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INCHIESTA Ecco perché il futuro delle barche è elettrico

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elettrico
Il nuovo decennio sarà nel segno della propulsione elettrica, anche in mare. Il mercato delle barche è sempre più orientato verso l’elettrico, anche se la strada verso una navigazione realmente a impatto zero è ancora lunga. (in copertina: illustrazione di Luna Poggi)

Il progettista sloveno Japek Jakopin, 68 anni, ha fondato con il fratello lo studio J&J Design nel 1983: ha disegnato oltre 300 barche, di cui 55 per la produzione in serie. Ha compiuto studi approfonditi studi sulla propulsione elettrica.

Ci sono miti da sfatare, potenzialità ancora non sfruttate, dati da analizzare. Per fare il punto abbiamo deciso di farci aiutare da un vero e proprio “guru” del design, Japec Jakopin, che è il CEO del celebre studio sloveno J&J Design che dal 1983 ha progettato oltre 300 barche, tra cui i primi Elan, i Salona e soprattutto la linea di barche ibride Greenline, con scafo ispirato alle barche a vela. Jakopin è “sul pezzo” quando si parla di full-electric, per lui il futuro della nautica. Ed è la persona giusta per capirne il vero stato dell’arte.

Che cosa è, in parole semplici, un sistema di propulsione full-electric?

La propulsione full-electric è un sistema ausiliario alla propulsione velica. Permette di navigare a una velocita paragonabile al tradizionale motore termico e con una autonomia adeguata a un’imbarcazione a vela.

E’ sufficiente installare in “retrofit” dei motori elettrici su una barca a vela o questa va progettata fin da subito “elettrica”?

I risultati migliori si ottengono quando il progetto parte da carta bianca. L’intero sistema elettrico, propulsivo e i servizi di bordo (ovvero tutto ciò che rende l’esperienza di navigazione piacevole) sono concepiti diversamente. In un sistema tradizionale i servizi e la propulsione sono due sistemi separati, mentre oggi si tende all’integrazione su di un unico sistema, in maniera analoga a una nave da crociera. L’utilizzo di un sistema full-electric integrato porta dei vantaggi complementari a quelli di una navigazione “green”:
• Utilizzo intelligente dell’energia a bordo.
• Ridotto numero di componenti e relativo miglioramento dell’affidabilità.
• Un livello di comfort superiore, grazie alla possibilità di utilizzare utenze domestiche a corrente alternata (220V): ovvero più affidabili e funzionali e meno costose degli accessori “nautici” a 12V.

Quando sia ha la necessità di sostituire il motore termico, si può parlare di retrofit e passare ad una propulsione “green”. Anche in questo caso i vantaggi sono molteplici: niente vibrazioni, rumore, fumi di scarico, proteggendo l’ambiente marino. La propulsione elettrica durerà molti più anni di un motore termico, il quale lavora solitamente in una barca a vela lavora in condizioni sfavorevoli.

Installando un idrogeneratore, potrete ottenere fino a 5 kWh ogni 24 ore di navigazione continua. Un’ottima soluzione per le traversate lunghe.

Cosa si intende quando si parla di comfort?

Gli americani lo chiamano anche “convenience” ma il nome nasconde bene il lato egoistico. La cultura occidentale dipende sempre di più sul “convenience”: lo sforzo fisico e mentale è proibito, quello che conta veramente è il benessere e il “fun and entertainment”. Se vogliamo che anche i giovani si interessino alla vela, e trascorrano con noi le vacanze in barca amando il mare, dobbiamo rendere la vita a bordo “convenient” e “fun”. La quasi totalità degli elementi di “convenience” richiedono energia elettrica, solitamente sotto forma di corrente alternata a 220V.
La barca elettrica con batterie al litio ad alta capacità ha un’ottima base per la “convenience”: aria condizionata, frigoriferi con grandi volumi, cucina elettrica per cottura rapida, “infotainment” come TV, video, etc. Tutti questi elementi sono facili da installare su una barca predisposta per i 220V, economici ma con grande affidabilità e funzionalità.

A chi può essere realmente utile, nel mondo della vela, una barca a propulsione full-electric e perché?

Al giorno d’oggi la quasi totalità delle barche a vela può installare una propulsione full-electric.
Le tipologie di barche maggiormente interessate sono quelle che:
• Fanno escursioni giornaliere o nel weekend.
• Vanno spesso in regata e non effettuano lunghe tratte a motore (ad esempio navigano all’interno del Mar Mediterraneo).
• Navigano a vela per tanto tempo.
In quest’ultima categoria può essere utile considerare dei pannelli fotovoltaici, idrogeneratori e turbine eoliche. Un range-extender termico (come un generatore diesel) permette comunque di utilizzare l’elettrico nel caso di imbarcazioni destinate a lunghe traversate a motore.

I motivi a favore del full-electric sono molteplici. La navigazione in elettrico è “green”, senza emissioni, senza vibrazioni e rumore, senza fumi di scarico. Grazie all’utilizzo di un sistema integrato a 220V anche il comfort a bordo è migliorato. Il baricentro dell’imbarcazione solitamente è più basso, incrementando la stabilità dell’imbarcazione. Con l’elettrico si parla di nautica responsabile (responsible boating) e di navigazione “gentleman”, rispettando il prossimo nelle marine, porti, ancoraggi o in zone protette.

ENDOTERMICO Questo schema tipo di un sistema di propulsione tradizionale prevede un motore termico con batteria 12 V, alternatore con diodo, caricabatterie
su riduttore con asse ed elica disegnata per motore termico; batterie di servizi 12 V con utenze 12 V; caricabatterie 220 V a 12 V.

Che cosa serve avere, a bordo, per avere una barca full-electric?

Gli elementi essenziali sono un pacco batterie, un’unità di controllo e ricarica, un motore elettrico ed un propulsore. Sono disponibili soluzioni sia in linea d’asse che sail drive.

Sistemi di energia alternativi (“range extender” termico, pannelli solari, idrogeneratori, turbine): qual è la loro reale portata e il contributo nel bilancio energetico?
Una barca a vela elettrica, diciamo non più grande di 50 piedi, può avere una capacità delle batterie tra i 5 ed i 40kWh. I consumi della propulsione e dei servizi durante una giornata possono essere tra i 5 ed i 100kWh, o in alcuni casi più alti.
Tutti gli elementi che possono contribuire al fabbisogno energetico sono da considerarsi utili, nella proporzione del loro contributo effettivo:
• I pannelli solari hanno una potenza di picco pari a 180W/h al metro quadro: coprendo una superficie pari a 4 mq si può contare su 5kWh al giorno nel Mediterraneo d’estate
• Gli idrogeneratori producono fra i 100 e 200W (in un intervallo da 5 a 8 nodi). In una traversata lunga si ottengono fino a 5kWh con 24 ore di navigazione continua.
• Le turbine eoliche possono fornire circa 100W con 20 nodi di vento. In questa condizione, il contributo giornaliero è tra i 2 e i 3kWh.

Un range-extender termico è un’altra storia: un generatore di 20kW produce quasi 500kWh in 24 ore, ma costa molto, pesa intorno ai 270kg, è rumoroso e brucia combustibili fossili, di cui conosciamo i danni derivati all’ambiente.
La scelta di un sistema di energia ausiliario è strettamente dipendente dall’utilizzo a cui si vuole destinare l’imbarcazione.

FULL-ELECTRIC Questo sistema conta su un motore elettrico con asse o pod (senza riduttore) e con elica disegnata per la propulsione elettrica; batteria Litio (tipicamente 48 o 400 V); batteria di sicurezza 12 V DC; inverter-charger 220 V AC a 48 V DC (o 400 V DC) e 12 V DC e 48 V DC (o 400 V DC) a 220 V AC; utenze 220 V AC e 12 V DC. Opzionalmente possono essere aggiunti pannelli fotovoltaici, idrogeneratori, turbine eoliche, range-extender termici.

Potenza/dimensionamento pacco batterie: qual è lo stato dell’arte?

Sono pochi i fornitori ad aver maturato una grande esperienza e offrire prodotti sicuri, affidabili e ad un prezzo abbordabile.
Le aziende competitive e di successo sono quelle che hanno adattato i prodotti dell’industria automobilistica. Le batterie vengono prodotte in decine di migliaia di unità l’anno, sono affidabili ed hanno un buon rapporto prezzo-capacità e peso-capacità, offrendo garanzie lunghissime.
Il dimensionamento dipende dall’autonomia desiderata e dai servizi di bordo. Si stabilisce prima il programma di navigazione tipico, la propulsione e le utenze in barca, quindi si calcola la capacità necessaria. Poi si capisce che il budget, il volume ed il peso a disposizione non sono sufficienti, per questo si dovrà trattare l’energia con intelligenza e risparmio. Bisogna trovare un compromesso che concili tutte le richieste (si guardi la tabella con alcuni modelli a confronto)

Il Green Line 33, progettato da J&J, è barca ibrida con tetto fotovoltaico e linee di una barca a vela: con sole (e mare piatto) naviga a 4 nodi, con 1,5 kW di potenza.

Parliamo di autonomia e forma dello scafo…

L’autonomia dipende dall’utilizzo che si vuole fare della barca. Ad esempio, nel caso di una navigazione giornaliera, vengono percorse circa 10 miglia nautiche a motore, mentre nel caso di crociere più lunghe sul Mediterraneo, si avrà bisogno di 50 o 100 miglia di autonomia senza l’ausilio delle vele.
La buona notizia è che le linee d’acqua di una barca a vela sono ottimizzate per la navigazione in regime di dislocamento ed è proprio in questa regione di velocità che i consumi sono minori. La relazione tra velocità e consumo di energia per miglio è quadratica: riducendo la velocità del 10% si risparmia dal 20 al 30% di energia. Questo vuol dire che non si deve progettare delle linee diverse per una barca con motore ausiliario termico o elettrico.

Quali accorgimenti bisogna adottare quando si va in elettrico con mare formato?

La potenza richiesta al motore elettrico aumenta con il mare formato e così anche il relativo consumo di energia: la navigazione in elettrico non è consigliabile per lunghe traversate. Si può sempre installare un motore elettrico con una potenza più alta ed avere una spinta necessaria per le situazioni di emergenza, anche se limitate a dei tempi brevi (consumo alto).
L’elettricità è comunque nemica dell’acqua, bisogna verificare la tenuta stagna dei compartimenti dove la batteria, il motore e le unità di controllo sono installati. Alcuni produttori forniscono già dei sistemi completamenti stagni, con protezione IP67.

Nella tabella, fornita da J&J Design, vediamo come cambiano la potenza necessaria (in kilowatt), i consumi (in kilowatt/ora) e la portata (in miglia, a seconda del numero di batterie da 5 kilowatt/ora installate a bordo) a seconda della velocità, su un 50 piedi a vela con motorizzazione elettrica. I dati si riferiscono a una barca con carena pulita che naviga su un mare piatto.

Quanto si risparmia, dal punto di vista economico, ad avere un motore elettrico rispetto a un motore tradizionale?

Qua tocchiamo il punto critico delle energie rinnovabili. Il prezzo dell’energia derivata dal diesel, benzina o carbone è inferiore. Le nazioni che producono tre quarti dell’inquinamento sul nostro pianeta (USA, Russia e Cina), e che sono anche le più potenti economicamente, calpestano gli accordi internazionali contro l’inquinamento pur di non rinunciare ai loro profitti.
E’ chiaro che l’umanità dovrà affrontare delle catastrofi climatiche importanti per poter reagire e fare pressione sulla politica e sulle corporazioni. Inquinare costa meno, è più economico, ma catastrofico nel medio-lungo termine. L’Europa è leader mondiale in questa lotta, sicuramente la vela può fare da protagonista nella nautica.
Se guardiamo le cifre: una barca di 10 m con 4 tonnellate di dislocamento risparmia circa 3€ per miglio percorso in elettrico. Su 300 miglia percorse all’anno in motore, il “risparmio” è meno di 1000€. Considerando un costo di installazione della propulsione elettrica di 20’000€, servono 20 anni per rientrare nell’investimento. Ma: il comfort di navigazione aumenta e si risparmiano 250kg di CO2 che non vengono emessi nell’ambiente. Rendiamo la nautica responsabile e lasciamo il pianeta ai nostri figli così come lo abbiamo trovato.

I vantaggi della motorizzazione elettrica li abbiamo capiti. Zero emissioni, vibrazioni, rumore e fumi. Quali sono invece i “contro”?

Il costo iniziale è superiore rispetto a un sistema tradizionale, bisogna considerare un significativo periodo di utilizzo per ammortare la differenza di costo, come abbiamo detto. Il tempo di ricarica delle batterie è ancora lungo e richiede accesso ad una colonnina a terra. L’ingombro delle batterie solitamente può essere superiore a quello delle casse carburante.

Veniamo ai sistemi di ricarica in banchina: tasto dolente?

Le marine oggi sono fornite di colonnine elettriche a 220V e nel Mediterraneo sono tipicamente limitate a 16A. In questo caso la ricarica di una batteria da 5kWh richiede quasi 2 ore. La nuova generazione di colonnine è invece a 32A e nelle nuove marine si arriva a 64A. Sempre più frequentemente le barche vogliono utilizzare l’aria condizionata in marina, accrescendo la dipendenza dalla 220V. Negli Stati Uniti, in Scandinavia e in Germania, tutte le nuove installazioni a terra hanno una potenza adeguata ad un sistema full-electric. E’ grazie anche al rapido sviluppo dell’industria automobilistica elettrica che non vediamo questo come un argomento critico.

Scomparirà mai il sistema di propulsione endotermico?

Speriamo di si. E’ nostro dovere (almeno nell’UE) di arrivare a zero emissioni nette entro il 2050. La nautica è un lusso e non ha scusanti per non prendere parte a questi sforzi. L’industria automobilistica ci viene in aiuto, cambiando il nostro modo di pensare: basta guardare lo sviluppo e diffusione esponenziale delle auto elettriche!

La soluzione con generatore o gen-set: è una soluzione “transitoria” o è quella che avrà maggior successo anche in futuro?

Sicuramente questa soluzione offre tanti vantaggi ad oggi rispetto ad un sistema tradizionale termico. Le navi da lavoro, così come le grandi navi da crociere, sono passate da una propulsione diesel ad una elettrica, combinata a dei gruppi di generatori e a dei pacchi importanti di batterie al litio. Queste hanno dimostrato una sensibile riduzione delle emissioni fino al 30%, permettendo di navigare nei porti ed in zone delicate senza emissioni. Già in un futuro prossimo i generatori saranno sempre più piccoli ed efficienti. Speriamo però che le tecnologie alternative come le fuel cells progrediscano e l’idrogeno sostituisca i carburanti fossili. In questo modo arriveremo a un range extender ideale.

In conclusione, quali sono i miti da sfatare sulla propulsione elettrica in barca?

I miti da sfatare sono tre:
• La propulsione elettrica è troppo cara. Le tecnologie si sviluppano molto velocemente, trainate dall’industria automobilistica. I nuovi sistemi sono sempre più accessibili ed affidabili, venendo accettati e richiesti in modo crescente dalla società.
• L’autonomia non è sufficiente per un utilizzo normale. Non è più vero: le batterie hanno una densità energetica sempre più alta, sono più leggere, meno voluminose e i costi ridotti. Grazie allo sviluppo di range extender ottimizzati ed un utilizzo intelligente dell’energia a bordo, si raggiunge un’autonomia adeguata
• La propulsione elettrica e le batterie al litio sono poco affidabili e pericolose. I progressi nel settore automobilistico e aerospaziale degli ultimi anni hanno dimostrato che questi sistemi cono completamente sicuri ed affidabili: la manutenzione, inoltre, è considerevolmente ridotta rispetto ad un sistema classico basato sul motore termico.

Eugenio Ruocco

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