Perché le biciclette elettriche non dispongono tutte di questo equipaggiamento comune presente nelle auto elettriche?

Le auto elettriche ricaricano le loro batterie quando si preme sull’acceleratore e durante la frenata. Perché non anche le biciclette e altri mezzi elettrici individuali? Spiegazioni.

Chi ha provato una bicicletta elettrica assistita (BEE) ha capito subito che può sostituire l’auto in molti casi d’uso e per spostamenti, sia urbani che extraurbani di meno di 10-15 chilometri. Di solito il tempo di percorrenza è lo stesso, o addirittura inferiore rispetto a una bicicletta tradizionale, e i risparmi in denaro e stress si fanno sentire molto rapidamente, per non parlare naturalmente della minore inquinamento.

E poi ci sono gli altri usi, per il tempo libero, come le gite del fine settimana o addirittura i lunghi roadtrip di diversi giorni e centinaia di chilometri. In questi casi la gestione dell’energia e dell’autonomia può assumere maggiore importanza nella pianificazione di un itinerario. Una questione tanto più cruciale considerando che la ricarica di un veicolo elettrico a due ruote richiede molto più tempo rispetto a quella di un’auto: non si parla più di minuti ma di ore, tra le 5 e le 7 ore per una carica completa, a seconda delle dimensioni della batteria. Non è quindi possibile partire pensando di effettuare una breve ricarica lungo il percorso, poiché se si prevede una sosta di 30 minuti si recupererà appena abbastanza energia per percorrere 10 chilometri, nel migliore dei casi. La ricarica avviene quindi esclusivamente di notte, in campeggio.

È qui che sorge la questione della gestione dell’energia… e quindi della sua rigenerazione. Una domanda che la maggior parte degli appassionati di biciclette elettriche si è posta almeno una volta: perché le biciclette a assistenza elettrica non sono dotate di un sistema di regenerazione che permetta di ricaricare la batteria durante la pedalata e durante la frenata, come avviene nelle auto elettriche?

Innanzitutto, come funziona esattamente? Il principio della frenata rigenerativa in un’auto elettrica si basa sulla capacità del motore elettrico di agire come un generatore. Durante l’accelerazione, esso consuma elettricità per azionare le ruote. Quando l’auto rallenta, le ruote possono a loro volta azionarlo: in questo caso il motore oppone una resistenza al movimento e converte una parte dell’energia del veicolo in elettricità, che viene restituita alla batteria. Questa rigenerazione non richiede necessariamente di premere il pedale del freno, poiché, a seconda dell’auto e del modo selezionato, entra in azione non appena si allenta l’acceleratore, con un’intensità spesso regolabile. Può essere attivata anche tramite il pedale del freno, con l’elettronica che distribuisce il rallentamento tra il motore e i freni meccanici.

Il dispositivo permette di recuperare energia che altrimenti verrebbe dissipata sotto forma di calore nei freni, riducendo così l’usura di questi ultimi, tutto ciò con un comfort di guida al quale molti utilizzatori di veicoli elettrici si abituano rapidamente.

Un bicicletta elettrica, avendo anch’essa un motore e una batteria, potrebbe sembrare in grado di offrire questa funzione. Tuttavia, la sua trasmissione modifica notevolmente la situazione.

La ruota libera, primo ostacolo al recupero

Su una bicicletta classica, quando si smette di pedalare, la ruota posteriore continua a girare senza trasmettere movimento alla catena né alle pedali. È il ruolo della ruota libera, che permette di sfruttare l’inerzia senza dover accompagnare ogni giro di ruota con le gambe. Tuttavia, su molte biciclette elettriche, il motore è posizionato al livello del pedale. Trasmette la sua forza alla ruota posteriore tramite la catena. Quando si smette di pedalare, la ruota libera impedisce alla ruota posteriore di trasmettere movimento indietro. Di conseguenza, il motore non gira a causa del movimento della bicicletta e non può produrre elettricità.

Ecco perché i motori centrali comuni non offrono la recupero dell’energia. Questo limite deriva dalla loro architettura meccanica e non potrebbe essere superato con una semplice aggiornamento software. Il produttore Kalkhoff menziona infatti questa concezione tra le ragioni che spiegano la rarità di questo dispositivo.

Installare il motore direttamente al centro della ruota, nel mozzo, può permettere di aggirare il problema. Tuttavia è necessario che la ruota possa effettivamente azionare il motore. In realtà, anche alcuni motori per ruota dispongono di un meccanismo di ruota libera che li disconnette quando l’assistenza non funziona. Quindi anche in questo caso è impossibile recuperare energia.

Tuttavia alcuni biciclette elettriche lo fanno già

Nonostante ciò, il frenaggio rigenerativo esiste effettivamente sulle biciclette elettriche, anche se rimane poco diffuso.

Con il sistema Zehus, utilizzato in particolare da REF Bikes, il ciclista può attivare il recupero energetico pedalando all’indietro: il motore rallenta quindi la bicicletta mentre restituisce elettricità alla batteria. Questo movimento di retropedalata serve a comandare il dispositivo, ed è proprio il movimento della bicicletta e la rotazione della ruota a fornire l’energia recuperata. Tuttavia, continuare a pedalare, anche all’indietro, secondo la mia umile opinione non costituisce davvero un vero sistema di recupero energetico “passivo”.

Nella categoria delle speed pedelec di Stromer (i VAE con assistenza fino a 45 km/h classificati nella categoria dei ciclomotori), la recupero energetica può anche funzionare da freno motore in discesa. Il marchio offre diverse impostazioni e una funzione che adatta la resistenza del motore per mantenere una velocità di discesa desiderata. Si dichiara un aumento fino al 20% dell’autonomia grazie a questa funzione di recupero. In questo caso è necessario tenere conto del fatto che questi bicicli sono leggermente più pesanti e quindi presentano un’inerzia maggiore, favorevole a una migliore regenerazione energetica. Se facciamo un parallelo con l’auto, si tratta di un vero paradosso: si tende a incolpare – spesso a ragione – il peso eccessivo di alcuni modelli, ma sono proprio questi ad ottenere la migliore regenerazione energetica. Detto questo, per essere del tutto precisi, la rigenerazione attenua lo svantaggio legato al peso, ma non lo trasforma in un vantaggio energetico.

E se rinnovassimo la vecchia dinamo?

I ciclisti che hanno utilizzato i fari alimentati da dinamo ricorderanno probabilmente quel piccolo sasso con ruota che si applicava sul lato della gomma. La ruota lo faceva ruotare, generando elettricità per alimentare e quindi illuminare le lampadine dei fari. Inoltre, questo sistema creava una resistenza al rotolamento che poteva far sudare un po’ (sì, il bisogno di energia aggiuntiva si trasferiva al ciclista: la fisica è spietata).

Perché non riprendere questa idea per ricaricare una batteria? Tecnicamente, il principio è valido. Un generatore indipendente, azionato direttamente da una ruota, potrebbe produrre elettricità anche su una bicicletta il cui motore di assistenza si trova sui pedali. Un’elettronica adeguata si occuperebbe di convertire e regolare questa energia per inviarla alla batteria. Tuttavia, sarebbe necessario andare oltre una dinamo per l’illuminazione semplicemente collegata alla batteria. Per ottenere una potenza significativa è necessario un generatore progettato di conseguenza, un’elettronica compatibile e una batteria in grado di accettare la ricarica in tali condizioni.

Un ciottolo a contatto con la gomma potrebbe causare problemi di rumore e, soprattutto, di usura. Posizionare il generatore al centro della ruota eviterebbe questo contatto con la gomma, ma comporterebbe comunque l’aggiunta di materiale, peso e costi. L’idea è quindi realizzabile, a fronte di una complessità maggiore.

Si potrebbe persino spingere la logica fino a replicare il comportamento di un’auto elettrica al rilascio della pedalata. Un sensore rileverebbe la fine della pedalata, dopodiché l’elettronica comanderebbe il generatore in base a un livello scelto sul manubrio: ruota libera, recupero leggero, medio o intenso. Anche le leve dei freni potrebbero richiedere un recupero maggiore. Questo funzionamento troverebbe perfettamente posto su una bicicletta, a condizione di lasciare che sia il ciclista a scegliere. Infatti, smettere di pedalare può corrispondere a diverse intenzioni: rallentare prima di un incrocio, controllare la velocità in discesa o semplicemente approfittare dell’impulso su un tratto pianeggiante.

Nel primo e nel secondo caso, recuperare energia presenta un interesse evidente. Nel terzo, il generatore farebbe perdere più rapidamente velocità, che poi sarebbe necessario recuperare pedalando o utilizzando l’assistenza. Da qui l vantaggio della ruota libera, che non smetto mai di raccomandare quando si tratta di guida ecologica con veicoli elettrici.

Quanta energia si potrebbe davvero recuperare?

Per valutare l’interesse del sistema, è necessario considerare anche le quantità di energia coinvolte. Prendiamo un insieme bicicletta e ciclista del peso di 100 kg che viaggia a 25 km/h. La sua energia cinetica di traslazione è di circa 0,67 Wh. Una fermata completa permetterebbe quindi, in un calcolo ideale senza perdite, di recuperare l’equivalente di circa lo 0,13% di una batteria da 500 Wh. Nella realtà, solo una parte di questa energia tornerebbe nella batteria. Il generatore e l’elettronica presentano delle perdite, mentre le resistenze dell’aria e del rotolamento contribuiscono anch’esse alla riduzione della velocità senza produrre elettricità. Ogni fermata rappresenta quindi un apporto piuttosto modesto, anche se i contributi possono sommarsi.

Il rilievo offre maggior potenziale. Per lo stesso carico di 100 kg, una discesa di 500 metri di dislivello corrisponde a circa 136 Wh di energia potenziale gravitazionale. Anche questo valore rappresenta una riserva teorica: una parte viene utilizzata per superare la resistenza dell’aria e l’attrito, e il sistema recupera soltanto una frazione del resto. Si comprende comunque perché una lunga discesa possa rendere il recupero energetico molto più significativo. Tuttavia, ancora una volta, è la fisica a ricordarci che i miracoli energetici non esistono: il risultato dipenderà sempre dal percorso, dalla massa trasportata, dalla velocità, dalla frenata richiesta e dall’efficienza dell’attrezzatura.

E a proposito, per le monopattine elettriche?

Poiché il motore delle monopattine elettriche è generalmente integrato direttamente in una ruota, senza l’ausilio di catena e pedale, la loro architettura consente un recupero energetico più semplice. Nei modelli progettati appositamente per questo scopo, la ruota aziona il motore durante la decelerazione, e quest’ultimo restituisce elettricità alla batteria. Il Xiaomi Electric Scooter 5 offre quindi un recupero energetico quando si allenta l’acceleratore o si preme il freno, con tre livelli di intensità regolabili dall’app. Si tratta quindi di un funzionamento abbastanza simile a quello a cui sono abituati gli automobilisti che utilizzano veicoli elettrici.

I limiti fisici rimangono comunque gli stessi di una bicicletta: a velocità e massa paragonabili, la quantità di energia disponibile durante una decelerazione è simile. L’esempio del monopattino dimostra soprattutto che il recupero dell’energia può essere integrato in un mezzo leggero e relativamente semplice, purché la sua motorizzazione sia stata progettata per questo scopo.

Lo sviluppo di questa funzione rappresenta in definitiva un compromesso. Su una bicicletta leggera destinata a percorsi pianeggianti, un equipaggiamento aggiuntivo può portare pochi vantaggi considerando il suo peso e il suo costo. Al contrario, per un ciclista che affronta quotidianamente lunghe discese, un sistema di recupero ben integrato e regolabile potrebbe avere più senso. Resta da proporre un sistema il cui vantaggio pratico giustifichi l’acquisto dell’equipaggiamento, lasciando al contempo al ciclista la possibilità di tornare, quando lo desidera, a questa funzione molto semplice ed efficace: la ruota libera.