Mobilità elettrica: due parole che stanno spopolando sempre di più e che definiscono il cambiamento radicale che sta subendo il mercato automobilistico e non solo. Il futuro sembra segnato e l’alimentazione su cui stanno puntando la maggior parte delle Case automobilistiche, con investimenti sempre più ingenti, è sicuramente quella elettrica.
Le gamme di modelli si popolano di vetture elettrificate e i relativi impianti di produzione stanno subendo particolari aggiornamenti nella produzione non solo con l’obiettivo di aumentarne l’efficienza ma anche con la volontà di diventare carbon neutral entro pochi decenni. Già, perché le normative restringenti in termini di emissioni di CO2 (principale causa dell’effetto serra e di conseguenza del riscaldamento globale) sono il principale motivo di questo cambiamento.
Se per molte Case automobilistiche l’alimentazione elettrica sembra essere la soluzione migliore per risolvere la maggior parte dei problemi, ci sono alcuni marchi come Mazda che puntano verso un futuro alimentato a carburanti rinnovabili. Anche dopo la presentazione della sua prima vettura completamente elettrica, l MX-30, avvenuta al Salone di Tokyo, la Casa giapponese sta puntando forte sulla nuova generazione di motori SKYACTIV-G che, grazie a nuove tecnologie, sono in grado di aumentare l’efficienza e, allo stesso tempo, diminuire le emissioni di CO2 e i consumi di benzina.
A questo proposito è interessante analizzare con cura l’intervento di Mitsuo Hitomi, Senior Innovation Fellow di Mazda Motor Corporation, durante la conferenza ‘Mobilità: tecnologie ed emissioni’, tenutasi al Politecnico di Milano, in cui sono stati esposti i dati di diverse ricerche interne con una presentazione dal titolo ’Overall optimization approach to improve the environment’. Un’analisi approfondita che cerca di mettere a confronto le emissioni prodotte dalle vetture EV con quelle spinte da motori endotermici.
Emissioni CO2, confronto tra EV e vetture a combustione interna
Come abbiamo già accennato in precedenza, la necessità di abbattere le emissioni di CO2 è uno dei principali motivi che sta incentivando questo cambiamento radicale nella scelta dei powertrain da utilizzare sui nuovi modelli. Quando si parla di macchine elettriche, il primo pensiero che passa nella mente delle persone è che queste non emettano CO2. Se questo è vero nelle emissioni tank-to-wheel (cioè nell’utilizzo della vettura su strada), la fase di produzione dell’energia elettrica per alimentarle (che avviene nella maggior parte dei casi con centrali che non sfruttano energie rinnovabili) e quella delle batterie agli ioni di litio, producono emissioni e mostrano dati tutt’altro che incoraggianti su cui vale la pena fare alcune considerazioni in più.
A questo proposito, è fondamentale mettere a confronto due vetture identiche ma dall’alimentazione diversa. Mazda lo ha fatto, utilizzando come modello la Mazda 2. Quella a benzina, dotata di motore Mazda SKYACTIV-G, ha un consumo di 4 l/100 km mentre quella elettrica ha un consumo di energia pari a 10,5 kWh/100 km secondo il ciclo giapponese JC08. La quantità di emissioni di CO2 per la vettura a combustione interna è di 109 grammi l chilometro. Da dove deriva questo dato? Come abbiamo detto prima, bisogna dividere il contributo dato dall’utilizzo della vettura su strada (tank-to-wheel) da quello relativo all’estrazione, alla produzione e al trasporto del carburante utilizzato (well-to-tank).
Guardando la tabella riferita alla quantità di emissioni prodotte nella fase well-to-tank della benzina, troviamo un valore (Tabella 1) di 12,19 grammi di CO2/MJ (Mega Joule). Considerando il potere calorifico della benzina di 33,37 MJ/l e moltiplicando i due dati a disposizione possiamo trovare la quantità di anidride carbonica per un litro di carburante (12,19×33,37 = 406,8 grCO2/l). Ora, sapendo che il consumo di carburante della vettura considerata è di 4 litri/100 km, possiamo facilmente calcolare i grammi di CO2 per chilometro (16 grCO2/km). Questi vanno aggiunti ai 93 grCO2/km trovati secondo il ciclo JC08 per questa vettura (tank-to-wheel). Sommando i contributi troviamo quindi il valore di 109 grCO2/km, dichiarato in precedenza.
Se per le elettriche abbiamo detto che le emissioni su strada valgono zero, il contributo di emissioni di CO2 dato dalla produzione dell’elettricità per una vettura dal consumo di 10,5 kWh/100 km vale 66 grCO2/km. Ma da dove deriva questo risultato? Considerando un valore di 628 grCO2/kWh, dato dalla media ponderata delle emissioni prodotte dalle diverse tecnologie di produzione di energia (carbone, petrolio, gas naturale liquefatto LNG, nucleare e le minori rinnovabili tra cui: solare, eolico, idroelettrico e geotermico), basta moltiplicarlo per il consumo di 10,5 kWh/100 km per trovare la quantità di emissioni.
E se si considerano i consumi reali?
Come sappiamo, la differenza tra i consumi ideali (relativi a qualsiasi protocollo) e quelli reali cambiano notevolmente; in questo caso, passando a 5,4 l/100 km nel caso del motore a combustione interna e a 17,2 kWh/100 km per la vettura EV. In questo nuovo scenario, il valore delle emissioni sale rispettivamente a 148 g-CO2/km e a 108 g-CO2/km (Grafico 2 qui sotto).
C’è da ricordare che il valore ottenuto nel caso della vettura elettrificata è dipendente al 100% da come viene prodotta l’energia. Sicuramente, non possiamo essere certi sulla provenienza dell’energia utilizzata ma si può affermare che le emissioni possono peggiorare o migliorare in base allo sviluppo tecnologico dello Stato in cui avviene la produzione di energia.
Inquinamento da produzione
Uno degli aspetti che non abbiamo ancora considerato è la quantità di emissioni che viene prodotta nella produzione delle batterie agli ioni di litio, il cuore delle vetture elettrificate. Secondo i dati mostrati da Mazda (Grafico 3), la quantità di CO2 emessa è di 110 kg/kWh.
Ora, considerando una batteria con capacità di 40 kWh e con un chilometraggio medio di 200.000 km, possiamo calcolare il contributo in 22 grCO2/km (e che va aggiunto al valore di emissioni totale well-to-wheel). In questo caso il gap con le vetture a combustione interna si abbassa ad un 12%. La volontà è sicuramente quella di avere una produzione di energia con metodi meno inquinanti attraverso l’utilizzo di fonti rinnovabili ma un’altra possibilità, non da escludere, potrebbe essere quella di avere motori a combustione interna più efficienti con una riduzione nel consumo di carburante in modo da colmare la differenza con le vetture EV. Questo perché la tendenza delle Case automobilistiche, per soddisfare le richieste dei clienti spaventati da autonomie non così alte, è quella di aumentare la capacità delle batterie agli ioni di litio. In questo caso, il grafico successivo (Grafico 4 relativo ad un incremento delle emissioni per batterie con 70 kWh di capacità) dimostra che i veicoli elettrici alimentati a batteria, considerando una produzione media-mista, non presentano più alcun vantaggio rispetto ai veicoli ICE.
A questo punto quello che viene da pensare è che in un futuro non molto lontano, quando le vetture elettriche aumenteranno di numero e saranno equipaggiate con batterie sempre più grandi, i benefici sulle emissioni di CO2 dato dall’utilizzo dell’alimentazione elettrica potrebbero addirittura scomparire.
Meglio le BEV o PRODURRE energia pulita?
Secondo i dati mostrati da Mitsuo Hitomi, per ridurre della metà le emissioni di CO2 dei veicoli in Giappone, cioè le 91 milioni di tonnellate di emissioni di CO2, nel caso in cui batterie da 40 kwh siano installate su veicoli elettrici di segmento C, bisognerebbe produrre circa 149,3 miliardi di kWh di energia pulita in più all’anno. Se questa quantità di energia pulita venisse utilizzata per ridurre l’elettricità generata con gli attuali metodi di generazione di energia, sarebbe possibile ridurre 91 milioni di tonnellate di emissioni di CO2. Nel caso venisse, invece, utilizzata per la decarbonizzazione degli impianti di produzione, si ridurrebbero le emissioni di circa 140 milioni di tonnellate di CO2. Se a questo si aggiungesse in qualche anno un miglioramento dell’efficienza termica dei motori a combustione di circa il 30% con un’ulteriore riduzione di 55 milioni di tonnellate di CO2 ci sarebbe nel primo caso una riduzione totale di 91+27= 118 milioni di tonnellate di CO2 (vengono considerati 27 milioni perché i veicoli a combustione interna dimezzerebbero con l’espansione dei veicoli elettrici) e nel secondo caso di 140+55=195 milioni di tonnellate di CO2.
Per Mazda i biocombustibili sono una valida alternativa
Alla luce di queste considerazioni, la ricerca sui biocombustibili rimane uno dei capisaldi per Mazda che sta portando avanti un progetto finanziato dal Governo giapponese con l’università di Hiroshima e con l’Istituto Tecnologico di Tokyo sullo sviluppo di carburanti bio derivanti dalla manipolazione dei geni delle alghe per una maggiore produzione di olio e grasso per poi convertirli in carburanti come gasolio e benzina controllando la temperatura delle reazioni di isomerizzazione. Secondo Hitomi, questo è il miglior metodo per un futuro dei trasporti più sostenibile, piuttosto che investire ingenti somme di denaro nella rapida diffusione di veicoli elettrici e nella creazione di infrastrutture per veicoli elettrici
Non dimentichiamo particolato ed NOx…
Fino ad adesso abbiamo concentrato la nostra attenzione sulle emissioni di CO2. Se l’anidride carbonica risulta dannosa indirettamente per gli esseri viventi per la produzione dell’effetto serra e il conseguente aumento del riscaldamento globale, bisogna tenere presente che l’utilizzo delle automobili è fonte di inquinamento ben più grave nell’immediato: parliamo della produzione di particolato PM e degli ossidi di azoto NOx.
Per quanto riguarda il particolato, secondo uno studio condotto nel 2010 nella città di Tokyo (vedi grafico sotto), il 7% viene prodotto dai motori a combustione interna mentre il 24% è dato dall’usura degli pneumatici e dei freni, componenti presenti anche nelle vetture ad alimentazione elettrica.
Parlando del secondo tipo di inquinante considerato, gli NOx, e partendo dalle emissioni prodotte nei diversi Stati con la produzione di energia dalle centrali termoelettriche (prima riga della tabella che segue), viene mostrata la quantità di emissioni media per un veicolo elettrico alimentato da una batteria da 40 kWh rispetto a quelle a benzina e diesel calcolate con il ciclo di omologazione RDE. Come si può notare, in Germania, dove le emissioni per kWh di energia prodotta sono di un gr di NOx, il risultato finale risulta peggiore di quello corrispondente a propulsori a combustione interna.
Se venisse presa in considerazione la produzione di elettricità in impianti a carbone, i dati delle vetture elettriche peggiorerebbero ulteriormente per effetto di un maggior quantità di grNOx/kWh.
Per questo Mazda non ha accantonato lo sviluppo dei motori a combustione interna ma lo sta portando avanti con grande sforzo tecnico, proprio in vista di un loro rivalutazione nel momento in cui saranno disponibili combustibiili alternativi.
