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Diesel, benzina, metano, elettrico, quali prospettive per la mobilità?

L’ingegneria automobilistica presenta un ventaglio di possibilità più o meno virtuose a seconda del ruolo che giocano diversi fattori. Uno sguardo per capire il complesso e a volte contradditorio mondo della propulsione, sempre in «lotta» tra efficienza, rispetto ambientale, prestazioni…

 

«There is no silver bullet», l’incipit giusto per parlare di un tema controverso e di grande attualità come quello della motorizzazione dei veicoli stradali. Un tema sul quale l’uragano scatenato dal dieselgate di Volkswagen ed il successo di pubblico, prima ancora che di mercato, di aziende come la Tesla «nata per l’elettrico», ha generato paure e speranze, ma anche, finalmente, provvedimenti concreti come il «bonus-malus», che incentiva l’acquisto di auto a basse emissioni di CO2 e penalizza quelle a emissioni oltre una certa soglia, peraltro abbastanza alta (nella fascia fra 70 e 160 g/km non si godrà di alcun bonus ma non pagherà nessun malus).

Nessuna «pallottola d’argento» perché le risposte possibili sono tante e diverse quante e diverse sono le classi di veicoli e le missioni ad essi affidate, dal trasporto individuale a quello pubblico a quello merci, dal traffico urbano a quello extraurbano a quello più propriamente autostradale. E, stando così le cose, non c’è, o non ci dovrebbe essere, spazio per tifosi ed entusiasti dell’una o dell’altra tecnologia, ma, al contrario, ce n’è molto per fare chiarezza su pregi e difetti (o meglio vincoli) cui sono soggette le diverse soluzioni sviluppate dall’ingegneria automobilistica.

Partendo, possibilmente, dal riconoscimento di una base in comune. Che può anche essere individuata, considerando l’aspetto energetico-ambientale del problema come quello a maggiore valenza politica, nelle cinque dimensioni dell’Unione dell’energia: decarbonizzazione, efficienza energetica, sicurezza energetica, mercato interno dell’energia, ricerca, innovazione e competitività, così come sono definite nella comunicazione «A Framework Strategy for a Resilient Energy Union with a Forward-Looking Climate Change Policy» del 25 febbraio 2015 della Commissione Europea, ripresa nel «Piano nazionale integrato per l’energia e il clima» inviato dal Governo a Bruxelles.

Un’incredibile contraddizione

Con riferimento proprio a questi punti, la demonizzazione cui è stato esposto il motore diesel non sembra essere la premessa migliore per ogni ragionamento, fatto salvo per quanto attiene al traffico urbano.

In questo caso il discorso riguarda però in generale i motori a combustione interna. Gli sviluppi del diesel (Euro6D Temp) avrebbero anzi, per alcuni motori, reso le loro emissioni di NOx anche inferiori  a quelle della benzina e del -70% più basse del limite RDE relativo alla prova su strada (https://www.automobilismo.it/euro-6c-6d-e-6d-temp-cosa-cambia-ciclo-omologazione-normative-emissioni). Segnalando che il sistema SCR, che riesce ad abbattere gli NOx, può produrre in alcune condizioni N2O e NH3, non (ancora) limitati dalle attuali normative, a loro volta causa di effetto serra e di emissioni di particelle secondarie, quindi da tenere in considerazione per il computo del reale impatto ambientale di tale tecnologia. E che persino i normali benzina a iniezione indiretta, ritenuti in passato relativamente puliti, in certi casi emettono più particelle di un diesel, https://i.blogs.es/32badb/particulas-adac/1366_2000.jpg, la pericolosità del particolato fine è anche maggiore e l’adozione del filtro è ancora più necessaria, come dimostrato da recenti studi,  http://www.nanoparticles.ch/archive/2017_Munoz_PR.pdf.

Quello che è paradossale è che il peggiore, di gran lunga, è un piccolo veicolo urbano, e che ibridi ritenuti «puliti» figurano anch’essi con emissioni di particelle superiori al diesel, e quindi il danno potenziale è ancora maggiore.

Tornando a parlare di efficienza energetica e decarbonizzazione, è ben noto come il diesel sia teoricamente tra i motori a combustione interna quello a più alta efficienza e quindi a minori emissioni di CO2, figura 1.

Tutto bene per il riscaldamento globale? Non necessariamente, se si considerano anche i contributi delle particelle (seconde come contributo alla CO2), e il già citato N2O. Lo stesso problema esiste per il metano, dove il contributo della parte incombusta non viene sommato al dato della CO2. Peccato poi che non esistano dati precisi sui contributi di queste componenti alle emissioni serra di ogni veicolo. Bisogna poi considerare un’altra informazione piuttosto importante: i dati di questo report sono purtroppo basati sui vecchi test NEDC, e quindi sono affetti da grandi scostamenti rispetto ai consumi reali (mediamente del 40%, specialmente per diesel e ibridi); se corretti, la distanza tra i motori convenzionali e i molto più efficienti veicoli elettrici aumenterebbe considerevolmente.

È quindi giocoforza, in attesa della disponibilità di dati più aggiornati, continuare a riferirsi solo a questo ciclo e alla CO2, ma occorre tenere presente che la validità delle conclusioni non sarà assoluta.

Figura 1. Fonte: «Elementi per una roadmap della mobilità sostenibile» – maggio 2017 Prima edizione – Presidenza del Consiglio dei Ministri

 

I risultati migliori li ottengono gli ibridi (una tecnologia «orizzontale» che interessa tutte le motorizzazioni, e dal punto di vista dei consumi i risultati migliori si ottengono ibridizzando un motore diesel) e soprattutto la trazione elettrica «pura», a batteria. In entrambi i casi parliamo di «elettrificazione» del veicolo.

Nelle auto «a batteria» le emissioni in ambiente sono a monte del veicolo, nel processo di produzione dell’elettricità, il vettore energetico che sostituisce il carburante, trasformato poi in energia di movimento, con bassissime perdite grazie all’alta efficienza del motore elettrico. Un processo che complessivamente gode di una maggiore efficienza di quanto avviene in un motore automobilistico, per questioni di taglia e quindi di scelte tecnologiche possibili per una centrale termo-elettrica da centinaia di MW (cicli combinati gas-vapore), figura 2.

 

Figura 2. Fonte: ENEA, rielaborato da «Bilancio Energetico Nazionale 2016 MiSe»

Quanto sopra detto è sempre vero dal punto di vista dei consumi di energia primaria, per quanto riguarda la quota proveniente da combustibili fossili (in Italia circa il 40% dell’energia elettrica è di provenienza rinnovabile o nucleare, e quindi senza emissioni di CO2). Non lo è, però, rispetto alle emissioni di CO2 in situazioni diverse da quella italiana. Infatti nel passaggio dal termico all’elettrico le emissioni di CO2 del settore auto possono azzerarsi (nel caso della Norvegia, dove l’energia elettrica è unicamente di provenienza idroelettrica, o quasi nel caso della Francia, dove domina il nucleare) o anche aumentare laddove l’energia elettrica sia prodotta prevalentemente in centrali termoelettriche alimentate a carbone, come in Polonia.

Per quanto riguarda, infine, le emissioni collegate alla fase di produzione del veicolo, il processo di fabbricazione delle batterie è stato oggetto di molte riserve e critiche, perché si tratta di un processo ad alta intensità energetica e questo maggiore consumo di energia può essere associato a un più ampio impatto sulla salute e sull’ecosistema.

Conta molto come viene prodotta l’energia, in questo caso nel luogo di produzione delle batterie, e già ci sono, come nel caso dello stabilimento Tesla in via di costruzione in Nevada, o di quello Northvolt in Svezia, esempi in cui l’approvvigionamento energetico proviene da rinnovabili. E in effetti «certificare» il contenuto energetico delle batterie pare sia una delle strade attualmente considerate a livello europeo per migliorare questo aspetto e garantire una più profonda decarbonizzazione del trasporto.

Gli impatti variano, inoltre, in base alla chimica della batteria, alle sue dimensioni ma, soprattutto, in base alla sua vita utile: se questa fosse inferiore a quella dell’autoveicolo, occorrerà provvedere alla sua sostituzione, e l’impatto ambientale a «fine vita» sarà maggiore. I primi dati provenienti dal campo sembrano però confortanti: diversi proprietari di Tesla hanno raggiunto senza problemi i 300.000 km e oltre, senza avere ancora significative degradazioni della batteria. Questo indica che una buona gestione della batteria dovrebbe eliminare questo rischio. Inoltre, in un’ottica di «economia circolare», gli impatti ambientali negativi della produzione di veicoli possono essere ridotti al minimo dando alle batterie automobilistiche una seconda vita, misurandone cioè le prestazioni residue al momento dello smantellamento del veicolo e classificandole secondo tre diverse destinazioni:

  • alla ricostruzione, magari per veicoli a prestazioni ridotte
  • al riuso, per impieghi meno prestazionali, come nel civile
  • allo smantellamento e conseguente riciclo dei materiali

In ogni caso, le emissioni di CO2 relative al processo di produzione di un veicolo incidono in maniera molto meno significativa rispetto alle emissioni durante l’uso, per un 10-15% delle emissioni totali «dalla culla alla tomba». Di conseguenza, anche se in un’auto «elettrificata» incidono in misura proporzionalmente maggiore (grazie alle minori emissioni di CO2 durante l’uso), questo certo non ribalta una situazione largamente favorevole all’elettrificazione, persino nel caso di elettricità prodotta da combustibili fossili.

E, a differenza di quanto spesso si crede, se una casa automobilistica afferma di voler elettrificare tutta la sua gamma, come Volvo nel luglio del 2017, non significa affatto che voglia abbandonare i motori termici, componente essenziale dell’ibrido, ma che intende rendere disponibili tutti i suoi modelli nella versione elettrica o ibrida. E così pure la Toyota, che affiancherà alle versioni ibride anche una decina di modelli a batteria. D’altronde le proiezioni delle vendite, in figura 3 quella di Bloomberg del 2016 per il 2040, confermano che il motore a combustione interna potrebbe essere tutt’altro che finito.

Figura 3. Fonte: https://about.bnef.com/blog/electric-vehicles-to-be-35-of-global-new-car-sales-by-2040/

 

E non sono finite le sue potenzialità grazie ad una serie di interventi quali i seguenti, a titolo di esempio e senza pretesa di esaustività:

  • iniezione diretta omogenea, downsizing, variazione dell’apertura delle valvole, disattivazione dei cilindri;
  • ottimizzazione della trasmissione, downspeeding, CVT, trasmissione con doppia frizione, trasmissione automatica innovativa (7/8/9 marce).

Per i veicoli leggeri, però, resta l’incognita dei costi. A fronte di costi di esercizio nettamente più bassi (in termini di consumi energetici e di manutenzione), i veicoli a batteria sono oggi piuttosto costosi all’acquisto. Se si considerano però le economie di scala, con livelli di produzione sufficientemente grandi si arriverebbe rapidamente ad avere veicoli elettrici intrinsecamente più semplici e meno costosi da produrre, mentre le tecnologie sopra citate in molti casi aggiungono ulteriori costi, senza parlare dei più sofisticati sistemi di trattamento dei gas di scarico necessari per contenere le emissioni. Secondo diversi studi, entro il 2020 i veicoli a batteria saranno competitivi a livello di costi totali sul ciclo di vita, mentre per il 2025 si potrebbe arrivare ad avere una parità anche all’acquisto (https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-03-22/electric-cars-may-be-cheaper-than-gas-guzzlers-in-seven-years), e in tal caso diventerebbe più difficile giustificare l’acquisto di veicoli convenzionali. Persino gli ibridi, sommando i costi dei due sistemi propulsivi, diventerebbero meno interessanti.

In figura 4 è illustrato un possibile cammino di evoluzione tecnologica per motori destinati ad impieghi pesanti, dove invece l’elettrificazione avrà certamente più difficoltà a imporsi:

Figura 4. Fonte: TIAX LLC Study EC Climate Action Stakeholders Meeting, Brussells, 22/2/2012

 

Il valore di essere ibrido

A conferma di quanto precedentemente detto, tra le misure e le tecnologie è riportata anche l’elettrificazione, che fa del termico un ibrido. Il quale rispetto all’elettrico «puro» ha un pregio fondamentale, l’autonomia. Infatti, grazie alla quantità di energia trasportabile a bordo sotto forma di combustibile liquido o gassoso, decine di volte più «denso» energeticamente della migliore batteria, non soffre delle limitazioni di cui soffre l’elettrico, mentre, se prevista, consente la marcia anche «in solo elettrico».

Per essere completamente corretto, però il confronto non deve solo comprendere il «serbatoio», ma anche i componenti che trasformano l’energia in movimento, e in questo caso le parti si invertono. Un motore elettrico da 200 kW, per esempio, pesa molto meno di un motore diesel, e ancora meno se si considerano il cambio, gli accessori e il sistema di scarico. Alla fine tutto dipende dalla densità di energia della batteria. I primi modelli di auto a batteria moderni potevano percorrere al massimo 150 km, e la limitazione operativa che ne derivava era evidente, ma oggi esistono modelli capaci di percorrere anche 400 o 500 km, e gli sviluppi attesi per i prossimi anni potrebbero portare le masse totali e le autonomie dei veicoli elettrici e di quelli a combustione ad essere molto simili. Il problema si sposterà alla rete di ricarica veloce, che si sta sviluppando rapidamente anche in Italia grazie alla rete finanziata dal progetto europeo EVA+.

Per il momento, comunque, un ibrido plug-in è l’unico a unire i vantaggi delle emissioni nulle in città e di percorrenze praticamente infinite. Nel funzionamento «ibrido» la presenza dell’elettrico si fa sentire sia ai bassi regimi, con effetti benefici per il rendimento e le emissioni, sia in frenata, consentendo il recupero di energia così prezioso nello stop-and-go urbano. Nella marcia in «termico», infine, il motore funzionando a regimi ottimali, raggiunge i rendimenti maggiori, figura 5.

Figura 5. Fonte ENEA

A questo riguardo, come già detto, occorre sempre tener presente che tutte le motorizzazioni (comprese le celle a combustibile alimentate a idrogeno, i turbogeneratori a gas e quant’altro si possa immaginare) possono essere «ibridizzate», in misura più o meno estesa, scegliendo cioè un diverso peso per le due motorizzazioni, quella elettrica e quella termica. Si va perciò dall’ibrido «minimo», dove l’elettrico, di bassa potenza, interviene solo a basse velocità, al «full hybrid», con capacità di marcia in elettrico estese, al «plug-in hybrid» (PHEV), che, in aggiunta, offre la possibilità di essere ricaricato dalla rete elettrica, figura 6.

Figura 6. Fonte: «Road transport electrification, a new highway to energy saving», Maria Lelli, Gabriella Messina, Giovanni Pede (ENEA), 2nd Geoprogress Global Forum, September 7th, 2017, Bruxelles

 

Ecco quindi uno dei punti dirimenti, l’autonomia richiesta dalla missione del mezzo, che per le distanze più lunghe può rendere preferibile il motore a combustione interna e, in prospettiva, l’idrogeno utilizzato nelle celle a combustibile. Ibridizzati, naturalmente, entrambi, per analoghe considerazioni di ottimizzazione del funzionamento e di recupero dell’energia in frenata.

L’altro, importante aspetto da considerare è la taglia del veicolo: per l’offroad pesante e gli autocarri, quando gli aspetti ambientali lo impongano (ad esempio il trasporto transalpino) sono disponibili soluzioni con un miglior rapporto ingombro/efficacia rispetto alle batterie come il gas naturale liquefatto (LNG). I due aspetti sono plasticamente rappresentati nel grafico di figura 7, di origine General Motors.

 

Nella figura in ascisse è la tipologia del ciclo stradale (urbano, extra-urbano, autostradale), riconducibile all’autonomia richiesta, in ordinata il consumo energetico in valore assoluto (duty cycle), riconducibile alla taglia. La suddivisione tra le diverse zone è, ovviamente, indicativa ed oltretutto il grafico è abbastanza vecchio, per cui oggi andrebbe ristretta la zona di pertinenza dell’idrogeno a vantaggio di quella dei veicoli a batteria, ma è comunque interessante anche per chiarire il concetto della complementarietà delle diverse tipologie di motorizzazione.

Ciascuna delle quali è particolarmente adatta a determinati campi di applicazione e pertanto oggetto di studio e di continui miglioramenti tecnologici; il cui sviluppo, pertanto, non deve essere assolutamente trascurato nemmeno nel nostro Paese.

[ Giovanni Pede ]

Membro del Board Energia Horizon 2020

[ Fernando Ortenzi ]

Ricercatore ENEA

 

N.B. Le opinioni espresse nell’articolo sono a titolo personale e non coinvolgono né l’ENEA, né il board