Prevedibili sviluppi nei sistemi di trazione veicolare

Dove vanno i motori? Prevedibili sviluppi nei sistemi di trazione veicolare

Giuseppe Cantore - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Nell'attuale scenario di transizione tecnologica, in molti settori come quello automotive, l'attenzione verso forme di energia rinnovabili ed a impatto di gas serra nullo non è solo fondamentale ma necessaria. Si assiste quotidianamente a continui annunci di spostamento di investimenti verso l'elettri ficazione. Quest'ultima va intesa primariamente come impiego di energia elettrica in qualità di fonte primaria, sotto forma di energia accumulata in una batteria e solo successivamente in forma declinata come energia "di affiancamento" in un veicolo ibrido, preferibilmente Plug-In, per usufruire dei vantaggi dell'accumulo di energia in batteria dalla rete.

Di fronte a tali vantaggi della propulsione con veicoli puramente elettrici, quali spazi e quale futuro hanno i sistemi di propulsione, ibridi o plug-in, basati su motori endotermici alternativi, seppur pensati nell'ottica di essere alimentati con combustibili rinnovabili e ad impronta di CO2 nulla? La disamina è complessa perché vi sono diversi aspetti da considerare che vanno dal reale sharing di rinnovabili nella produzione di energia elettrica, alla disponibilità annua di energia rinnovabile, allo stoccaggio di quest'ultima. Vanno inoltre valutate le problematiche connesse alle infrastrutture, alla percezione del veicolo da parte del cliente finale, alle implicazioni economico-politiche della disponibilità di materie prime e della adeguata tecnologia, al reale impatto ambientale dettato dall'estrazione di materie prime e dal riciclo delle batterie esauste, nonché quelle legate al target di utilizzo del motore. L'attuale spinta ad una decisa e completa transizione verso powertrain elettrici ad accumulo di energia elettrica in batterie o in sistemi elettrici (super capacitori) è sicuramente mossa da ragioni condivisibili. Tuttavia non sono altrettanto condivisibili il pensiero e la forzatura di considerarla l'unica soluzione alla transizione ecologica, quando sono ancora molte le sfide aperte ed evidenti per potere affermare che tale tecnologia sia matura su larga scala, considerata anche la reale sostenibilità di una produzione da fonti interamente rinnovabili.
In proposito, ci sono alcuni aspetti da valutare:

- Innanzitutto, lo share di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile, rappresentato dalla reale possibilità di disporne in una percentuale alta (maggiore del 50-60%) soprattutto laddove è richiesta una produzione, o è previsto un consumo, di energia annua superiore a 300 TWh e sono installate potenze superiori a 100 GW (dimensioni rappresentative di nazioni come l'Italia in relazione ai consumi energetici medi annui). Il veicolo a trazione puramente elettrica è vincente solo se l'energia elettrica utilizzata per la trazione deriva interamente da sistemi di produzione 100% rinnovabili (soprattutto solare ed eolico). In caso contrario, le emissioni di CO2 considerate nel ciclo Well-to-Wheels possono essere superiori per un veicolo puramente elettrico;

- Un secondo aspetto riguarda la disponibilità di alcuni fattori determinanti per il successo dell'elettrificazione su grande scala quali:
. L'infrastruttura di distribuzione: è abbastanza evidente che parlare di ricarica su grande scala, e ancora di più di ricarica veloce, significa rendere disponibile un'efficiente e capillare infrastruttura di distribuzione dell'elettricità;
. La profilazione della richiesta di potenza da garantire in rete per soddisfare i bisogni di ricarica e di accumulo di energia derivante da fonti rinno vabili. Sono allo studio smart-grid e sistemi Vehicle-to-Grid (V2G) ma non è facile, oggettivamente, gestire bidirezionalmente approvvigionamento dell'utente (ricarica), stoccaggio o addirittura prelievo nell'ambito dell'autonomia dell'utente finale;
. Energia elettrica annua prodotta. Da un lato è abbastanza chiaro che, grazie alla migliore efficienza di conversione dell'energia, il surplus di consumo derivante dalla totale conversione da motori a combustione interna a veicoli elettrici (BEV) può essere stimata in un incremento di "solo" il 20% per un paese come l'Italia rispetto ai valori di produzione attuali. Dall'altro ci si attende che vi possano essere difficoltà a raggiungere, soprattutto nel breve, una produzione di energia elettrica annua da fonte rinnovabile che non solo possa coprire l'attuale fabbisogno ma anche il surplus richiesto dalla transizione a veicoli elettrici, tenendo peraltro conto del decommissioning delle centrali nucleari già in atto in alcuni paesi;
. Disponibilità e storage di energia da fonti rinnovabili. Come noto molte delle forme di energia rinnovabile presentano un profilo di 'availability' su base giornaliera o annua che non può essere alla base di una risposta completa alla profilazione della potenza disponibile sopra menzionata. Da qui emerge la necessità di immagazzinamento dell'energia rinnovabile in eccesso rispetto alla domanda istantanea. Purtroppo, l'immagazzinamento di grandi quantità di energia per lunghi periodi e con sistemi di accumulo ad alta densità di energia restano ancora un punto aperto (se si eccettuano gli accumuli in bacini idroelettrici laddove ancora possibile) sia nelle modalità sia nell'efficienza. Come già sottolineato i sistemi V2G potenzialmente possono fornire una risposta che però non è garantita.

Parallelamente, il tradizionale motore a combustione interna può contare sulla disponibilità di combustibili sintetici. È evidente che l'adozione di questi ultimi (incluso l'idrogeno) offre la possibilità di sfruttare la loro intrinseca caratteristica di possedere un'elevata densità di energia, elemento chiave della capacità di accumulo delle quantità di energia rinnovabile prodotta in eccesso. Inoltre, a vantaggio dei combustibili sintetici vi è la disponibilità quasi immediata di infrastrutture di distribuzione (ad eccezione dell'idrogeno). Questi combustibili sintetici sono peraltro pensati per essere utilizzati senza modifiche sostanziali nei motori attuali ICE (ad eccezione dell'idrogeno che pone alcune criticità particolari). Una delle possibilità in studio prevede la cattura della CO2 immessa in atmosfera dalle grandi realtà industriali per un suo utilizzo nella produzione dei combustibili sintetici a base Cx Hy : questo consentirebbe un bilancio complessivo utile netto, positivo o nullo, per quanto concerne la CO2 , pur considerando la sua emissione durante la combustione nei motori ICE alimentati da combustibili sintetici. Se da una lato questa soluzione comporta una diminuzione dell'efficienza di utilizzo della fonte primaria (un'importante quota parte dell'energia elettrica è spesa nella produzione del combustibile sintetico in tutte le sue fasi, a seconda che sia un e-fuel o idrogeno, per il quale vanno considerate le spese energetiche legate all' accumulo on-board), dall'altra si presenta come una opzione importante nello storage di energia rinnovabile e offre rapporti fra energia accumulata e peso (o volume) strategici per alcune applicazioni che richiedono elevati range di autonomia o per quelle 'heavy duty' e stazionarie. Inoltre, gli e-fuel sono molto promettenti nella propulsione aerea e navale. La soluzione del miglior powertrain dipende quindi dalla maturità delle tecnologie impiegate, incluse quelle di accumulo di energia rinnovabile su grande scala e di accumulo on-board (batterie/super capacitori) e dai target della specifica applicazione (autonomia, potenza, dimensione dell'utilizzatore/ veicolo, limiti di emissioni da rispettare in alcune aree/regioni in cui è prevista l'operatività dell'applicazione). Tenuto conto dello scenario tecnologico a breve-medio termine, sembra più ragionevole e prudente pensare che, nel settore dei trasporti e della propulsione, la necessaria transizione verso forme di propulsione a impatto ambientale nullo sarà caratterizzata da un portafoglio di tecnologie di propulsione e di differenti forme di energia immagazzinata on-board, nelle quali, oltre alla propulsione puramente elettrica ad accumulo di energia on-board dalla rete, possono rientrare sia le Fuel Cells sia i motori endotermici alimentati con combustibili rinnovabili (biofuel o combustibili sintetici) e inseriti in architetture di powertrain ibridi o Plug-In. È sicuramente ragionevole prevedere ed incentivare l'uso di veicoli BEV nei centri urbani e nelle aree protette dal punto vista ambientale per il loro pregio di non dare luogo ad emissioni di inquinanti gassosi e solidi su strada (se non quelli legati ad usura di pneumatici e freni). Per applicazioni nelle quali è richiesta molta autonomia, l'impiego di veicoli equipaggiati da powertrain ibridi o plug-in, nei quali il motore ICE è alimentato da biocombustibili oppure da combustibili sintetici (incluso l'idrogeno), sembra la scelta più plausibile così come per applicazioni stazionarie in cui sono richiesti elevati valori di potenza. In questo ambito, così come per i veicoli industriali, può essere valutato l'impiego dell'idrogeno anche in miscele con biofuel o com bustibili sintetici, mantenendo in vita ancora per lungo tempo i tradizionali motori a combustione interna ivi compresi i tanto vituperati motori Diesel.