su richiesta richiedono punti di raccolta e infrastrutture di ricarica diffusi sul territorio urbano in proporzione alla domanda.
L’efficienza dei sistemi di mobility on demand dipende ovviamente da una accurata e capilare informazione sulle variazioni della domanda degli utenti.
I sistemi di navigazione GPS installati sui veicoli, forniti anche di dati sulla densità del traffico, costituiscono un supplemento di efficienza della moilità su richiesta. Inoltre le destinazioni registrate dagli utenti nei sistemi di navigazione consentono agli operatori di prevedere l’ampiezza dei punti di raccolta e la disponibilità dei veicoli.
Rappresentazione schematica dell’approvvgionamento energetico di un punto di raccolta di veicoli elettrici da pannelli solari installati sul tetto di un edificio. La batteria rimovibile del RoboScooter assicura il «pieno» di elettricità all’inizio di ogni viaggio.
I sistemi mobility on demand
I veicoli elettrici intelligenti – GreenWheel, RoboScooter o CityCar – potrebbero semplicemente essere pubblicizzati come prodotti commerciali ma potrebbero anche essere adoperati per inaugurare una nuova generazione di servizi pubblici. Sistemi facenti uso su larga scala di biciclette non elettriche, quali la Vélib a Parigi, la Vélov a Lione, la Bicing a Barcellona e la Bixi a Montreal, hanno già dimostrato la fattibilità del concetto di mobilità su richiesta (mobility on demand).
La loro sostituzione con biciclette elettriche incrementerebbe il raggio d’azione e l’utilità di questi sistemi e li renderebbe utilizzabili da un maggior numero di persone. Dato che l’acquisizione delle concessioni per i punti di raccolta e deposito di questi veicoli e la fornitura di energia in questi punti sono elementi fondamentali per la messa in pratica di sistemi di mobility on demand, partire dal semplice ed economico sistema della GreenWheel risulta ragionevole. Con questa operazione verrebbero gettate le fondamenta per un successivo ampliamento del sistema a RoboScooter e CityCar.
Una volta lanciati i punti di raccolta e deposito la sfida fondamentale nella gestione dei sistemi mobility on demand sta nel mantenimento dell’equilibrio fra domanda e offerta, al fine di scongiurare attese inaccettabili per la consegna o il parcheggio del veicolo e ridurre al minimo il numero di veicoli e parcheggi inutilizzati.
Le difficoltà nel bilanciamento dipendono dalla rapidità con cui si estende la domanda nello spazio e nel tempo.
Tutte le possibili strategie di bilanciamento richiedono il supporto di una rete informatica estesa e sofisticata. Per stabilire il prezzo del servizio e monitorare la distribuzione di veicoli e parcheggi nel sistema è necessario controllare in tempo reale i punti di raccolta e deposito.
Ovviamente i sistemi di mobility on demand possono e devono coesistere con i veicoli di proprietà di privati. Un sistema congiunto ha maggiori possibilità di rispondere alle esigenze e facilita economie di scala sia nella fornitura di veicoli sia nello sviluppo delle infrastrutture.
Un compito fondamentale degli elementi computazionali dietro i sistemi mobility on demand, integrati a reti elettriche intelligenti, consiste nel monitoraggio in tempo reale delle risorse utilizzate, ovvero dell’elettricità, dei veicoli e dei parcheggi occupati.
Il consumo di elettricità da parte di palazzi e stazioni di ricarica o la reimmissione di energia nella rete da parte loro può essere monitorata attraverso dei sistemi di misurazione intelligenti. I carichi nel sistema possono essere monitorati attraverso le stazioni di raccolta e deposito in base ai cambiamenti nella disponibilità di vetture o parcheggi.
Città intelligenti e sostenibili per il ventunesimo secolo
Le strategie che ho descritto portano all’integrazione efficace di volumi elevati di mobilità urbana e sistemi energetici attraverso l’uso di hardware leggeri ed efficienti che operano in tempo reale e garantiscono la gestione di ogni variabile. Sono tecnologicamente plausibili e forniscono i maggiori benefici in termini di sostenibilità.
Danno il via al processo di trasformazione delle città in sistemi similarmente analoghi ai moderni aeroplani, alle automobili da corsa e ai laboratori chimici, ovvero dei sistemi reattivi ad alte prestazioni che fanno affidamento sulle loro capacità di controllo in tempo reale.
