LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE
APPLICAZIONE DEL SISTEMA A
CATENARIA AEREA SU UNA TRATTA
AUTOSTRADALE DI VALICO
Relatore:
Professore Roberto Maja
Tesi di laurea di:
Francesca Balduzzi Rangone - 904889
Simona Cerutti – 918921
I
Ringraziamenti
Vorremmo ringraziare il Professore Roberto Maja per averci sostenute durante lo svolgimento di questo elaborato di tesi, per la sua capacità di stimolare il nostro interesse verso applicazioni innovative nell’ambito dei trasporti e, infine, per la pazienza e la fiducia dimostrate nei nostri confronti.
Vorremo inoltre ringraziare coloro che si sono impegnati per fornirci i dati necessari per la realizzazione del lavoro e che ci hanno dedicato parte del loro tempo. In particolare, il personale dell’Ufficio Trasporti dell’Interporto di Rivalta Scrivia e l’Ingegnere Emilio Locatelli dell’azienda Autosped G.
Infine, la nostra riconoscenza va al Politecnico di Milano che ci ha permesso di raggiungere questo importante traguardo, accompagnandoci durante il nostro percorso di studi e insegnandoci a perseguire i nostri obiettivi, affrontando le difficoltà incontrate durante gli anni.
Ci rivolgiamo, quindi, a tutti i professori del Politecnico di Milano che con impegno e dedizione hanno contribuito ad ampliare il nostro bagaglio culturale a la nostra passione per il mondo dell’Ingegneria.
III
Abstract
Questo elaborato di tesi è volto a valutare l’applicabilità del sistema a catenaria aerea per il trasporto merci a lungo raggio su tratte autostradali appartenenti al territorio nazionale. Il sistema viene presentato come una soluzione innovativa di alimentazione attraverso la captazione di energia elettrica tramite il contatto tra un pantografo, disposto sul veicolo, e la linea aerea. Lo studio del sistema è stato realizzato a partire dall’analisi dei soli progetti esistenti in Svezia, California e Germania adattandoli ad una particolare tratta autostradale, rappresentata dalla linea di valico che separa l’Interporto di Rivalta Scrivia dal Porto di Genova Prà.
L’applicazione del sistema su questa tratta rappresenta il caso di studio, incentrato sulla definizione delle particolari sezioni del percorso da elettrificare e sulle possibili configurazioni dei veicoli che potranno usufruire della linea aerea.
Dai risultati ottenuti in termini di autonomia, dimensioni e pesi dei componenti del veicolo, in funzione dell’andamento altimetrico della tratta considerata, vengono proposte alcune soluzioni per un’eventuale progettazione e applicazione futura del sistema a catenaria aerea.
V
Indice dei contenuti
APPLICAZIONE DEL SISTEMA A CATENARIA AEREA SU UNA TRATTA
AUTOSTRADALE DI VALICO ... I RINGRAZIAMENTI ... I ABSTRACT ... III INDICE DEI CONTENUTI ... V INDICE DELLE FIGURE ... VIII INDICE DELLE TABELLE ... X
CAPITOLO 1 INTRODUZIONE ... 1
CAPITOLO 2 TIPOLOGIE DEI VEICOLI ELETTRICI ... 7
2.1EVOLUZIONE STORICA DEL VEICOLO ... 7
2.2VEICOLI ELETTRICI ... 14
2.3TIPOLOGIE DI VEICOLI ELETTRICI ... 17
2.3.1 Veicoli ibridi elettrici ... 18
2.3.2 Veicoli elettrici a batteria ... 20
2.3.3 Veicoli a celle a combustibile idrogeno ... 22
2.4CONFRONTO TRA LE DIVERSE TIPOLOGIE ... 25
CAPITOLO 3 PRODUZIONE E ACCUMULO A BORDO DELL’ENERGIA ELETTRICA ... 27
3.1FONTI UTILIZZATE PER LA PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA ... 28
3.2TIPOLOGIE DI ACCUMULATORI ... 32
3.2.1 Batterie al piombo ... 33
VI
3.2.3 Batterie agli ioni di litio ... 36
3.2.4 Batterie al cloruro di nichel sodio (ZEBRA) ... 36
3.2.5 Supercondensatori ... 38
3.3ASPETTI LEGATI ALLA PRESENZA DELLE BATTERIE ... 38
3.4FRENATURA RIGENERATIVA (RBS) ... 41
CAPITOLO 4 IL SISTEMA A CATENARIA AEREA ... 44
4.1ASPETTI GENERALI ... 45
4.2PROGETTI EHIGHWAY ... 49
4.3COMPONENTI DEL SISTEMA EHIGHWAY ... 55
4.3.1 Sottostazioni ... 57
4.3.1.1 Corrente di alimentazione... 59
4.3.2 Cavi di alimentazione ... 61
4.3.3 Linee aeree ... 61
4.3.3.1 Possibilità di ottimizzazione del sistema di linee aeree ... 64
4.3.3.2 Grado di elettrificazione (concetto di gap) ... 64
4.3.3.3 Tensione di sistema ... 69
4.3.4 Veicoli ... 70
4.3.4.1 Pantografo ... 70
4.4CONFIGURAZIONI DEI CAMION ERS ... 72
4.4.1 Veicoli elettrici a batteria ... 72
4.4.2 Veicoli ibridi elettrici ... 74
4.4.3 Vantaggi e svantaggi delle diverse configurazioni ... 77
4.5VALUTAZIONE DEL CARICO UTILE... 78
CAPITOLO 5 VALUTAZIONI TECNICHE ED ECONOMICHE ... 80
5.1ANALISI SWOT ... 81
5.1.1 Punti di forza ... 82
5.1.2 Punti di debolezza ... 83
5.1.3 Opportunità ... 83
5.1.4 Rischi ... 84
5.2RISULTATI FORNITI DALL’ANALISI IN DIVERSI AMBITI ... 84
5.3ACCETTAZIONE SOCIALE ... 86
5.4IL FINANZIAMENTO DELL’INFRASTRUTTURA A CATENARIA ... 89
CAPITOLO 6 CASO DI STUDIO... 94
6.1INQUADRAMENTO ... 95
VII
6.3ELETTRIFICAZIONI DEL PERCORSO... 102
6.4CONFIGURAZIONI DEI CAMION ... 104
6.4.1 Camion elettrico a batteria ed elettrificazione di 62 km ... 105
6.4.4.1 Dimensionamento della batteria ... 105
6.4.1.2 Carico utile disponibile ... 112
6.4.2 Camion elettrico a batteria ed elettrificazione di 45 km... 116
6.4.3 Considerazioni per la valutazione della scelta ottimale ... 117
6.4.4 Camion ibrido elettrico ... 118
6.5CONSIDERAZIONI RELATIVE AL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DELLA CATENARIA ... 121
6.5.1 Definizione della potenza richiesta al pantografo ... 122
6.5.2 Definizione della potenza di uscita da una sottostazione e di connessione alla rete elettrica ... 124
CAPITOLO 7 CONCLUSIONI ... 125
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI E SITOGRAFICI ... 128
APPENDICE A DATI DEL CAMION MERCEDES 1845 LS ... 132
A.1FIGURINO DEL CAMION MERCEDES 1845LS ... 133
VIII
Indice delle figure
Figura 1.1 Emissioni comparate di CO2 nella produzione di energia elettrica in
funzione della fonte utilizzata 3
Figura 1.2 Fonti utilizzate entro il 2050 4
Figura 2.1 Primo motore a quattro tempi a ciclo Otto 8 Figura 2.2 Prima auto elettrica, 1834 Thomas Davenport 10
Figura 2.3 Concept Car Eliica, 2004 11
Figura 2.4 Primo veicolo ibrido, Semper Vivus Lohner-Porsche 12 Figura 2.5 Prima eHighway realizzata in Svezia nel 2016 14 Figura 2.6 Variazione del consumo finale globale di energia per ogni settore 15 Figura 2.7 Emissioni globali di CO2 per ogni settore nel 2008 16 Figura 2.8 Illustrazione di un tipico ciclo di scarico di un PHEV 20 Figura 2.9 Sistema a ricarica diretta o a contatto 21 Figura 2.10 Sistema a ricarica induttiva o elettromagnetica 22 Figura 2.11 Schema funzionale di un veicolo a celle a combustibile idrogeno 23 Figura 2.12 Infrastruttura per l’idrogeno in loco 24 Figura 2.13 Infrastruttura con produzione centrale di idrogeno 24 Figura 3.1 Domanda di carbone globale negli anni 2018, 2030, 2040 in due
diversi scenari 30
Figura 3.2 Fonti utilizzate in Cina per la produzione di energia elettrica 31
Figura 3.3 Sezione della batteria Ni-Cd 35
Figura 3.4 Batteria ZEBRA 37
Figura 3.5 Andamento della potenza in funzione dell’accelerazione nel caso di guida in città (a sinistra) e di guida in autostrada (a destra) 42 Figura 4.1 Sviluppo del volume globale dei trasporti 46
IX
Figura 4.2 Concetti principali per l'elettrificazione stradale e il trasferimento di
potenza ai veicoli in movimento 47
Figura 4.3 Electric Road System (ERS) 49
Figura 4.4 ELISA - eHighway 52
Figura 4.5 Tratto di Autostrada A35 interessato dal sistema eHighway 53
Figura 4.6 Infrastruttura elettrica 56
Figura 4.7 Struttura di una sottostazione a corrente continua 58 Figura 4.8 Installazione di una sottostazione 59 Figura 4.9 Elementi della linea aerea di contatto 62
Figura 4.10 Pantografo e suoi assemblaggi 71
Figura 4.11 Struttura schematica di un ERS-BEV 73 Figura 4.12 Schema di un propulsore ibrido-parallelo 74 Figura 4.13 Schema di un propulsore ibrido-serie 75
Figura 5.1 Matrice 2x2 per l’analisi SWOT 81
Figura 5.2 Esempio di un possibile PPP 91
Figura 6.1 Rappresentazione della tratta Interporto di Rivalta Scrivia-Porto di
Genova Prà 95
Figura 6.2 Interporto di Rivalta Scrivia 97
Figura 6.3 Porto di Genova Prà 98
Figura 6.4 Posizione dell’azienda Autosped G rispetto a quella dell’Interporto di
Rivalta Scrivia 100
Figura 6.5 Rappresentazione della diramazione Predosa-Bettole 102 Figura 6.6 Rappresentazione del tratto autostradale dalla A26 di interesse 103 Figura 6.7 Rappresentazione del tratto non elettrificato compiuto da un camion
in partenza dall’azienda Autosped G 106 Figura 6.8 Rappresentazione del tratto non elettrificato compiuto da un camion
in partenza dal Porto di Genova 107
Figura 6.9 Resistenze presenti su un veicolo in moto nel caso di terreno
pianeggiante 108
Figura 6.10 Componenti del motore elettrico disposto nella ruota 114 Figura 6.11 Componenti principali del sistema di alimentazione a catenaria
X
Indice delle tabelle
Tabella 4.1 Progetto eHighway in Svezia 50
Tabella 4.2 Confronto tra elettrificazione continua e non continua 65 Tabella 4.3 Vantaggi e svantaggi di ERS-HEV e ERS-BEV 77 Tabella 6.1 Principali trasportatori italiani ed esteri che compiono la tratta
Interporto-Porto 99
Tabella 6.2 Dati per il dimensionamento di una batteria (lato Interporto) 107 Tabella 6.3 Limiti di velocità per autocarri di massa complessiva superiore a 12
tonnellate 109
Tabella 6.4 Valore della resistenza al rotolamento in funzione della classe di
appartenenza dello pneumatico 109
Tabella 6.5 Valori della densità di energia specifica di alcune batterie 112 Tabella 6.6 Valori dei pesi relativi al camion Mercedes 1845 LS 113 Tabella 6.7 Riassunto dei principali risultati per un camion elettrico a batteria
con 62 km di elettrificazione 115
Tabella 6.8 Riassunto dei principali risultati per un camion elettrico a batteria
con 45 km di elettrificazione 116
Tabella 6.9 Dati per definire i requisiti di un camion ibrido sulla tratta
considerata 119
Tabella 6.10 Valori delle resistenze e del carico stradale nel tratto con pendenza
di 1.5% 120
Tabella 6.11 Valori delle resistenze e del carico stradale nel tratto con pendenza
1
CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
In questo capitolo introduttivo vogliamo da subito definire l’argomento centrale del nostro elaborato di tesi, ovvero il sistema a catenaria aerea come mezzo di trasporto merci su strada a lungo raggio.
Nello specifico, il lavoro che presentiamo è il risultato di una serie di domande, che inevitabilmente ci siamo poste e che riportiamo di seguito:
Qual è l’effettivo vantaggio, in termini di emissioni di CO2, che si
riscontra introducendo il sistema a catenaria?
In funzione della lunghezza delle tratte da percorrere senza elettrificazione, qual è la migliore configurazione per i camion ERS (Electric Road System)?
Quali dimensioni, in termini di capacità, dovrebbe avere la batteria, in base ai chilometri che si devono percorrere e, di conseguenza, quale sarebbe la variazione del carico utile rispetto ai camion convenzionali?
Quale tipologia di alimentazione può essere utilizzata per il sistema?
Chi finanzierà l’infrastruttura?
Come verrà percepito il nuovo sistema dai soggetti coinvolti?
A questo punto, è bene definire perché ci siamo interessate proprio a questo sistema di trasporto innovativo.
2
Dopo aver conseguito la Laurea Triennale in Ingegneria Civile e Ambientale presso l’Università degli Studi di Pavia, la passione per l’ambito dei trasporti ci ha portate a iscriverci al corso di Laurea Magistrale, specializzato in questo settore, al Politecnico di Milano.
Qui, in alcuni corsi che abbiamo frequentato, tra i vari argomenti trattati, è stato esposto il concetto di veicolo elettrico come mezzo di trasporto innovativo, soprattutto per quanto riguarda l’impatto ambientale. Questo ha catturato la nostra attenzione tanto da portarci ad approfondirne i vantaggi e gli svantaggi, analizzandone le particolarità che lo caratterizzano.
I veicoli elettrici, infatti, rappresentano una tecnologia sempre più emergente, che si sta diffondendo soprattutto negli ultimi anni, tanto che in Paesi come la Germania, la Norvegia e l’Olanda si sta valutando la possibilità di limitare la circolazione entro il 2025 delle auto alimentate a benzina e a gasolio. Uno tra gli argomenti più discussi riguarda proprio la transizione verso l’utilizzo dell’elettrico, in quanto si ritiene che tali veicoli possano apportare miglioramenti rispetto ai veicoli convenzionali.
Tuttavia, non sempre le opinioni a tale riguardo sono concordanti tra di loro, in particolare per quanto riguarda il concetto di “emissioni zero”. Tra le domande più frequenti che ci si pone, infatti, troviamo la seguente: i veicoli elettrici sono davvero ad emissioni nulle? Quest’ultima definizione, che viene generalmente associata ai veicoli elettrici, in realtà rimane solamente un’utopia dal momento che la produzione delle emissioni dipende dalle fonti utilizzate per la generazione di energia elettrica e, quindi, nel migliore dei casi, tali emissioni risulteranno ridotte rispetto a quelle attuali, ma non saranno annullate completamente.
Come mostrato nella Figura 1.1, che riporta la produzione di CO2 in base alla
fonte utilizzata per produrre l’energia, possiamo vedere il netto picco provocato dall’utilizzo di fonti non rinnovabili, tra cui carbone e petrolio. Va sottolineato però, come anche con l’utilizzo di fonti rinnovabili, ad esempio l’idroelettrico e l’eolico, ci sia una produzione di CO2, seppur molto ridotta. È
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inevitabile, perciò, affermare che auto elettriche e zero emissioni sono due concetti contrastanti. [1]
Figura 1.1 Emissioni comparate di CO2 nella produzione di energia elettrica in
funzione della fonte utilizzata
Per ottenere un miglioramento, in termini di impatto ambientale, è indispensabile quindi limitare l’utilizzo di fonti non rinnovabili a favore di quelle rinnovabili, obiettivo che si sta cercando di raggiungere e che ci si propone per gli anni futuri. Quest’ultimo concetto è rappresentato nella Figura 1.2 in cui si può vedere la transizione, dall’anno 2000 all’anno 2050, verso una progressiva diminuzione nell’utilizzo di combustibili fossili. [2]
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Figura 1.2 Fonti utilizzate entro il 2050
Un altro oggetto di discussione riguarda gli aspetti legati alla presenza delle batterie, i quali risultano più evidenti nel caso di trasporto merci su strada a lungo raggio, sul quale ci siamo focalizzate nel nostro elaborato. In riferimento a questo, infatti, i camion elettrici richiederebbero batterie di dimensioni molto grandi e costose, caratterizzate da lunghi tempi di ricarica e che porterebbero a una riduzione del carico utile. Inoltre, tali batterie necessiterebbero di stazioni di ricarica con elevate capacità in termini di potenza. Tuttavia, risulterebbe impossibile utilizzare batterie di dimensioni minori, in quanto queste non garantirebbero l’autonomia necessaria. Bisogna anche considerare che, in ambito autostradale, risultano ridotti i vantaggi derivanti dalla frenatura rigenerativa.
Nonostante tutte queste problematiche, dalla documentazione da noi analizzata e dalle nostre considerazioni, riteniamo importante sottolineare che, anche nel trasporto merci stradale, la trazione elettrica di accumulo assumerà un ruolo sempre più importante.
Per aumentare la distanza percorribile da un veicolo elettrico pesante, è possibile affiancare alle batterie la possibilità di avere una captazione diretta
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della potenza elettrica. Il nostro elaborato si propone quindi di introdurre, come valida alternativa per il trasporto merci, il sistema a catenaria aerea. L’idea è quella di utilizzare i veicoli in modalità elettrica nei tratti dove è presente la catenaria, attraverso un’alimentazione diretta per mezzo di un pantografo. Al di fuori dei tratti elettrificati, invece, i veicoli continueranno il loro percorso alimentati dalla sola batteria oppure attraverso un motore ibrido. Per approfondire meglio l’argomento che abbiamo deciso di trattare e per ampliare le nostre conoscenze, ci siamo dedicate all’analisi di alcuni progetti già esistenti e realizzati in alcuni Stati.
Fra questi, in particolare, emerge quello sviluppato in Germania nel 2018, noto con il nome di Progetto ELISA; altri elaborati che abbiamo preso in considerazione sono quello in Svezia, ovvero la prima eHighway al mondo, e quello in California.
A partire da questi, abbiamo analizzato nel dettaglio i componenti principali che costituiscono il sistema e le loro caratteristiche, di cui ci siamo servite, adattandoli al nostro contesto, per realizzare il caso di studio da noi proposto. In particolare, abbiamo deciso di applicare il sistema a catenaria aerea a una parte del percorso autostradale che collega l’Interporto di Rivalta Scrivia al Porto di Genova Prà. Abbiamo focalizzato il nostro lavoro sulla definizione delle possibili lunghezze delle tratte da elettrificare e sulle diverse configurazioni di camion che potranno usufruire del sistema. Grazie ai calcoli svolti, abbiamo potuto poi approfondire alcuni aspetti riguardanti i componenti dei veicoli e i loro pesi per valutare le variazioni nel carico utile che si avrebbero nelle differenti situazioni e le modalità di utilizzo dei camion nelle configurazioni considerate.
Prima di immergersi nella lettura della tesi, per permettere al lettore di orientarsi più facilmente, abbiamo ritenuto opportuno riportare una breve descrizione della sua struttura e degli step seguiti per la realizzazione del nostro lavoro. Il Capitolo 2 è volto a fornire una panoramica generale
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dell’evoluzione dei veicoli e, nella seconda parte, una descrizione delle tipologie dei veicoli elettrici, argomento che ha catturato la nostra attenzione e da cui siamo partite per poi sviluppare i capitoli successivi. Nel Capitolo 3, infatti, abbiamo analizzato i vari aspetti legati ai veicoli elettrici e, in particolare, alle batterie che li caratterizzano; questo ci ha portato, dopo alcune valutazioni, ad introdurre, nel Capitolo 4, il sistema a catenaria per il trasporto merci su strada a lungo raggio. Nello stesso capitolo, inoltre, abbiamo analizzato i componenti del sistema e il loro funzionamento, definendo le configurazioni possibili dei camion che possono utilizzare il sistema stesso. Il Capitolo 5, invece, studia la nuova tecnologia considerandola da un altro punto di vista, che risulta interessante per coloro che vogliono avere una percezione degli ostacoli da superare quando si va incontro all’introduzione di un nuovo progetto. A questo proposito, ci siamo servite di una metodologia comunemente utilizzata per effettuare scelte strategiche. È proprio in questo capitolo che abbiamo cercato di trovare una risposta a due delle domande che ci siamo poste inizialmente, ovvero chi sarà a finanziare l’infrastruttura e come verrà percepito il sistema a catenaria dagli attori coinvolti. Il Capitolo 6 rappresenta il nostro caso di studio in cui abbiamo deciso di considerare la tratta compresa tra l’Interporto di Rivalta Scrivia e il Porto di Genova Prà, dove abbiamo applicato per la prima volta i concetti fin qui discussi. Mentre la parte centrale del capitolo riporta tutti i passaggi e i calcoli svolti per quanto riguarda i veicoli utilizzati nel sistema, la parte finale analizza l’infrastruttura e quindi definisce alcune caratteristiche del sistema di alimentazione.
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CAPITOLO 2
TIPOLOGIE DEI VEICOLI ELETTRICI
In questo capitolo abbiamo riportato, inizialmente, l’evoluzione storica del veicolo, per poi analizzare in dettaglio i veicoli elettrici e le cause della loro diffusione sul mercato. Successivamente, abbiamo definito le varie tipologie di veicoli elettrici ed effettuato un confronto tra di esse.
La prima parte è stata trattata per fornire al lettore un inquadramento generale dello sviluppo dei veicoli nel corso del tempo, in modo tale da poter comprendere il periodo di nascita e diffusione dei veicoli elettrici. Abbiamo ritenuto fondamentale soffermarci sulle loro diverse tipologie, con lo scopo di effettuarne un confronto, al fine di evidenziare vantaggi e svantaggi di ognuno di esse in termini di costi, autonomia delle batterie, efficienza e flessibilità per quel che concerne la tipologia di combustibile utilizzata.
2.1 Evoluzione storica del veicolo
L’invenzione dell’automobile risale a più di due secoli fa e, da quel momento, molti ricercatori hanno impiegato ingenti risorse e dedicato gran parte del loro lavoro nella ricerca di nuove alternative. All’inizio della storia dell’automobile erano presenti due principali approcci riguardanti i veicoli a motore, ossia i veicoli con motore a combustione interna (ICEV) e quelli con trasmissione elettrica.
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Per quanto concerne i veicoli a combustione interna, essi possono essere considerati come un’evoluzione dell’antico motore a vapore. Nel corso degli anni, questa tipologia di veicoli subì molte variazioni fino ad ottenere, durante la rivoluzione industriale, una diffusione degna di nota. Inizialmente, questi motori erano però molto ingombranti ed erano caratterizzati da rendimenti piuttosto limitati. Sotto questo punto di vista, la svolta decisiva è rappresentata dall’invenzione del motore a quattro tempi, ad opera di Otto, nel 1876.
Figura 2.1 Primo motore a quattro tempi a ciclo Otto
Possiamo quindi concludere che l’affermazione vera e propria del motore a combustione interna, in ambito automobilistico, si ha nei primi decenni del ‘900. Per essere più precisi, questa viene fatta risalire al 1908, anno in cui Henry Ford scelse un veicolo a combustione interna per la prima produzione di massa di automobili della storia.
Nonostante la continua diffusione sul mercato, le esigenze di riduzione di CO2,
a causa delle norme antiinquinamento, hanno spinto i ricercatori a porre la loro attenzione alla ricerca di un nuovo propulsore.
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Per quanto riguarda i propulsori termici, sono state analizzate diverse alternative, tra cui il motore Rankine (motore a vapore) e il motore Brayton (turbine a gas). Tutte le alternative proposte presentavano però dei limiti, analogamente agli autoveicoli tradizionali. Il primo limite è legato alla conversione dell’energia chimica del combustibile in energia meccanica per mezzo di un ciclo termodinamico diretto. Il secondo, invece, è legato alla modalità di conversione dell’energia chimica del combustibile, conversione che nelle auto si ottiene dalla combustione di un combustibile fossile. Questo processo genera emissioni di inquinanti e, in particolare, di biossido di carbonio (CO2), uno dei principali responsabili dell’effetto serra e del
riscaldamento globale.
Per ottenere dei miglioramenti in riferimento al problema dell’effetto serra, si è pensato di utilizzare dei combustibili alternativi, come per esempio il metano, i biocombustibili e l’idrogeno. In particolare, quest’ultimo, caratterizzato da un’elevata densità di energia, viene utilizzato, oltre che come combustibile nei motori termici, anche nelle celle a combustibile (Fuell Cell) per la trasformazione diretta della sua energia chimica in energia elettrica. Anche questa tecnologia non risale agli ultimi anni, ma ha, in realtà, le sue radici già nel 1839, anno in cui William Grove realizzò un esperimento in cui rese reversibile la trasformazione di elettrolisi, riuscendo ad ottenere energia elettrica dall’idrogeno. [3]
Per quanto riguarda la nascita delle auto elettriche, questa risale al XIX secolo; in particolare la prima auto elettrica risale al 1834, anno in cui fu costruita per la prima volta dall’inventore americano Thomas Davenport.
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Figura 2.2 Prima auto elettrica, 1834 Thomas Davenport
Questo sta ad indicare come i veicoli elettrici a batteria non rappresentino una recente “high tech” ma siano disponibili come prodotto di serie da oltre 100 anni.
In questi primi anni, però, non ci fu una vera e propria diffusione dei veicoli elettrici, principalmente a causa dell’inefficienza delle batterie. La maggiore limitazione delle auto elettriche, infatti, è dovuta proprio alla minore densità energetica delle batterie rispetto ai combustibili liquidi utilizzati nei motori termici, cosa che si traduce in una minore autonomia ed in tempi di ricarica relativamente lunghi. Inoltre, l’elettricità non era ancora disponibile ovunque mentre, dall’altro lato, il prezzo del combustibile era molto ridotto.
Sebbene le motivazioni alla base dello sviluppo dei veicoli elettrici fossero legate a benefici di tipo ambientale, in seguito furono effettuati anche degli studi aventi come obiettivo quello di migliorarne le prestazioni. A questo proposito, è degna di nota, in quanto molto rappresentativa, la Concept Car Eliica, sviluppata in Giappone nel 2004, la quale raggiunse una velocità massima di 370 km/h e un’autonomia di 200 km. [3]
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Figura 2.3 Concept Car Eliica, 2004
Successivamente, con lo scopo di superare quello che rappresentava il maggior limite dei veicoli elettrici, ovvero la loro scarsa autonomia, furono sviluppati i veicoli ibridi. Si tratta di veicoli caratterizzati dalla compresenza di due motori: un motore termico e un motore elettrico.
Questi veicoli, a discapito di pesi, costi e complessità più alti rispetto ai veicoli tradizionali, permettono di ridurre in modo significativo (30-40%) consumi ed emissioni, grazie al recupero dell’energia in frenata, ovvero la cosiddetta frenata rigenerativa, che, come per i veicoli elettrici a batteria, viene ottenuta facendo lavorare la macchina elettrica come generatore, ed attraverso l’uso ottimizzato dei due propulsori: in un veicolo ibrido, infatti, il motore termico può lavorare prevalentemente in condizioni di massimo rendimento, mentre in un veicolo convenzionale esso è costretto a seguire le richieste di potenza del guidatore, operando anche in condizioni in cui il rendimento è particolarmente basso.
Anche questa soluzione ha però radici che risalgono al passato. Nel 1898, infatti, Ferdinand Porsche costruì la sua prima vettura elettrica a cui seguì un secondo prototipo che fu presentato nel 1900 all’Esposizione Universale di Parigi. Questo primo veicolo ibrido, la “Semper Vivus Lohner-Porsche”, era dotato di un motore a combustione interna che muoveva un generatore, il
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quale forniva energia a motori elettrici, posizionati su ciascuna ruota del veicolo. [4]
Figura 2.4 Primo veicolo ibrido, Semper Vivus Lohner-Porsche
In particolare, negli ultimi anni, l’aumento dei volumi di trasporto ha provocato molteplici impatti negativi sull’ambiente, primo fra tutti il problema dell’inquinamento atmosferico, causato dalla combustione dei combustibili fossili, dalle attività agricole, dagli scarichi delle fabbriche e da altre attività. Il cambiamento climatico globale che ne consegue è un importante problema di attualità dal momento che la temperatura della superficie terrestre e la temperatura dell’aria stanno raggiungendo dei valori sempre più elevati e per questo motivo considerati critici. Il riscaldamento globale e l’inquinamento dell’aria sono in gran parte causati dai gas serra (GHG), i quali vengono emessi da numerose attività antropologiche, ad esempio l’industria, l’edilizia e il trasporto.
Per far fronte a queste problematiche e ridurre il valore di emissioni causate dai veicoli pesanti che circolano su strada, la Commissione Europea ha rilasciato nuove normative. I paesi Europei si sono così attivati al fine di implementare nuove tecnologie volte a ridurre le emissioni di gas serra nel settore dei trasporti, in conformità con l’Accordo di Parigi del 2015, in cui tutte
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le parti firmatarie si impegnarono nella limitazione del riscaldamento globale a 1.5 gradi Celsius. L’Unione Europea si è così posta come obiettivo quello di ridurre le emissioni di gas serra del 40% entro il 2030. [5]
Una delle tecnologie che permette di superare i problemi ambientali nell’ambito del trasporto merci su strada è proprio quella elettrica. Va però osservato che l’utilizzo di auto elettriche, mentre da un lato migliora la qualità dell’aria e le emissioni di rumore nelle aree urbane, non contribuisce necessariamente ad una riduzione del livello di CO2, poiché, in molti paesi, la
maggior parte dell’energia elettrica è ancora ottenuta per via termoelettrica e a partire dai combustibili fossili.
Tra i più recenti sistemi di trasporto merci su strada è stato sviluppato un nuovo sistema elettrico, sulle autostrade, caratterizzato dalla presenza di cavi aerei. Questo progetto prende il nome di eHighway. La modalità di guida è molto semplice: quando il camion si trova nella sezione in cui è presente la linea di trazione, viene alimentato dalla rete mentre le batterie si caricano durante la guida. Quando il camion lascia tale sezione, il veicolo prosegue il suo percorso in modalità elettrica tramite le batterie presenti a bordo del camion nel caso di camion elettrico a batteria e, nel caso di camion ibrido, viene invece alimentato da un motore termico.
La prima eHighway al mondo è stata realizzata nel Giugno del 2016 in Svezia, sull’autostrada E16, a 2 km a nord della città di Stoccolma.
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Figura 2.5 Prima eHighway realizzata in Svezia nel 2016
2.2 Veicoli elettrici
Negli ultimi anni è stata posta una maggiore attenzione nei confronti dei veicoli elettrici in quanto ci si sta maggiormente occupando della decarbonizzazione nel settore dei trasporti. Sono state svolte importanti ricerche che hanno infatti mostrato come i veicoli elettrici possano portare ad una mitigazione climatica, permettendo in questo modo di raggiungere notevoli benefici.
Se prendiamo in esame il consumo di energia, mostrato nella Figura 2.6, si può vedere come questo ha raggiunto, nel 2008, un valore di 8423 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (Mtoe), valore che ci si aspetta crescerà in media dell’1.4% all’anno raggiungendo i 12 239 Mtoe nel 2035. È importante sottolineare che il settore dei trasporti incide per una percentuale del 27% sul totale del consumo di energia. Tale consumo è destinato ad aumentare, passando da 2299 Mtoe nel 2008 a 3433 Mtoe nel 2035. [6]
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Figura 2.6 Variazione del consumo finale globale di energia per ogni settore
A causa della dipendenza molto elevata dal petrolio, pari a circa il 90%, il settore dei trasporti rappresenta la seconda fonte di emissioni di CO2,
raggiungendo le 6.3 gigatonnellate (Gt) nel 2008, ossia il 24% delle emissioni totali di CO2, seconda fonte solo dopo la produzione di energia elettrica, che si
trova al primo posto della classifica con un valore di emissioni pari al 40% del totale.
Del restante 36% di produzione delle emissioni, il 16% è generato dall’industria, il 12% dall’edilizia e l’8% dall’agricoltura e dall’uso non energetico, come rappresentato nella Figura 2.7.
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Figura 2.7 Emissioni globali di CO2 per ogni settore nel 2008
In particolare, negli ultimi anni, si è verificato un notevole incremento del numero di viaggi su strada, principalmente per quanto riguarda i veicoli leggeri e i camion. Ci si aspetta che questa crescita continui con gli anni, soprattutto nel settore del trasporto merci su strada.
I veicoli elettrici vengono quindi percepiti come una soluzione per ridurre le emissioni di CO2, affermazione corretta solo se vengono analizzati anche altri
elementi, primo tra tutti la decarbonizzazione nella generazione dell’elettricità. Infatti, solo nelle nazioni in cui non si produce energia elettrica a partire dal carbone si avranno dei risultati positivi in termini di miglioramenti nelle emissioni.
Si può quindi concludere che una soluzione per quelle che sono le principali sfide del XXI secolo nell’ambito della mobilità, ossia la riduzione dei gas serra e la scarsità delle risorse energetiche convenzionali, è rappresentata dai veicoli elettrici, unitamente con l’utilizzo delle energie rinnovabili.
Queste motivazioni di carattere ambientale, insieme al calo dei prezzi delle batterie e alla loro maggiore autonomia e quindi maggiore efficienza, sono gli
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elementi principali che caratterizzano la diffusione sul mercato dei veicoli elettrici.
Si parla quindi di e-Mobility, facendo riferimento a quei veicoli che utilizzano l’elettricità come principale fonte di energia, con la possibilità di ricaricare la batteria collegandosi con una presa alla rete elettrica, indipendentemente che si tratti di veicoli che siano dotati di un motore a combustione interna ausiliario da utilizzare negli spostamenti di lunghe distanze o per mantenere carica la batteria.
Un’auto elettrica, quindi, è un veicolo dotato di un motore elettrico che utilizza l’energia chimica che viene immagazzinata in un “serbatoio energetico”, rappresentato da una o più batterie. Gli elementi caratteristici costitutivi di un’auto elettrica sono la batteria, il caricabatteria, il quale deve essere collegato ad una presa di corrente, e un controller che orienta il flusso di elettricità tra batteria e motore. Tali veicoli sono poi dotati di un sistema frenante a recupero, ossia un sistema che permette non solo di effettuare la frenata, ma anche di funzionare da caricabatteria. Quando l’acceleratore non è più premuto, il motore funziona da generatore elettrico e va a riconvertire l’energia cinetica del veicolo in energia elettrica e la accumula all’interno di una batteria. Il veicolo è inoltre dotato di un sistema di frenatura tradizionale che viene utilizzato nel caso in cui sia necessario un arresto rapido. Tali veicoli hanno complessivamente una maggiore efficienza energetica rispetto a quasi tutti i motori a combustione interna. Tra gli aspetti negativi si riscontrano, invece, una limitata autonomia tra le ricariche, un elevato tempo necessario per la ricarica e la scarsa durata delle batterie in termini di vita utile; questo argomento verrà maggiormente approfondito nel Paragrafo 3.3.
2.3 Tipologie di veicoli elettrici
Esistono diverse tipologie di veicoli elettrici che le aziende automobilistiche di tutto il mondo stanno sviluppando e commercializzando:
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Hybrid electric vehicle (HEV), in cui la carica elettrica delle batterie avviene trasformando l’energia cinetica del veicolo durante la fase di frenata;
Battery electric vehicle (BEV), alimentati da un motore elettrico e da una batteria;
Hydrogen fuel-cell electric vehicle (HFCV), dotati di un sistema di stoccaggio dell’idrogeno, una cella a combustibile, una trasmissione elettrica ed eventualmente una batteria.
2.3.1 Veicoli ibridi elettrici
Nei veicoli ibridi elettrici (HEV) l’energia primaria proviene da un motore a combustione interna caratterizzato da una potenza inferiore rispetto a quella di un veicolo convenzionale e dotato di moderni sistemi per ridurre le emissioni inquinanti ed aumentare l’efficienza. Tali veicoli sono inoltre dotati di un motore elettrico ausiliario, alimentato da batterie che vengono caricate dal motore a combustione interna oppure da punti di ricarica su apposite infrastrutture. I principali vantaggi che questi veicoli sono in grado di garantire, rispetto ai veicoli convenzionali a combustione interna, sono rappresentati dall’utilizzo della trazione elettrica nei centri urbani e da un maggior risparmio di carburante. Inoltre, tali veicoli sono caratterizzati da un ridotto tempo di funzionamento al minimo con conseguente riduzione delle perdite. A seconda della dimensione della seconda fonte di potenza a bordo, il motore a combustione interna può essere spento ad ogni arresto del veicolo o alle basse velocità di avanzamento.
Una particolare tipologia di veicolo ibrido elettrico è quella plug-in (PHEV), la quale è molto più simile ai veicoli convenzionali rispetto agli HEV non plug-in, caratteristica che può aumentarne l’accettabilità. In questi veicoli, la batteria rappresenta la principale fonte di energia che viene ricaricata tramite l’elettricità proveniente da una fonte esterna, ad esempio per mezzo del collegamento con una presa alla rete elettrica (plug-in). I PHEV sono dotati
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anche di un motore a combustione interna (ICE) che viene utilizzato per ricaricare la batteria e/o per muovere il veicolo quando la distanza da percorrere eccede l’autonomia della batteria.
La differenza tra questi veicoli e gli HEV non plug-in sta proprio nella batteria che, nei PHEV, presenta una maggiore capacità e può essere ricaricata non solo dalla frenatura, ma anche dalla presa di corrente.
Come mostrato nella Figura 2.8, il veicolo ibrido elettrico plug-in è caratterizzato da due modalità di funzionamento di base: modalità a esaurimento di carica (CD) e modalità a mantenimento di carica (CS). Per una certa distanza, il PHEV completamente carico viene guidato in modalità CD; in questo modo l’energia immagazzinata nella batteria viene utilizzata per alimentare il veicolo, esaurendo gradualmente lo stato di carica della batteria. Quando la batteria è esaurita, il veicolo passa alla modalità CS, sostenendo lo stato di carica della batteria, affidandosi principalmente al motore a combustione interna per guidare il veicolo, come un veicolo elettrico ibrido convenzionale. L’autonomia CD rappresenta la massima distanza che un PHEV completamente carico può percorrere in modalità CD, prima di dover passare alla modalità CS. Tale autonomia dipende dal ciclo di guida del veicolo, ossia dalle condizioni e dalle modalità in cui viene guidato.
In modalità CD, un PHEV può essere progettato per utilizzare esclusivamente l’elettricità della rete (tutto elettrico) oppure elettricità e benzina (miscelato). A parità di altre condizioni, un PHEV progettato per il funzionamento tutto elettrico necessita di una batteria più potente rispetto ad un veicolo progettato per il funzionamento misto. [7]
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Figura 2.8 Illustrazione di un tipico ciclo di scarico di un PHEV
In base alla loro configurazione i veicoli ibridi elettrici possono essere classificati in ibrido serie e ibrido parallelo. Queste due tipologie verranno poi analizzate nel Paragrafo 4.4.2 nel dettaglio, con i relativi vantaggi e svantaggi.
2.3.2 Veicoli elettrici a batteria
I veicoli elettrici a batteria (BEV) sono dotati di una batteria che viene ricaricata collegandosi con una presa alla rete elettrica, senza fonti di energia ausiliaria a bordo. Le principali problematiche connesse ai BEV sono rappresentate dall’autonomia limitata, dal tempo necessario per la ricarica delle batterie, dalla necessità di infrastrutture particolari per la ricarica stessa, dal peso e dall’ingombro delle batterie, dalla velocità massima che risulta limitata e dal costo di manutenzione elevato. Per superare il problema della ricarica lenta, sono state sviluppate delle tecnologie di ricarica rapida. In riferimento a queste ultime ne esistono due tipologie: sistemi a ricarica diretta o a contatto e sistemi a ricarica induttiva o elettromagnetica.
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Nel primo caso il veicolo dispone di una presa di corrente che viene connessa con una stazione di ricarica, ovvero un’infrastruttura costituita da uno o più punti di ricarica e chiamata comunemente colonnine di ricarica. In base al settore d'utilizzo, queste devono soddisfare esigenze diverse e quindi vengono suddivise in due categorie principali: colonnine di ricarica per il settore privato e semipubblico e colonnine di ricarica per il settore pubblico.
Figura 2.9 Sistema a ricarica diretta o a contatto
Nel secondo caso, invece, il sistema permette di utilizzare un campo elettromagnetico alternato, in sostituzione di cavi e prese, per trasferire l'energia elettrica. Tale campo è ottenuto tramite una bobina ad induzione posizionata in una stazione base per la ricarica. Una seconda bobina è presente nel veicolo e a brevi distanze dalla prima può ritrasformare l'energia del campo elettromagnetico in energia elettrica per ricaricare la batteria. [8]
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Figura 2.10 Sistema a ricarica induttiva o elettromagnetica
Per quanto concerne, invece, il problema dell’autonomia, si è pensato alla possibilità di utilizzare, all’interno dei BEV, dei piccoli ed efficienti motori a combustione interna oppure di provvedere allo scambio delle batterie in apposite stazioni speciali.
2.3.3 Veicoli a celle a combustibile idrogeno
L’ultima tipologia di veicoli elettrici considerata è quella dei veicoli a celle a combustibile idrogeno (HFCV), i quali utilizzano una cella a combustibile per convertire l’idrogeno, immagazzinato a bordo del veicolo, in elettricità e poi funzionano come un tradizionale veicolo elettrico.
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Figura 2.11 Schema funzionale di un veicolo a celle a combustibile idrogeno
Tali veicoli richiedono l’impiego di una nuova infrastruttura energetica, la quale comprende le stazioni di produzione, consegna e rifornimento dell’idrogeno. Questa infrastruttura può assumere configurazioni differenti perché l’idrogeno, come l’elettricità, è un vettore energetico che può essere prodotto in modi diversi, a partire da una serie di risorse energetiche primarie differenti. Le due principali configurazioni sono quelle mostrate nella Figura 2.12 e nella Figura 2.13. [9]
Nella prima, le materie prime energetiche a idrogeno (acqua, elettricità, gas naturale) vengono fornite a siti locali di produzione di carburante e di rifornimento, dove l’idrogeno viene prodotto ed erogato in sito.
Nella seconda, invece, l’idrogeno viene prodotto da una serie di materie prime energetiche (acqua, gas naturale, elettricità, biomassa, carbone) in grandi strutture centralizzate e poi viene consegnato via oleodotto o camion alle stazioni di rifornimento.
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Figura 2.12 Infrastruttura per l’idrogeno in loco
Figura 2.13 Infrastruttura con produzione centrale di idrogeno
Tra i vantaggi degli HFCV, oltre alla ridotta quantità di emissioni nocive e di inquinamento acustico, che caratterizzano tutti i veicoli elettrici, si individua una maggiore autonomia rispetto a quella dei veicoli elettrici a batteria. I lati negativi, invece, sono rappresentati dall’elevato costo della cella di combustibile, dalla mancanza di un’adeguata rete di stazioni di rifornimento dell’idrogeno e dalla durata delle celle che risulta ancora insufficiente.
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2.4 Confronto tra le diverse tipologie
Al fine di effettuare un confronto tra le diverse tipologie di veicoli elettrici è importante prendere in analisi quelle che sono le caratteristiche principali di ognuno dei diversi sistemi.
Un primo confronto che può essere effettuato riguarda il combustibile utilizzato dalle diverse tipologie di veicolo elettrico. Nei PHEV il combustibile liquido che viene tipicamente utilizzato è il petrolio (benzina o diesel), ma questi veicoli possono eventualmente utilizzare anche dei combustibili alternativi, ad esempio biocarburanti o idrogeno. I PHEV sono quindi dei veri e propri veicoli a combustibile flessibile, potendo funzionare a petrolio o energia elettrica. [10]
Dall’altro lato, gli HEV permettono di ottenere un elevato risparmio di carburante, ma sono progettati per carburanti petroliferi e non consentono di essere utilizzati con carburanti alternativi, non permettono quindi una flessibilità nella scelta del tipo di carburante.
I BEV, invece, non necessitano di petrolio, ma sono vincolati dalla tecnologia delle batterie; presentano quindi un’autonomia di guida limitata, costi significativi, dovuti alla presenza delle batterie stesse, e lunghi tempi di ricarica. Inoltre, hanno delle batterie di dimensioni più elevate rispetto a quelle dei PHEV. Per i PHEV, questo è un elemento molto importante perché permette di ridurre il costo di acquisto della batteria e il tempo di ricarica. Inoltre, i PHEV sono dotati di un serbatoio del carburante, a bordo, in grado di fornire un’autonomia di guida analoga a quella dei veicoli convenzionali ibridi.
Proprio il costo delle batterie, in particolare per i BEV, è l’elemento fondamentale che fa sì che, allo stato attuale, i veicoli elettrici a batteria vengano generalmente noleggiati dagli utenti piuttosto che essere acquistati. Infatti, per coloro che desiderano possedere un’auto propria per motivi di accesso ed utilizzo immediato e/o motivi di status sociale, la barriera più grande è rappresentata dall’elevato costo delle batterie. Questo problema può
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essere gestito, per esempio, tramite il leasing delle batterie stesse, attività proposta da Better Place, la quale prevede che le persone siano proprietarie delle auto ma non delle batterie. [11]
Anche in termini di autonomia si possono evidenziare delle differenze tra le varie tipologie di veicoli elettrici. I veicoli a celle combustibili e quelli ibridi elettrici tradizionali, per esempio, sono più adatti alla guida a lungo termine, perché il loro raggio d’azione è molto più elevato di quello dei PHEV e dei BEV. Quindi, i potenziali utenti dei veicoli a celle combustibili e dei veicoli ibridi elettrici convenzionali potrebbero essere delle persone con elevata necessità di mobilità, che percorrono lunghe distanze, mentre gli utenti dei BEV sarebbero principalmente le società che possiedono delle flotte di veicoli e gli utenti che si muovono in ambito urbano.
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CAPITOLO 3
PRODUZIONE E ACCUMULO A BORDO
DELL’ENERGIA ELETTRICA
In questo capitolo, in seguito alla descrizione dei veicoli elettrici effettuata nel capitolo precedente, abbiamo ritenuto importante considerare le fonti con le quali può essere prodotta l’energia elettrica, in quanto, in funzione di queste, si può avere un miglioramento o meno dell’impatto ambientale. A questo proposito, abbiamo descritto le principali tipologie di accumulatori poiché, a seconda dei componenti che costituiscono le diverse batterie, si hanno prestazioni ed entità dell’inquinamento differenti. Questo ci è stato utile per introdurre alcune considerazioni legate alla presenza delle batterie a bordo dei veicoli, le quali mettono in evidenza alcune problematiche che devono essere affrontate e di cui l’utente deve essere a conoscenza. Infine, abbiamo posto la nostra attenzione su un ulteriore elemento caratteristico di tali veicoli, ovvero la frenatura rigenerativa e su come questa mostri risultati positivi, in termini di efficienza, in ambito urbano.
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3.1 Fonti utilizzate per la produzione dell’energia
elettrica
In tutto il mondo, è diffuso il pensiero collettivo secondo il quale il trasporto elettrico rappresenti una tecnologia rispettosa nei confronti dell’ambiente, per quanto concerne le emissioni di gas serra e di altri inquinanti atmosferici, rispetto alle altre opzioni di trasporto. In realtà, questa affermazione non è così scontata e richiede di effettuare analisi più approfondite. I veicoli elettrici, infatti, non sempre migliorano l’impatto ambientale tanto quanto ci si aspetta. Prima di tutto, bisogna prendere in considerazione il fatto che, adottando veicoli elettrici, si va semplicemente a spostare il luogo di emissione degli inquinanti e non ad eliminare il problema alla base. Tale luogo, infatti, viene spostato dai percorsi in cui si muovono i veicoli, generalmente all’interno di aree urbane e densamente popolate, ai luoghi in cui sono posizionate le centrali per la produzione di energia elettrica. Solitamente questi luoghi si trovano in aree decentralizzate delle città ma non per questo motivo degne di meno nota, in quanto, in queste aree, vengono emesse ingenti quantità di gas serra GHG e di altri inquinanti, come per esempio cobalto, composti organici volatili e anidride solforosa. [12]
La problematica viene inoltre più o meno ad aggravarsi in funzione di come viene prodotta l’energia elettrica. Questa, infatti, può essere prodotta a partire da fonti rinnovabili, ad esempio utilizzando l’acqua in movimento, il vento, l’energia solare, i getti dei vapori naturali e i rifiuti di origine vegetale, oppure a partire da fonti non rinnovabili, tra cui carbone, petrolio, metano e uranio (in quest’ultimo caso si parla di energia nucleare). La differenza sostanziale risiede nel fatto che le prime non comportano alcuna emissione di sostanze inquinanti, cosa non vera per le fonti non rinnovabili.
Una situazione critica è rappresentata dagli Stati in cui l’energia elettrica viene prodotta con il carbone, cosa che avviene in molti altri Paesi, soprattutto quelli in via di sviluppo come l’India e la Cina. Questi Paesi, unitamente all’Australia,
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alla Polonia e al Sudafrica, producono, attraverso la combustione del carbone, una percentuale di elettricità variabile tra il 68% e il 94%. [4]
La Figura 3.1 mostra la domanda di carbone nei vari Stati, prendendo in considerazione gli anni 2018, 2030, 2040 e due diversi scenari, ovvero quello delle politiche dichiarate (nella parte sinistra del grafico) e quello dello sviluppo sostenibile (nella parte destra). In riferimento al primo scenario, si può vedere, nel corso degli anni, un andamento della domanda di carbone pressoché costante ma con valori molto elevati, fenomeno che è dovuto principalmente alla Cina, all’India e ad altri Paesi dell’Asia meridionale e sudorientale. In queste regioni, infatti, la domanda di energia elettrica ha avuto un trend in crescita e si presume che questa domanda continuerà a crescere in futuro; per ora il carbone rimane la principale fonte da cui viene generata l’energia stessa. Se prendessimo in considerazione, al posto dello scenario delle politiche dichiarate, quello dello sviluppo sostenibile, vedremmo invece che la domanda di carbone diminuirebbe molto rapidamente. [13]
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Figura 3.1 Domanda di carbone globale negli anni 2018, 2030, 2040 in due diversi scenari
In funzione di quanto detto finora, è quindi fondamentale capire quali sono gli Stati in cui è vantaggioso l’utilizzo dei veicoli elettrici, prendendo in analisi gli elementi di cui si è parlato. Si può quindi concludere che questa tecnologia di per sé non è necessariamente una tecnologia “verde”.
Per quanto concerne le emissioni di gas serra e il consumo di energia dei veicoli elettrici in Cina, è stato condotto uno studio da alcuni ricercatori dell’Università di Tsinghua e dell’Argonne, il quale mostra che, in funzione della rete da cui i veicoli elettrici vengono caricati, ci sono delle differenze nelle riduzioni delle emissioni generate dai veicoli stessi. Dallo studio è emerso che solo nella Cina meridionale le emissioni dei veicoli elettrici sono inferiori rispetto a quelle dei veicoli elettrici ibridi, a differenza di quello che avviene
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nella rete Nord e Nord-Est della Cina, dove la produzione di elettricità è fortemente dipendente dal carbone e, di conseguenza, adottando i veicoli elettrici si otterrebbe addirittura un aumento delle emissioni di gas serra. Dalla Figura 3.2 si può infatti notare che, in Cina, la produzione di energia elettrica è basata sull’uso del carbone per oltre l’80%. La seconda fonte per la produzione di energia elettrica è l’energia idroelettrica, con un valore del 16%, mentre il nucleare, l’eolico, le biomasse e le altre fonti di energia rappresentano solo delle piccole percentuali. [13] [14]
Figura 3.2 Fonti utilizzate in Cina per la produzione di energia elettrica
Inoltre, è importante considerare che le risorse energetiche non sono distribuite in modo omogeneo; per esempio, la rete della Cina centrale raggiunge un valore di elettricità rinnovabile pari al 40%, mentre nella Cina settentrionale tale valore è molto basso, inferiore al 2%. Il fattore di emissione dell’elettricità varia quindi a seconda della fonte di produzione dell’energia e dell’efficienza con cui questa viene prodotta. Complessivamente, i fattori di emissioni per le energie rinnovabili sono molto bassi (solo circa l’1% del fattore di emissione di gas serra per l’elettricità a carbone) e anche quelli per
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l’elettricità a gas e a petrolio rappresentano una percentuale limitata. Di conseguenza, il 97.5% delle emissioni di gas serra, derivanti dalla produzione di energia elettrica, proviene dal carbone. [14]
In termini di emissioni di CO2, in Cina, la produzione di energia elettrica per
mezzo del carbone genera delle emissioni decisamente superiori a quelle che abbiamo per esempio in Germania, sempre dovute ai veicoli elettrici a batteria. [4]
L’approvvigionamento energetico tedesco, infatti, si basa su un’ampia gamma di fonti energetiche e, in particolare, le fonti rinnovabili hanno potenziato il loro ruolo negli ultimi anni.
Un altro Paese degno di nota è l’Italia. In Italia, infatti, grazie all'uso del metano e a una quota significativa di fonti rinnovabili, la situazione è più favorevole rispetto ai Paesi che invece utilizzano carbone e questo rende comunque conveniente la diffusione della trazione elettrica, nonostante l’utilizzo del gas ricopra un ruolo maggiore in confronto alla Germania.
Quello che si può concludere è quindi che minore è l’impatto di carbonio che accompagna la produzione di energia elettrica in un paese, minori sono le emissioni di gas serra del veicolo elettrico a batteria.
3.2 Tipologie di accumulatori
Le prestazioni delle batterie e l'entità dell'inquinamento da esse prodotto variano enormemente a seconda dei componenti che costituiscono le varie tipologie di batterie.
Molto importante è l’aspetto dell’impatto ambientale, fattore da tenere ben in considerazione nella realizzazione di un veicolo elettrico e, soprattutto, della batteria. Esistono infatti diverse tipologie di batterie che vengono analizzate in dettaglio nel seguito.
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3.2.1 Batterie al piombo
Le batterie al piombo acido (Pb/A) sono il tipo di batteria più vecchio utilizzato nei veicoli e sono caratterizzate dai prezzi più bassi. Tuttavia, anche la loro energia specifica è bassa rispetto a quella delle altre tecnologie di batterie e, inoltre, sono caratterizzate da una breve durata di vita a causa della corrosione del materiale attivo sulla piastra positiva (corrosione anodica).
Nell’ambito della trazione elettrica si sono sviluppate, in tempi più recenti, andando a compensare alcuni problemi di sicurezza e di impatto ambientale delle classiche batterie al piombo acido, delle batterie al piombo leggermente diverse da quelle tradizionali: le batterie al piombo sigillato, le batterie al gel e le AGM.
Facendo riferimento alle batterie al piombo sigillato, queste, emettendo solo minime quantità di idrogeno e sostanze corrosive, offrono maggiori garanzie di sicurezza, grazie anche alla presenza di una valvola di sfogo che impedisce di avere sovrappressioni.
Per quanto riguarda le batterie al gel, il vantaggio principale sta nel fatto che è assolutamente impossibile che queste rilascino acido, anche se l'involucro di cui sono costituite si rompesse o se fossero capovolte. Tuttavia, presentano anche qualche svantaggio, tra cui il fatto che devono essere caricate con correnti e tensioni più basse rispetto alle altre batterie, altrimenti ci sarebbe la possibilità che si formino, all'interno dell'elettrolita gelificato, delle bolle di gas in grado di danneggiarle permanentemente.
Infine, le batterie AGM sono caratterizzate dal fatto di avere un elettrolita solido del tipo AGM (Absorbed Glass Mat, ovvero una fibra di vetro molto fine costituita da Boro-Silicio "imbevuta" di acido - soluzione di acqua e acido solforico) tra gli elettrodi. Pertanto, questi accumulatori sono molto sicuri in quanto garantiscono la non fuoriuscita dell'acido anche se rotti. Quasi tutte le batterie AGM sono anche del tipo VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Questo significa che la batteria dispone di una piccola valvola che mantiene all'interno dell’accumulatore una leggera pressione positiva rispetto all'ambiente esterno. Come si può facilmente intuire, questo tipo di tecnologia presenta tutti i
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vantaggi delle batterie al gel, ma senza presentarne i limiti, dal momento che queste ultime possono sopportare correnti di carica più sostenute: possono infatti essere ricaricate come le batterie standard. Un’altra caratteristica importante è che sono "ricombinanti", ovvero che l'ossigeno e l'idrogeno che si formano durante la ricarica si ricombinano generando nuovamente acqua (con efficienza superiore al 90%) direttamente all'interno della batteria, garantendo una perdita di acqua estremamente contenuta durante l'intero tempo di vita della batteria stessa. Questo tipo di accumulatore al piombo di nuova generazione è quindi il più adatto all’utilizzo su veicoli a propulsione elettrica.
3.2.2 Batterie al nichel
Un altro tipo di batteria è quella costituita dal nichel. Esistono quattro tipi di batterie a base di nichel, che utilizzano il nichel nell'elettrodo positivo della batteria: il nichel cadmio (Ni-Cd), il nichel metallo idruro (Ni-MH), il nichel ferro (Ni-Fe) e il nichel zinco (Ni-Zn).
Il nichel cadmio (Ni-Cd) è montato su molti veicoli elettrici ed è caratterizzato da un buon ciclo di vita, una potenza specifica elevata, una capacità di ricarica piuttosto veloce e una capacità di operare in un’ampia gamma di temperature. È necessario però considerare la tossicità del cadmio, fattore che gioca un ruolo chiave nell’accettazione di questo tipo di batteria.
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Figura 3.3 Sezione della batteria Ni-Cd
Il Ni-Cd ha specifiche simili rispetto alle batterie al nichel metallo idruro (Ni-MH). Il vantaggio della batteria Ni-MH è che non utilizza cadmio e ciò la rende sicuramente più accettabile dal punto di vista ambientale. Dal punto di vista tecnico, invece, la sua energia specifica è leggermente maggiore rispetto alle batterie al Ni-Cd ed è inoltre adatta a ricaricarsi in tempi brevi. Tuttavia, uno svantaggio è la sua tendenza all’autoscarica. Le batterie al nichel metallo idruro sono utilizzate nei veicoli a propulsione ibrida (caratterizzate da doppio motore, elettrico e a combustione interna), grazie alla loro eccellente potenza specifica che è resa disponibile.
Le batterie nichel-ferro (Ni-Fe) sono state popolari all’inizio del ventesimo secolo grazie alla loro maggiore energia specifica ed al loro maggiore ciclo di vita rispetto alle batterie al piombo acido. Adesso però sono state completamente abbandonate a causa delle loro scarse prestazioni a basse temperature e alla loro scadente efficienza energetica, richiedendo inoltre di un eccessivo ed inaccettabile consumo di acqua.
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Le batterie nichel–zinco (Ni-Zn) hanno un funzionamento che è molto simile alle batterie nichel-cadmio o nichel-ferro. Si utilizza infatti il medesimo tipo di elettrodo positivo, mentre la differenza sta nel fatto che in questo caso viene utilizzato lo zinco come metallo nell’elettrodo negativo. È un tipo di tecnologia molto recente ed ha le peculiarità di avere una maggiore potenza (a parità di peso e/o di volume) e soprattutto la non tossicità, problema che si riscontra invece nelle batterie nichel-cadmio. Le batterie Ni-Zn e Ni-Fe non sono però considerate un’opzione utilizzabile sui veicoli elettrici, a causa del loro breve ciclo di vita e della loro bassa potenza specifica.
3.2.3 Batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio, invece, sono molto adatte come batterie per i veicoli elettrici ad alte prestazioni grazie alle principali caratteristiche del litio metallico. Tra tutti i diversi metalli, infatti, il litio è quello caratterizzato dal più alto potenziale standard ed equivalente elettrochimico. Ciò indica che ha il più alto potenziale specifico di energia (in Wh/kg) di tutti i metalli e, su base di energia volumetrica (Wh/l), è inferiore solo all’alluminio e al magnesio. Il litio è anche molto leggero, il più leggero di tutti i materiali metallici. Le batterie agli ioni di litio sono disponibili in numerosi modi. Le specifiche della batteria possono variare in base ai materiali utilizzati sull’anodo o sul catodo. Questo metallo ha la proprietà di poter immagazzinare enormi quantità di energia. Il problema principale è la sicurezza, la quale deve essere considerata in modo più accurato rispetto agli altri tipi di batterie.
3.2.4 Batterie al cloruro di nichel sodio (ZEBRA)
È attualmente in fase di sviluppo la batteria al cloruro di nichel sodio (NaNiCl2)
o ZEBRA. ZEBRA è l’acronimo di Zero Emission Battery Research Activities ed è collegata a una batteria al sodio. Questo tipo di batteria ha un elettrodo positivo in cloruro di nichel solido e un elettrodo negativo di sodio fuso.
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L’elettrodo positivo centrale è impregnato di un elettrolita liquido di cloruro di sodio-alluminio circondato da un elettrolita ceramico, come mostrato nella figura sottostante. [15]
Figura 3.4 Batteria ZEBRA
A causa delle elevate temperature di utilizzo, è necessario un sistema di controllo di ogni singola cella della batteria. Quest’ultima è adatta per essere montata su veicoli che vengono utilizzati quotidianamente, come mezzi pubblici e mezzi commerciali.
Queste batterie sono state implementate con successo in diversi veicoli elettrici, fornendo interessanti opportunità e ottime prestazioni. Le ZEBRA sono degli ottimi accumulatori per quanto riguarda l’energia specifica e si prestano quindi bene ad essere utilizzati su veicoli a propulsione elettrica pura, mentre, a causa della loro potenza specifica più modesta, sono meno adatte per applicazioni su veicoli a propulsione ibrida.
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3.2.5 Supercondensatori
In alternativa o in associazione agli accumulatori chimici tradizionali possono essere utilizzati, come accumulatori di energia elettrica, i supercondensatori. Si tratta di particolari condensatori dotati di una capacità di accumulo grandissima e caratterizzati da un numero di cicli di carica/scarica superiore a quello degli accumulatori chimici tradizionali. Rispetto a questi ultimi, presentano un’elevatissima potenza specifica, ma la loro minore energia specifica impedisce di utilizzarli in sostituzione a quelli tradizionali nella trazione di veicoli elettrici.
Tuttavia, la combinazione tra i due sistemi di stoccaggio (batterie chimiche e supercondensatori) può rappresentare una valida alternativa. Infatti, i requisiti di carico di picco associati all’accelerazione o allo sforzo su salite ripide possono essere soddisfatti da dispositivi ad alta potenza come i banchi di supercondensatori, i quali rendono possibile anche la frenata rigenerativa. Va evidenziato che, quando vengono utilizzati come fonti di alimentazione ausiliarie nell’output di picco, consentono di ridurre le dimensioni degli alimentatori e di migliorare le prestazioni complessive.
3.3 Aspetti legati alla presenza delle batterie
I problemi più notevoli delle auto elettriche, quelli che ne hanno causato la mancata diffusione di massa, sono legati alla presenza delle batterie. L’attuale tecnologia, infatti, non consente agli accumulatori al litio di immagazzinare energia con densità sufficiente ad ottenere un’autonomia di percorrenza paragonabile a quella dei veicoli tradizionali.
Le batterie dovrebbero infatti avere dimensioni contenute per un’elevata densità di energia e di potenza, dovrebbero pesare poco e avere un buon rapporto prestazioni/costo.
Nonostante il continuo impegno per cercare di migliorare questi aspetti, risulta ancora difficoltoso dare vita ad una batteria con una capacità di accumulo di
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energia che consenta di percorrere lunghe distanze; la possibilità di avvalersi di veicoli con trazione elettrica di accumulo per il trasporto merci pesante è quindi un obiettivo raggiungibile in futuro, ma per ora non è ancora disponibile una tecnologia consolidata. La batteria di cui dovrebbero essere dotati i camion, infatti, richiederebbe di dimensioni notevoli, che comporterebbero costi molto elevati e un sostanziale aumento del peso, con conseguente riduzione del volume disponibile per il trasporto.
Batterie più grandi, quindi, non sono necessariamente la soluzione adatta, poiché richiedono un lungo tempo di ricarica o stazioni di ricarica con elevate capacità; se aumenta il peso, infatti, aumenta anche la quantità di energia da fornire alla batteria. Quello che si crea in questo modo è una sorta di circolo vizioso.
Sapendo che un’auto elettrica è caratterizzata da batterie che vanno da 20 kW fino a più di 200 kW di “serbatoio”, non si riesce a soddisfare il fabbisogno di una ricarica né utilizzando prese casalinghe né con quelle industriali. La ricarica lenta in ambito privato, infatti, richiede una potenza di circa 7 kW per 5-8 ore, equivalenti a due utenze familiari a pieno carico. La ricarica rapida di 10-20 minuti, invece, richiede una potenza dell'ordine di molte decine di kW. Considerando, per esempio, un condominio di trenta famiglie con garage annesso, se tutte queste possedessero un’auto elettrica e la ponessero in carica alla sera, ci sarebbe una richiesta di potenza, con presa casalinga, talmente elevata da provocare il distacco dei contatori per superamento di potenza. Senza le colonnine, quindi, la richiesta di energia per la ricarica delle batterie potrebbe diventare il problema principale delle auto elettriche.
Esistono poi delle colonnine di ricarica ultrarapida, che permettono di accumulare in circa 30 minuti energia sufficiente per l’80% della capacità, ma un tempo pari a mezz’ora per fare il “pieno” è un tempo elevatissimo, se paragonato ai 2-3 minuti necessari per effettuare un rifornimento tradizionale. Inoltre, data la scarsità delle stazioni installate, se si trova la colonnina occupata bisogna aspettare un’ora di tempo circa per effettuare la ricarica del proprio veicolo oppure cercare un’altra colonnina, magari lontana dal punto in
