I veicoli elettrici azzerano le emissioni? No, oggi le dimezzano soltanto

L’acceso dibattito sulle emissioni dei veicoli elettrici e sulla loro effettiva sostenibilità ambientale (leggi) ha suscitato l’interesse del professor Massimo Ceraolo docente di Sistemi Elettrici per l’Energia e di Veicoli Elettrici e Ibridi all’Università di Pisa (corso di laurea in Ingegneria dei Veicoli). Ci ha inviato questo articolo che volentieri pubblichiamo. Sperando che aiuti i lettori a comprendere alcuni passaggi chiave di una corretta analisi delle variabili in campo. E per questo lo ringraziamo caldamente. 

di Massimo Ceraolo

I veicoli elettrici sono davvero vantaggiosi per l’ambiente? La risposta è sì, come dimostrano tutti gli studi più  accurati condotti da team di ricerca internazionali. Dunque sono scientificamente ingiustificate le tesi di chi sostiene che i moderni veicoli a motorizzazioni endotermiche siano altrettanto “puliti”, o addirittura ambientalmente preferibili rispetto a quelli a batteria, plug-in o a fuel cell. Tuttavia il loro contributo, allo stato attuale delle tecnologie, non è risolutivo. Lo diventerà soltanto quando si svilupperà la produzione di elettricità da fonti rinnovabili e man mano che migliorerà il processo produttivo delle batterie e la loro efficienza complessiva. La grande confusione che regna in materia  – fino al punto da disorientare l’opinione pubblica (leggi)- deriva dalla complessità della valutazione sull’impatto ambientale delle diverse tipologie di veicolo, tante sono le variabili da considerare nelle tre fasi di produzione, uso e smaltimento dei veicoli e tante sono le difficoltà di quantificarne il peso relativo. Ma, come vedremo nel corso di questo articolo, due ampi studi pubblicati di recente hanno fissato alcuni punti fermi. L’ultimo, il Global Ev Outlook pubblicato pochi mesi fa dall’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), ha stimato addirittura che i veicoli elettrici già circolanti nel mondo a tutto il 2019 abbiano prodotto un risparmio di emissioni nel loro intero ciclo di vita pari al 51%. Infatti hanno emesso in atmosfera 51 milioni di tonnellate di CO2 equivalenti, anziché 104 milioni di tonnellate.

Questi dati, e altri che vedremo, dimostrano che i veicoli a batteria, plug-in e a fuel cell sono in grado di dare oggi un contributo significativo, ma non drammaticamente rilevante, alla riduzione dei gas climalteranti; ulteriori miglioramenti sono da attendersi man mano che la produzione di energia elettrica sia arricchirà di contributi da fonti rinnovabili. Il contributo alle emissioni in atmosfera dovuto alla realizzazione delle batterie è modesto per batterie relativamente piccole (diciamo fino a 40 kWh), mentre diventa abbastanza importante per le più grosse batterie oggi in uso o progettate, da 80-100 kWh o più. Anche su questo punto occorre dire che la tecnologia delle batterie al litio è giovane e in rapida evoluzione, ed è quindi ragionevole prevedere che l’impatto ambientale ad esse attribuito andrà a ridursi, man mano che la loro densità energetica (kWh per kg e per litro di batteria) migliorerà. La tendenza degli ultimi anni è infatti di un incremento corposo e costante di questi due valori, e tutti i segnali che arrivano dai costruttori portano a pensare che questa tendenza, almeno per alcuni anni ancora, continuerà. Ultimo tema, ma non per importanza: in uno scenario futuro di molti veicoli elettrici circolanti, e conseguentemente molti veicoli simultaneamente connessi alla rete elettrica, le possibilità di usarli come carichi dispacciabili (la cui potenza di ricarica è modulata in modo smart) e bidirezionali (usando il paradigma del Vehicle-to-Grid) promettono di migliorarne la competitività economica e ambientale.

Ma facciamo uno o due passi indietro per capire come si giunge a queste conclusioni, riprendendo e aggiornando un precedente articolo pubblicato sulla rivista AIET (Barsali, M. Ceraolo, G. Lutzemberger: “Impatto ambientale dei veicoli elettrici: approccio LCA”, rivista AEIT[1], maggio/giugno 2018).

 Perché questo articolo

La valutazione dell’impatto ambientale dei veicoli di diverse tipologie, ad esempio ad alimentazione a benzina, diesel o elettrica, è tuttora oggetto di notevoli discussioni, che avvengono sia in campo scientifico, sia in ambito politico e giornalistico. Una delle ragioni di questa ricchezza di contributi, anche in diversi ambiti, è che un confronto corretto è estremamente complesso e va quindi affrontato con i dovuti strumenti metodologici, di cui non tutti dispongono. Occorre infatti valutare tutti i possibili impatti dell’uso dei veicoli sull’ambiente, sulla salute, sul consumo di risorse primarie, e valutarli tenendo conto dell’intero ciclo di vita del veicolo: produzione, vita utile, smantellamento/riciclaggio.

A sua volta queste tre fasi sono estremamente complesse:

la produzione contempla ad esempio estrazione dei materiali grezzi, produzione dei materiali (acciaio alluminio, plastiche, ecc), creazione dei semilavorati, assemblaggio del prodotto finito, stoccaggio, distribuzione

La vita utile, nel caso dei veicoli elettrici comprende sia la valutazione di come è prodotta l’energia elettrica, sia come è distribuita alle colonnine di ricarica; inoltre per l’uso del veicolo occorre considerare il tipo di percorso, la velocità con cui lo si percorre, la temperatura ambiente, ecc.

Per la fase di smantellamento e riciclaggio, occorre verificare sia le necessità energetiche per questa operazione, sia la quantità e qualità dei materiali che se ne ottengono. In particolare, è oggetto di forti sforzi proprio in questi mesi la ricerca di migliori tecniche per riciclare le batterie al litio dei veicoli elettrici.

Insomma, un confronto equilibrato e corretto presenta una difficoltà da “far tremare le vene e i polsi”, per dirla con le parole di Dante Alighieri (visto che scrivo dalla Toscana), ed è sicuramente al di là delle capacità di valutazione di un singolo ricercatore, per quanto illuminato, ma anche, direi, di un singolo gruppo di ricerca.

Quello che si vuole fare con questo articolo è quindi duplice:

• Illustrare a grandi linee la metodologia corretta che occorre seguire per fare in confronti ambientali fra diversi tipi di veicoli,
• illustrare alcuni risultati importanti che sono stati ottenuti da gruppi di ricerca assolutamente prestigiosi e autorevoli.

Un piccolo glossario

In questo articolo ci siamo sforzati di ridurre al minimo l’uso degli acronimi, e comunque di usare solo acronimi assolutamente consolidati nella letteratura internazionale. Alcuni sono però necessari, in quanto il lettore potrebbe incontrarli leggendo altri articoli sull’argomento, e quindi meglio farne conoscenza. Sono tutti ovviamente in lingua inglese: la lingua universale degli scritti tecnico-scientifici.

Per comodità ne riportiamo qui il significato. Notare che BEV, HEV, ecc., sono parole singolari. Nei testi in lingua inglese di solito quando si usa il loro plurale si aggiunge una “s”, eventualmente preceduta da un apostrofo: BEVs (o BEV’s), HEVs (o HEV’s), ecc.. In Italiano, e quindi anche in questo articolo, questo non viene usualmente fatto.

EV:   Electric Vehicle o Veicolo elettrico. E’ l’acronimo più importante e anche il più difficile da definire, in quanto non esiste una grande uniformità di uso di questa espressione. Alcuni indicano con EV tutti i veicoli che usano per la propulsione un motore elettrico, esclusivamente o in aggiunta ad altro dispositivo: in questo caso gli EV includono gli HEV e i FCEV (v. relative voci in questo glossario). In altri casi invece per EV si intende semplicemente l’insieme dei BEV e PHEV (anche queste voci possono essere trovate in questo glossario), escludendo quindi i veicoli “senza spina”. Il lettore deve quindi (purtroppo!) stare attento a capire che definizione sta utilizzando chi scrive.

BEV: Battery-Electric Vehicle[2]. Sono i veicoli elettrici a batteria, i quali quindi per il loro funzionamento prelevano tutta l’energia di cui necessitano da una batteria (solitamente al litio). Sono quindi esclusi i veicoli ibridi.

HEV: Hybrid-electric Vehicle. Sono i veicoli ibridi che tutti conosciamo. Per definizione un veicolo ibrido può prelevare energia per il suo funzionamento da più fonti energetiche indipendenti. Ad es. un serbatoio di gas e una batteria. In questo senso un veicolo contenente sia un serbatoio di idrogeno che una batteria da cui prelevare energia per la propulsione è un veicolo ibrido! Nel linguaggio corrente, comunque, un veicolo ibrido è semplicemente un veicolo che ha per la propulsione sia un motore a combustione interna che un motore elettrico.

PHEV: Plug-in Hybrid-Electric Vehicle. Sono noti anche in Italia come veicoli ibridi plug-in. Sono talvolta denominati (da coloro che non gradiscono l’uso della lingua inglese quando si parla in italiano) anche ibridi ricaricabili. Essi sono in sostanza dei veicoli ibridi, quindi dotati di batteria, in cui la batteria oltre che essere ricaricata prelevando energia dall’altra fonte energetica sempre presente (ad es. un serbatoio di benzina) possono essere ricaricate anche direttamente dalla rete elettrica, quando il veicolo è fermo e ad essa collegato con un accoppiamento spina-presa.

FCEV: Fuel-Cell Electric Vehicle. Si tratta dei veicoli alimentati ad idrogeno, che usano una fuel-cell[3] per generare l’energia elettrica che poi, attraverso un motore elettrico è usata per la propulsione. Oggi si usano quasi esclusivamente fuel cell a idrogeno per applicazioni veicolari. Solitamente questi veicoli sono anche ibridi, nel senso che hanno anche una batteria che consente loro di sfruttare l’energia di frenata. La batteria è necessaria in quanto le fuel cells (almeno quelle oggi in uso) non sono reversibili, non sono quindi in grado di convertire energia da elettrica in chimica (cioè di generare idrogeno).

Analisi WTW Analisi “well-to-wheel” o “dal pozzo allea ruota” per la valutazione dell’impatto ambientale dei veicoli. Se ne parla estensivamente nel seguito di questo articolo.

Analisi WTT Analisi “well-to-tank” o “dal pozzo al serbatoio” per la valutazione dell’impatto ambientale dei veicoli. Se ne parla estensivamente nel seguito di questo articolo.

Analisi TTW Analisi “tank-to-wheel” o “dal serbatoio alla ruota” per la valutazione dell’impatto ambientale dei veicoli. Se ne parla estensivamente nel seguito di questo articolo.

LCA: Life-Cycle Assessment o “analisi del ciclo di vita”. Se ne parla estensivamente nel seguito di questo articolo.

GWP: Global Warming Potential “potenziale di riscaldamento globale”, un indicatore che misura la potenzialità di talune emissioni gassose di contribuire a generare Global Warming, e si misura in grammi equivalenti di CO₂. Dettagli nel testo dell’articolo.

GHG: Greenhouse Gas: gas climalteranti (o gas serra). Sono i gas responsabili dell’effetto serra; anidride carbonica (CO₂) in primis, ma anche metano (CH₄), protossido di azoto (N₂O), ecc. Dettagli nel testo.

 

NEDC: New European Driving Cycle, “Nuovo ciclo di guida europeo”. La parola nuovo qui fa un po’ ridere, in quanto si tratta di un ciclo introdotto nel 1997, e usato in Europa per le omologazioni dei veicoli fino a tutto agosto 2017. Successivamente è stato abbandonato in favore del più realistico WLTC.

WLTP: Worldwide harmonized Light Vehices Test Procedure “procedura di ambito mondiale per la prova dei veicoli”. Si tratta di una procedura di test, usata in anni recenti e adottato in Europa per le omologazioni di nuovi veicoli. Contiene il ciclo WLTC, più realistico del NEDC e, per la maggior parte dei veicoli più severo. C’è quindi da attendersi che un medesimo veicolo elettrico abbia un’autonomia misurata con WLTP sensibilmente inferiore a quella misurata con il NEDC, con differenze tipicamente intorno al 20%. A dispetto del suo nome non è usato in tutto il mondo; per esempio negli USA si usa il ciclo EPA (dal nome dell’ente che l’ha sviluppato, l’Environmental Protection Agency).

V2G: Vehicle-to-Grid, “da veicolo a rete”. Si tratta di un modello di connessione dei veicoli elettrici alla rete che prevede flussi bidirezionali di potenza: non solo quindi assorbimento (ovviamente prevalente) dalla rete per caricare le batterie, ma anche erogazione (per piccole durate e quantità di energia) per fornire alla rete un ausilio al suo funzionamento.

L’analisi del ciclo di vita (LCA): lo strumento principe per la valutazione dell’impatto ambientale

La valutazione dell’impatto ambientale di un prodotto industriale si effettua attraverso una metodologia detta “Analisi del ciclo di vita” o Life Cycle Analysis, spesso abbreviata in LCA.

Questa metodologia prevede di considerare, per l’appunto, l’intero ciclo vita (spesso si parla quindi di analisi “dalla culla alla culla”, o cradle to cradle o C2C), includendo cioè la fase di “nascita” (estrazione dei materiali grezzi, loro trasformazione, fabbricazione e assemblaggio), alla vita utile vera e propria, e quella di “rinascita” che prevede la dismissione del prodotto, con il parziale recupero di materiali riutilizzabili.

Con la LCA da una parte si tiene conto di tutte le parti rilevanti del ciclo di vita di un prodotto, dall’altra se ne evidenzia il percorso circolare, che nel caso di riciclaggio integrale potrebbe teoricamente portare a un consumo di materie prime nullo. In tal modo ci si ispira ai processi naturali, per i quali il riciclaggio è integrale. Per questo vengono spesso fornite rappresentazioni grafiche circolari della LCA che, semplificate al massimo, hanno l’aspetto illustrato nella figura 1.

Figura 1: Metodologia LCA, schema semplificato.

Durante tutto il processo, la valutazione di impatto è fatta prendendo a riferimento idonei indicatori, ad esempio il consumo di energia primaria o degli indici in grado di quantificare l’impatto sull’ambiente o sulla salute umana. Per quanto riguarda l’impatto sull’ambiente, vengono impiegati svariati indicatori, fra cui:

• il potenziale di eutrofizzazione. Uno degli effetti dell’inquinamento è quello di una produzione abnorme di materia organica, la cosiddetta eutrofizzazione, che comporta un eccesso di vegetazione su fiumi e laghi, che fra l’altro ne alternano l’aspetto, naturalmente cristallino, in giallo-verde
• il potenziale di acidificazione che comporta lo sviluppo delle cosiddette piogge acide, che hanno vari effetti dannosi sull’ambiente quali effetti negativi sulle foreste, sulle acque superficiali, sulle forme di vita acquatiche, e anche sulla salute umana
• il potenziale di riscaldamento globale (Global Warming Potential – GWP). Questo è il potenziale che in anni recenti desta maggiormente preoccupazione, in quanto responsabile del ben noto effetto serra, dei cui danni sono ormai tutti consapevoli e che quindi non elencherò qui.

Per evitare di fare un discorso troppo lungo e ambizioso, in questo articolo ci si concentra sul solo GWP, quindi sull’effetto serra. Le emissioni gassose che causano effetto serra non sono limitate alla sola anidride carbonica (CO2), ma anche altre sostanze. La valutazione del potenziale di riscaldamento globale dovuto ad una certa attività umana, ad es., al transito dei veicoli sulle strade italiane, va fatta tenendo conto di tutti i principali contributori a tale effetto. La fonte di massima autorevolezza per definire come valutare il GWP è l’International Panel Of Climate Change (IPCC: Comitato internazionale per il cambiamento climatico) che propone metodologie per il calcolo. Lasciando stare dettagli che possono essere reperiti nelle pubblicazioni IPCC, ad es. nella Tabella 8.7 di IPCC AR5 noi possiamo assumere la seguente formula semplificata :

GWP = g_CO2-eq = g(CO₂) + 28g(CH₄) + 265g(N₂O)+… altri contributi

Con questa formula si trovano i “grammi di anidride carbonica equivalente” di un certo mix di inquinanti. La formula ci dice che un grammo di metano ha lo stesso potenziale di riscaldamento globale di 28 grammi di CO₂, mentre un grammo di protossido di azoto (N2O) ha lo stesso effetto di 265 grammi di CO₂., l’emissione di 1 g di CO₂, 1g di CH₄ e 1g di N₂O secondo questa formula equivale a 294 g di CO₂.

Questa formula non va presa come una verità assoluta e invariabile: lo stesso IPCC periodicamente la aggiorna, ritoccandone spesso i coefficienti. Però ci fa capire la sostanza del fenomeno.

Analisi LCA per veicoli: la vita utile e l’analisi dal pozzo alle ruote

Guardando ancora la figura 1 possiamo dire che le emissioni da considerare sono di due tipi:

• emissioni effettuate durante la vita utile
• emissioni effettuate nelle altre fasi del ciclo di vita.

In molti casi la parte dominante di emissioni riguarda la vita utile.

Nel caso dei veicoli, la fase di vita utile è già da sola molto complessa. Per confrontare ad esempio, a parità di condizioni, le emissioni di un veicolo a batteria con quelle di un veicolo basato su motore a combustione interna, occorrerà partire dalla energia prelevata dall’ambiente per entrambi. In sostanza si fa un’analisi che è stata efficacemente denominata Well-to-Wheel – WTW, “dal pozzo alla ruota”. La terminologia fa riferimento all’uso di fonte fossile (ad es., petrolio che proviene effettivamente da un pozzo), sia per la produzione del combustibile di veicoli tradizionali, che per la produzione di energia elettrica poi convogliata nei veicoli elettrici.  La metodologia è però valida anche nel caso di altre fonti primarie, quali ad esempio eolico e solare, in cui il “pozzo” va inteso come la fonte primaria, quindi il sole o il vento.

È molto efficace suddividere l’analisi WTW in due fasi separate: quella della preparazione del combustibile (Well-To-Tank, o WTT, “dal pozzo al serbatoio”) comprendente, nel caso del petrolio, la sua estrazione, la sua raffinazione e trasformazione, il trasporto del combustibile finito fino al punto di distribuzione) e quella del suo utilizzo (Tank-To-Wheel – TTW, “dal serbatoio alla ruota”) riguardante tutti i processi energetici ed emissivi che si svolgono all’interno del veicolo) come schematizzato in figura 2. Questa distinzione è particolarmente importante per il raffronto dei veicoli elettrici a batteria con quelli convenzionali, in quanto nel primo caso le emissioni di gas serra dal serbatoio alle ruote sono nulle, nel secondo sono presenti emissioni in entrambe le fasi, anche se prevalgono quelle della fase TTW.

Il fatto, noto a tutti, che i veicoli elettrici non hanno alcuna emissione gassosa nel posto di utilizzo, è la ragione per cui vengono anche denominati ZEV (Zero-Emission Vehicles), anche se questo può dare l’errata impressione che usare questi veicoli non dia alcun contributo all’effetto serra, il che è errato in quanto esistono le emissioni associate con la fase WTT.

Come fare a valutare le emissioni di gas serra associate alla fase dal pozzo al serbatoio per i veicoli elettrici a batteria? La questione, manco a dirlo, è complicata. Un approccio molto usato, per semplificare le cose, è quello di considerare il mix produttivo dell’energia elettrica.

Il ragionamento è questo (semplificando un po’): vado a vedere come viene prodotta l’energia elettrica, e quanta CO₂ viene generata in media per kWh prodotto: se io produco ad es. il 50% dell’energia elettrica da fotovoltaico (che non produce CO₂)[4] e il 50% da centrali a carbone, la CO2 associata all’uso di quella energia elettrica sarà pari alla metà di quella che otterrei se usassi solo centrali a carbone, quindi circa 475 g/kWh, invece di circa 950 g/kWh.

Il ragionamento è semplice, ma attuarlo in pratica proprio semplice non è. Per esempio abbiamo le seguenti difficoltà:

• usiamo il mix produttivo nazionale italiano, europeo, mondiale?
• ma è proprio giusto usare il mix produttivo? Il fatto che ricarichiamo molti veicoli, non sposta le cose? Se ad es. ricarico di sera potrebbe di conseguenza essere necessario accendere, per far fronte al maggior carico, centrali elettriche cosiddette di punta, che hanno bassa efficienza e quindi alta produzione di CO₂, così alternando il mix che avevamo prima di pensare di ricaricare i miei veicoli; ricaricando a luglio in pieno giorno potremmo invece dare una mano al sistema elettrico ad assorbire e gestire in maniera efficiente la produzione da fonti rinnovabili

Ciononostante la maggior parte degli studi, compresi quelli di cui parleremo più avanti, ragiona sul mix di produzione di energia elettrica. Questo è comprensibile: data la complessità del problema facciamo alcune semplificazioni per arrivare a risultati utilizzabili, seppur affetti da qualche incertezza, in attesa di migliorarli in un secondo momento, affinando le tecniche di analisi.

Lo studio JEC: una analisi europea sulle emissioni dal pozzo alla ruota

Molti studi, anche prestigiosi, finalizzati al confronto di veicoli tradizionali con veicoli elettrici limitano il confronto alla sola vita utile, (figura 1). Questo nell’ipotesi, che si immagina sufficientemente accettabile, che la maggior parte delle emissioni di gas serra avvenga proprio nella vita utile. Uno degli studi che segue questa semplificazione è lo studio JEC WTW. Esso è dotato di grande autorevolezza, in quanto realizzato congiuntamente da JRC (Joint Research Centre, un centro di ricerca della Commissione europea il cui scopo statutario è di fornire supporto scientifico alle scelte politiche dell’Unione europea), Eucar (European Council for Automotive R&D, associazione dei principali costruttori automobilistici europei finalizzata a ricerca e sviluppo nel settore automobilistico), Concawe, un’associazione di produttori e distributori di combustibili fossili operanti nell’unione europea.

In sostanza il gruppo JEC rappresenta le competenze necessarie per uno studio completo e accurato: rappresentanze tecniche della Commissione Europea, dei costruttori di automobili, dei petrolieri. In un precedente articolo ([5]) chi scrive ha lamentato però l’assenza nel gruppo di ricerca di esperti delle reti di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, e ha anche evidenziato una qualche manchevolezza del lavoro di JEC, potenzialmente correlabile proprio a tale assenza.

Lo studio JEC WTW è stato realizzato da una task force di circa 50 persone ed è composto da 98 pagine e pertanto è alquanto velleitario riassumerne i risultati in poche righe. Però a chi scrive sembra utile riportare un unico grafico, tratto da analogo grafico nel documento con semplificazioni, che riassume alcuni dei più importanti risultati, e chiarisce la metodologia (figura 3).

Il grafico presenta risultati relativi a veicoli di media taglia, alta qualità ambientale, per ognuna delle tipologie considerate, con caratteristiche stimate al 2020 (ricordiamo che lo studio è del 2014).

Sia in ascisse che in ordinate sono riportati valori dell’indice GWP sopra introdotto; in ascisse però esso è relativo alle emissioni per la produzione di energia elettrica e rapportato ai kWh prodotti, in ordinate è relativo alle emissioni veicolari e rapportato ai km percorsi dal veicolo.

Le curve sono state calcolate effettuando un’analisi dal pozzo alla ruota (WTW) con elevato grado di dettaglio. Ad esempio, sono stati inclusi anche gli effetti del trasporto del combustibile al luogo della distribuzione, il che spiega ad esempio che anche nel caso di veicoli alimentati a idrogeno prodotto per elettrolisi da fonti rinnovabili si abbia un certo grado di emissioni, in parte dovute proprio al trasporto di combustibile.

Il numero di chilowattora necessario a percorrere un chilometro di strada da parte di un veicolo elettrico è dipendente ovviamente, oltre che dalle caratteristiche del veicolo stesso, anche dal percorso che il veicolo percorre. Nello studio citato, è stato usato il ciclo NEDC (New European Driving Cycle), utilizzato per l’omologazione dei veicoli al momento della realizzazione dello studio. Tale ciclo è stato rimpiazzato solo successivamente, dal 1° settembre 2017, con il più recente ciclo denominato WLTC (Worlwide harmonized Lightvehicles Test Cycle) incluso nella procedura WLTP (Worlwide harmonized Lightvehicles Test Procedure)

Essendo il ciclo WLTC molto più frastagliato del NEDC, esso comporta un maggior numero di accelerazioni e frenate, e risulta quindi favorevole al veicolo elettrico, sia perché esso  può effettuare frenate rigenerative, sia perché una maggiore variabilità della coppia e potenza erogata comporta perdite di energia maggiori nei motori a combustione interna che negli azionamenti elettrici. Pertanto si può affermare con ragionevole certezza che se le analisi ripetessero con il WLTC, si otterrebbero differenze a favore del veicolo elettrico.

Naturalmente nel grafico di fig. 3 i veicoli che non utilizzano energia elettrica hanno curve di emissioni orizzontali: i consumi di energia per km non dipendono da cosa fanno le centrali elettriche. Per contro il veicolo elettrico, che produce gas serra nella sua vita utile esclusivamente per via della produzione dovuta alla generazione di energia elettrica e che consuma un numero prefissato di chilowattora a chilometro, avrà emissioni per chilometro proporzionali alle emissioni di GHG per chilowattora prodotto dalle centrali elettriche.

Le linee verticali blu indicano la produzione media di GHG di un certo tipo di centrale o certo insieme (o “mix”) di centrali di generazione elettrica; nel caso di più centrali il valore prodotto sarà ottenuto dividendo il totale della produzione di CHG per il totale di kWh generati ottenendo un valore intermedio fra quelli delle singole centrali che lo compongono.

Guardando i valori sull’asse verticale del grafico di figura 3 si osserva che, rispetto al veicolo di riferimento a benzina, le cui emissioni GWP sono attorno ai 125 g/km, i veicoli elettrici a batteria presentano emissioni inferiori qualunque sia il mix di produzione dell’energia elettrica considerato. Ad esempio, in caso di produzione dell’energia elettrica solamente da carbone, le emissioni si attestano sui 100 g/km, contrariamente a quanto accade considerando il mix europeo di produzione  dell’energia elettrica del 2011, pari a 50 g/km, o previsto al 2020, pari cioè a 40 g/km.

Tali veicoli appaiono convenienti anche se la produzione avvenisse interamente con le centrali più impattanti dal punto di vista del global warming,  cioè quelle a carbone, ma la loro convenienza diventa estremamente elevata con il mix di produzione dell’energia elettrica in ambito UE, sia quello noto al 2011, che, e ancor di più, con quello che nel 2014 si stimava al 2020. In questo articolo non abbiamo ritoccato i numeri dello studio originale JEC con valori attuali del mix europeo, per rispetto della fonte. Analisi di altri fonti (quali ISPRA 2020)  suggeriscono che il trend delle emissioni di gas serra per la produzione di energia elettrica negli anni 2010-2020 mostra una riduzione almeno pari a quanto desumibile dalla figura 3.

Sul medesimo grafico sono osservabili anche le emissioni WTW dei veicoli a idrogeno. In questo caso è la modalità di produzione del combustibile a incidere sulle emissioni globali: in caso di produzione di idrogeno da processo di reforming da metano si oltrepassano di poco i 60 g/km, mentre per elettrolisi con energia elettrica ricavata da fonte rinnovabile (vento) si scende addirittura a 10 g/km di CO2 equivalente.

Infine è presente sul grafico una banda grigia orizzontale che riassume le emissioni dei veicoli diesel, metano, GPL. Il documento originale JEC WTW determina valori leggermente differenti per questi tre tipi di veicoli, ma qui, per semplicità grafica, sono stati tutti e tre riassunti dall’unica banda grigia riportata.

Se si vuole allargare l’orizzonte da quello europeo a quello globale,  possiamo prendere in considerazione il dato reperibile sull’ outlook IEA 2020, che valuta l produzione di gas serra per la generazione elettrica nel 2018 di 518 grammi equivalenti, con il che si osserva che anche in un contesto globale la riduzione di gas serra se si usano veicoli elettrici è consistente, seppur un po’ inferiore a quella che si ottiene considerando il solo mix europeo: questo è dovuto al fatto ben noto che il mix globale di produzione di energia elettrica comprende molte più centrali a carbone e meno generazione rinnovabile che in Europa.

Il Global EV Outlook: un panorama mondiale sulle emissioni dei vicoli elettrici da fonte prestigiosa

Lo studio JEC che abbiamo presentato qui sopra presenta la pecca fondamentale di essere riferito alla sola vita utile del veicolo. E se la costruzione delle batterie ribaltasse completamente i rapporti di forza?

Inoltre lo studio JEC comincia ad essere un po’ datato, stante la rapida evoluzione tecnologica del settore.

Proviamo pertanto a toglierci questi dubbi, considerando un’altra fonte, anch’essa assolutamente autorevolissima: la International Energy Agency (Agenzia Internazionale per l’Energia).

Questa agenzia si interessa molto dei veicoli elettrici e pubblica annualmente dei documenti in cui fa il punto della situazione mondiale sulla diffusione e l’uso di questi veicoli, i cosiddetti Global EV Outlook (panorama globale sui veicoli elettrici).

Per effettuare questi outlook la IEA si appoggia a tecnici ed esperti distribuiti un po’ in tutto il mondo. I dati che propone e i risultati che ottiene sono quindi di altissima affidabilità.

L’ultimo outlook della IEA  è del giugno 2020, quindi aggiornatissimo (contiene anche valutazioni preliminari degli effetti del COVID sugli scenari futuri!).

Esso effettua un’analisi della situazione mondiale al 2019 delle emissioni di gas serra valutate secondo un approccio di tipo WTW. Il risultato è molto incoraggiante, si stima che siano state emesse dai veicoli elettrici 51 milioni di tonnellate di CO₂ equivalenti, in luogo dei 104 milioni che sarebbero stati emessi dai veicoli che essi hanno sostituito, se fossero stati basati su motori a combustione interna.

In altre parole l’elettrificazione già in atto nel 2019 ha consentito un risparmio di 53 milioni di tonnellate di CO2 equivalenti, pari al 51%. In questo studio per “veicoli elettrici” si intendono i veicoli elettrici a batteria (in ambito internazionale denominati BEV: Battery Electric Vehicles) e i veicoli elettrici plug-in (denominati in ambito internazionale PHEV: plug-in Hybrid-Electric Vehicles).

I risultati sono presentati fornendo anche il dettaglio di veicoli leggeri (automobili), autobus e veicoli a 2 e 3 ruote, come riportato in figura 5. I valori positivi sono relativi alle emissioni (valutate con la tecnica del WTW) dei veicoli elettrici stimati in uso nel 2019, quelli negativi a quelle emissioni che vi sarebbero state se invece degli EV si fossero avuti veicoli della stessa categoria ma a combustione interna. Si vede come il vantaggio più grande si ha sui veicoli a 2 e 3 ruote.

Possiamo provare ad analizzare questo 51% (approssimiamo a 50) alla luce del diagramma riportato in fig. 3. Lo studio che ha prodotto tale diagramma è stato effettuato da un gruppo di lavoro completamente diverso da quello che ha redatto il Global EV outlook; purtuttavia, siccome entrambi gli studi, ne siamo certi, sono stati effettuati con scrupolo, i risultati devono essere fra loro congruenti.  Se immaginiamo in via semplificativa che le emissioni dei veicoli a combustione siano in media di 120 g/km[6] dalla figura 3 si deduce che una riduzione del 50% delle emissioni si avrebbe con un mix di generazione di 500-600 g di CO₂ a kWh, il che è ragionevole: come abbiamo infatti già detto, la produzione elettrica mondiale ha una aliquota cd centrali a carbone superiore a quella europea e minori fonti di generazione elettrica rinnovabile.

IEA effettua anche delle previsioni future che portano a dire che, se verranno attuate politiche in grado di attuare gli obiettivi fissati negli accordi sul clima di Parigi in grado quindi di limitare il riscaldamento globale rispetto al periodo preindustriale a 1,7-1,8 °C il risparmio di emissioni di CO₂ salirebbe a 440 milioni di tonnellate di CO₂, pari al 65% di quanto verrebbe emesso in assenza di uso di veicoli elettrici.

E’ interessante notare come in questo scenario diverrebbe significativo anche il contributo di camion a propulsione elettrica (fig. 3.6 del Global EV outlook IEA 2020)

Però, come abbiamo più volte notato, il solo approccio WTW è incompleto, in quanto occorre mettere in conto anche l’impatto ambientale della costruzione e del riciclaggio (fase in cui si ricupera almeno in parte la materia prima impegnata nella costruzione). Inoltre, lo studio WTW della IEA, i cui risultati sono riassunti in fig. 5, non contemplano i veicoli a idrogeno, quindi basati su fuel cells, che invece sempre di più in anni recenti si stanno qualificando come una valida soluzione aggiuntiva a quella dell’uso dei BEV, sempre nell’ottica di ridurre l’impatto ambientale del trasporto veicolare.

Il Global EV outlook IEA 2020 in una sua specifica sezione tiene conto di questi elementi e fornisce i risultati di un’analisi di LCA, già presentata nella precedente versione del rapporto e riproposta in una nuova veste grafica.

Il lettore che abbia avuto energie per arrivare fino a questo punto nella lettura concorderà che questo articolo è già estremamente lungo e articolato. Pertanto, riguardo all’analisi LCA della IEA forniamo qui solo i risultati principali riassunti nella figura 6, con qualche commento, rimandando alle fonti Global EV outlook IEA 2020 e Global EV outlook IEA 2019 per un’eventuale analisi di dettaglio.

L’istogramma di figura 6 presenta colonne diverse per i vari tipi di veicoli, come caratterizzati dai loro acronimi (in caso di dubbio consultare il Piccolo glossario più sopra). Come veicoli elettrici a batteria sono presi in considerazione due veicoli, il BEV 40 e il BEV 80 aventi rispettivamente batterie da 40 e 80 kWh. Questo perché, come la stessa figura mostra, una grossa batteria incide non poco sulle emissioni di CO₂, valutate in ottica LCA, dei veicoli.

I vari colori hanno il seguente significato (dal basso verso l’alto):

• blu: realizzazione di componenti del veicolo
• celeste: impatto di assemblaggio, dismissione, riciclaggio
• verde: realizzazione della batteria
• giallo: WTW, diviso in:
  • giallo-ocra: WTT
  • giallo più chiaro: TTW

La realizzazione della batteria richiede qualche commento aggiuntivo. La IEA considera infatti che la realizzazione delle batterie in Europa comporta l’impegno di in 65 kg di CO_2-eq per kWh, mentre la medesima realizzazione in Cina comporta 100 kg di CO_2-eq per kWh. Pertanto, negli istogrammi si è usato il verde privo di tratteggio per il “costo ambientale” di base della batteria (produzione europea), e in verde tratteggiato il costo addizionale.

Ovviamente per valutare i risultati occorre valutare tutte le ipotesi che sono state poste a base del calcolo, che sono elencate nel rapporto citato. Ad es. i veicoli sono stati supposti operare secondo il WLTC, per i PHEV è stata considerata una percorrenza del 40% con benzina e 60% con batteria, ecc. ecc.

Il FCEV è stato valutato considerando produzione di idrogeno da metano, in maniera congruente con la curva rossa non tratteggiata della nostra figura 3.

La figura 6 suggerisce le seguenti osservazioni:

• a oggi la fase che contribuisce maggiormente alle emissioni di CO₂ equivalente è quella della vita utile del veicolo
• BEV, HEV, PEV e FCEV sono tutti ampiamente vantaggiosi rispetto ai veicoli dotati di motore a combustione interna (Internal Combustion Engine: ICE)
• Il massimo vantaggio si ha con i PHEV e o BEV 40. Risulta evidente che l’attuale tendenza ad usare batterie di maggior capacità riduce in maniera significativa i vantaggi ambientali dei BEV. In questo senso si può considerare che la vocazione dei BEV continua ad essere prevalentemente quella urbana e periurbana, per la quale una batteria da 40 kWh è più che sufficiente, mentre per le maggiori percorrenze sono oggi più interessanti i PHEV.
• Man mano che la produzione di elettricità si arricchisce di contributi da fonti rinnovabili, la banda di BEV e PHEV tende a ridursi, con miglioramento significativo della loro competitività ambientale.

Verso un’analisi più raffinata: sulle emissioni non conta solo il mix di produzione

Sia lo studio JEC che il rapporto IEA valutano le emissioni dal pozzo al serbatoio dei veicoli elettrici mediante il mix di produzione dell’energia elettrica. Questo approccio ha evidentemente il vantaggio della semplicità, ma maschera una situazione ben più articolata.

Come si è già osservato più sopra, sarebbe importante considerare anche il momento (l’orario) in cui si ricaricano i veicoli, soprattutto in uno scenario di uso massivo di veicoli elettrici.

Ricordiamo che il sistema elettrico per l’energia è dotato di molte centrali di produzione di energia elettrica, e relative linee di interconnessione, che devono fare in modo che generazione e carichi siano continuamente bilanciati: la potenza erogata da tutte le centrali di produzione deve essere istantaneamente pari a quella assorbita dai carichi (inclusa l’energia persa nelle linee di collegamento).

Ma il carico varia nel tempo: ogni utente può, in linea di massima aumentare o diminuire il carico ad arbitrio, come ad es. facciamo nelle nostre case, pur entro i limiti dei 3 kW (o altra potenza impegnata) a disposizione. Anche la potenza disponibile per la generazione da eolico e fotovoltaico varia nel tempo in maniera indipendente da tutto: se vogliamo sfruttare tutto il vento e il sole disponibile, dobbiamo immetterlo nella rete, e qualcun altro dovrà assorbirla. Questa potenza è detta in gergo tecnico generazione non dispacciabile. La potenza che devono erogare le centrali termoelettriche (ad es. quelle a metano), invece, può essere scelta entro certi limiti da noi, ed è pertanto detta dispacciabile.

Per spiegare la situazione facciamo qui una semplificazione drastica: che la potenza di generazione fotovoltaica sia l’unica non dispacciabile (trascuriamo quindi ad es. gli effetti della generazione eolica, anch’essa non dispacciabile). In tal modo si può utilizzare il diagramma di fig. 7. Il diagramma del carico elettrico nazionale ha spesso due picchi, uno antimeridiano ed uno pomeridiano. Alle volte prevale il picco antimeridiano, altre, come qui, quello pomeridiano[7]. La generazione fotovoltaica è ovviamente presente solo nella fascia centrale della giornata. Le centrali di produzione non dispacciabile, quindi, devono fornire una potenza che varia fortemente nel corso della giornata; nell’esempio proposto essa ha un valore basso fino a verso le 5 del pomeriggio, poi si impenna per effetto combinato dell’aumento del carico e dell’annullamento della produzione solare.

Dobbiamo però dire che la massima efficienza (quindi il minimo spreco di energia e la minima produzione di CO₂) si ha quando l’insieme della potenza generata dalle centrali dispacciabili è costante nel tempo. Migliorare quindi il profilo del carico al netto del solare, avvicinandolo ad un profilo costante, può rendere più efficiente il sistema delle centrali, e ridurre la produzione di CO₂.

Questo può essere ottenuto aggiungendo sistemi di accumulo dell’energia (batterie o altri sistemi) al sistema elettrico: essi hanno il compito di assorbire energia quando la produzione da fonti rinnovabili è abbondante ed erogarla quando essa è nulla e il carico è elevato.  La situazione è illustrata nella parte sinistra della figura 8: i sistemi di accumulo si ricaricano ai bassi carichi e scaricano agli alti. La variazione nel tempo della potenza della generazione dispacciabile si riduce di molto.

Immaginiamo ora uno scenario futuro in cui molti veicoli sono collegati alla rete elettrica; i proprietari di parte di questi veicoli che non avessero bisogno di avere il veicolo ricaricato il prima possibile, potrebbero accedere ad una tariffa agevolata, nel caso consentissero al gestore della rete elettrica di scegliere lui l’orario in cui ricaricare, all’interno di un intervallo di tempo massimo, ad es. 12  ore. In tal modo tali veicoli si comporterebbero come carichi dispacciabili, la cui potenza può cioè essere scelta dal gestore di rete, entro certi limiti, e non prefissata dall’utente.

Se abbiamo molti veicoli dispacciabili in carica, essi possono essere ricaricati nella parte di carico più basso, ottenendo così un effetto simile a quello dell’accumulo di rete, e quindi migliorando l’efficienza della generazione dispacciabile e, di conseguenza anche le emissioni di gas serra (parte destra della figura 8).

Naturalmente se all’opposto tutti i veicoli fossero ricaricati nelle ore serali, essi comporterebbero un peggioramento della curva della potenza richiesta alla generazione dispacciabile, e quindi un peggioramento della sua efficienza e emissioni.

Un miglioramento dell’utilizzazione del parco di veicoli elettrici connesso alla rete è ottenibile attraverso il cosiddetto “Vehicle to Grid” (o V2G). In questo caso la connessione del veicolo alla rete è bidirezionale; esso può quindi non solo assorbire potenza ma anche, tipicamente per brevi intervalli di tempo e piccolissime quantità di energia, erogare verso la rete. È dimostrato che questo può portare benefici importanti alla gestione della rete stessa, con logorio assolutamente trascurabile della batteria del veicolo. È stato ad esempio visto che il solo servizio di “regolazione primaria della frequenza” (non c’è tempo di spiegare qui in cosa consista) potrebbe portare vantaggi economici stimati per la Danimarca in 1000 euro per anno per veicolo, vantaggio economico che potrebbe essere trasferito all’utente del veicolo, migliorandone non poco la sua appetibilità [8].

In sostanza possiamo dire che utilizzando i veicoli elettrici come carichi dispacciabili, ovviamente solo quando non è richiesta dall’utente una ricarica immediata, e usando il servizi V2G, la competitività dei veicoli elettrici può aumentare rispetto a quanto illustrato in precedenza, e questo ulteriore margine di competitività, facendo opportuni calcoli, si può tradurre in riduzioni di emissione di CO₂ equivalente, migliorando il posizionamento dei veicoli BEV e PHEV nell’istogramma di figura 6. Il contrario potrebbe avvenire nel caso la carica fosse del tutto incontrollata.

Per far sì che i veicoli in carica tendano a favorire un funzionamento efficiente della rete, e non a sfavorirlo, si può usare a leva tariffaria, ad es, usando tariffe dell’energia bassissime, o al limite nulle, per quegli utenti che accettino una ricarica differita nel tempo, e all’opposto penalizzare le ricariche molto veloci e in orari sfavorevoli per la rete. Già oggi in qualche modo si sta innescando una tendenza in questa direzione, in quanto le tariffe per le ricariche veloci sono più elevate di quelle per le ricariche standard (tipicamente da 22 kW alle colonnine pubbliche)

Emissioni, il commento finale

Lo sviluppo di questo articolo ha mostrato, oltre che i risultati numerici sull’impatto ambientale dei veicoli elettrici, anche che la valutazione dell’impatto ambientale dei diversi tipi di veicoli è attività estremamente complessa, e va quindi demandata a panel di esperti di indubbia autorevolezza.

Si è visto in particolare che per una comparazione efficace occorre fare un’analisi completa del ciclo di vita dei veicoli, “dalla culla alla culla” (detta anche LCA), includendo quindi anche i costi ambientali della realizzazione e della dismissione dei veicoli.

I risultati che derivano dal lavoro della comunità scientifica sono stati già commentati e riassunti nell’introduzione dell’articolo.

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Note

[2] Quasi tutti gli italiani sbagliano a pronunciare la parola “vehicle”. Per conoscere la pronuncia corretta basta ascoltare su YouTube un qualsiasi filmato realizzato da un madrelingua. In maniera approssimativa la pronuncia può essere traslitterata come “vìicol”. Quindi la prima e si legge come una i ed è accentata. Per coloro che conoscono l’alfabeto fonetico internazionale riportiamo qui la pronuncia corretta: /ˈviːəkl/

[3] In estrema sintesi si tratta di sistemi che generano energia elettrica di prodotti chimici, tipicamente idrogeno, direttamente, senza quindi una conversione intermedia in energia meccanica.

[4] Ricordiamo che qui stiamo facendo un’analisi WTW, quindi relativa alla sola vita utile. Non dobbiamo quindi considerare qui le emissioni di CO₂ connesse con la realizzazione dei pannelli fotovoltaici

S: Barsali, M. Ceraolo, G. Lutzemberger: “Impatto ambientale dei veicoli elettrici: approccio LCA”, rivista AEIT, maggio/giugno 2018.

6] Ricordiamo che le emissioni considerate in fig. 3 sono relative a berline compatte di buona qualità con tecnologia produttiva dell’anno 2020.

[7] I più curiosi possono guardare , con molto maggior dettaglio, gli andamenti della dell’Italia sul sito di Terna: https://www.terna.it/it/sistema-elettrico/transparency-report/actual-generation

[8] A. Thingvad, C. Ziras, M. Marinelli, “Economic Value of Electric Vehicle Reserve Provision in the Nordic Countries under Driving Requirements and Charger Losses,” Journal of Energy Storage, vol. 21, pp. 826-834, Feb. 2019