Per capire il reale impatto climalterante di un veicolo, è necessario considerare l’intero ciclo di vita attraverso il cosiddetto Life Cycle Assessment (LCA), che tiene conto della somma delle emissioni legate a produzione, utilizzo e smaltimento (o riciclo, nel caso delle batterie). 

Produrre un’auto elettrica (BEV) comporta oggi maggiori emissioni di CO₂ rispetto a un’analoga vettura endotermica (ICE). Tuttavia, calcolando le emissioni di gas serra “cradle to grave”, come dicono gli anglosassoni, si osserva che un’auto elettrica è decisamente meno impattante di un analogo veicolo con motore a combustione. E questo è sempre valido, già oggi, indipendentemente dal mix energetico del luogo in cui il veicolo è prodotto e utilizzato. Il che vuol dire che in prospettiva, al naturale crescere delle rinnovabili in tutto il mondo, il divario a favore dell’elettrico potrà solo aumentare. 

Tramite la metodologia LCA possiamo osservare la comparazione in termini di emissioni di CO₂ tra una vettura elettrica e una a benzina negli Usa e in Europa, dove c’è una maggiore penetrazione delle fonti rinnovabili. In entrambi i casi la fase della produzione vede in vantaggio la vettura a benzina, che poi però emette molta più CO₂ durante l’utilizzo. Nel complesso, Oltreoceano un’auto elettrica emette nell’intero ciclo di vita tra le 10 e le 23 tonnellate di CO₂ in base al mix energetico locale, mentre una con motore endotermico tocca quota 82 tonnellate. In Europa le BEV si attestano tra le 10 e le 21 tonnellate, mentre le ICE non scendono sotto le 44 tonnellate. Altre stime confermano che un’auto elettrica, in media, ha emissioni di CO₂ inferiori del 60% rispetto a una a benzina. In Europa questa diminuzione arriva al 77% e, negli Usa, addirittura, all’88%.

Come accennato, la posizione di vantaggio dell’elettrico in termini di impronta carbonica si rafforzerà costantemente grazie al crescente peso delle rinnovabili nel mix energetico globale. Inoltre i progressi tecnologici ed economie di scala permetteranno di ridurre sempre di più anche le emissioni legate alla produzione delle batterie, componente la cui realizzazione incide attualmente per circa il 60% sul totale della CO₂ emessa complessivamente da una vettura elettrica. Al 2030, si calcola che i veicoli elettrici avranno mediamente un impatto in termini di impronta di carbonio pari a 49 gCO2/km rispetto agli attuali 93 gCO2/km, fino ad arrivare a circa 20 gCO2/km al 2050, inferiore a qualunque altra alimentazione anche in confronto con veicoli ICE che utilizzano biofuel o e-fuel.

Infine, anche la rassegna degli studi sul Life Cycle Assessment presa in considerazione dal Governo italiano nel 2022 evidenzia che le auto elettrificate risultano significativamente più ecocompatibili di quelle a combustione interna sulla maggior parte delle categorie di impatto, in primis i cambiamenti climatici, portando a concludere che l’elettrificazione dovrebbe rappresentare quindi il futuro della mobilità privata. 

Per approfondire l’argomento:

• McKinsey: “Battery 2030: “Resilient, sustainable, and circular”
• Parlamento Europeo: “Enviromental challanges through the life cycle of battery electric vehicles”
• Ministero della Transizione ecologica: “Rassegna bibliografica di studi LCA per il trasporto privato di persone con autoveicoli leggeri: mobilità elettrica, ibrida e a combustione interna”
• Yale School of the Environment: “YSE Study Finds Electric Vehicles Provide Lower Carbon Emissions Through Additional Channels”  
• Ricardo: “Research on Environmental Sustainability and Energy Efficiency of Electric Vehicles“ 
• ICCT: “A global comparison of the life-cycle greenhouse gas emissions of combustion engine and electric passenger cars”
• Bloomberg: “EVs Are Much Lower-Emitting Than Combustion Cars”

La mobilità elettrica è diventata un fenomeno di massa negli ultimi anni, ma alcune delle tecnologie che sfrutta sono in realtà figlie di uno sviluppo centenario. Il motore elettrico, ad esempio, rappresenta una soluzione tecnica già ampiamente utilizzata in molteplici ambiti, estremamente matura e affidabile, al punto da incorrere in guasti – nell’automotive – con una frequenza inferiore di circa 6 volte rispetto ai propulsori a combustione interna.

Il motore elettrico è composto da due elementi principali: lo statore e il rotore. Il primo, come si intuisce dal nome, è statico e ospita al suo interno una serie di bobine. Queste, disposte in modo specifico, ricevono energia per creare un campo magnetico rotante che aziona il rotore. Da questo movimento circolare si crea la coppia motrice che viene poi trasmessa alle ruote per far muovere l’automobile.

I motori elettrici funzionano nella maggior parte dei casi a corrente alternata e necessitano quindi di un inverter per convertire la corrente continua proveniente dalla batteria. In alternativa, possono usare bobine collegate a barre commutatrici che invertono la direzione della corrente che scorre nelle bobine stesse per avviare la rotazione del rotore.

La velocità di rotazione e la coppia del motore possono essere regolate lavorando sulla tensione, la frequenza e l’ampiezza dell’elettricità.

I motori elettrici tradizionali sono detti a flusso radiale, ma in campo automobilistico, negli ultimi tempi, sta prendendo piede per determinate applicazioni anche un nuovo tipo di motore elettrico, detto a flusso assiale. In questi motori il rotore ha un diametro maggiore ma è anche molto più sottile a livello di spessore e ha bobine disposte su un asse parallelo a quello di rotazione. Questo tipo di motore consente erogazioni di coppia superiori ed è guardato con particolare interesse da una serie di Case automobilistiche per vetture elettriche ad alte prestazioni.

Per approfondire l’argomento

• ADAC “ADAC Pannenstatistik 2023: Wie zuverlässig sind Elektroautos?”
• Yasa Motors: “The future of performance electric vehicle propulsion”

Nel 2023, in Italia, la percentuale di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (Fer) si è attestata al 44,6%. Solo 10 anni fa questa quota non raggiungeva il 16,7%. L’obiettivo sancito dal Governo con l’ultimo aggiornamento del Piano energia-clima (PNIEC) è di arrivare al 2030 con il 72% dell’elettricità prodotta da Fer, facendo ancora meglio del target del 32% che si è data l’Unione europea. 

Dal momento che già con l’attuale mix energetico le auto elettriche comportano un notevole vantaggio in termini di emissioni di CO2 rispetto a quelle endotermiche, il beneficio non potrà che aumentare con il passare del tempo, visto il crescente peso delle rinnovabili.

Tornando al mix energetico italiano, nel 2023 si è registrato il record storico del fotovoltaico (+9,2% rispetto al 2022) che ha toccato una produzione di 30,7 TWh sui 264.7  totali. Dopo il minimo storico della produzione idroelettrica registrato nel 2022 a causa della scarsa piovosità, quest’ultima torna a salire del 38,9% nel 2023 attestandosi a 42,1 TWh. In aumento anche la produzione eolica con un incremento del 15,4% rispetto al 2022 (23,6 TWh); si registra invece un calo delle bioenergie e della produzione geotermoelettrica, rispettivamente del 9,1% e del 2,5% rispetto al 2022. 

La potenza efficiente lorda di generazione, al 31 dicembre 2023, è risultata pari a 130,1 GW (+5,5%). Interessante notare come la capacità rinnovabile, pari a 66,8 GW, abbia raggiunto il 51% del totale, con un aumento del 9,5% rispetto all’anno precedente. L’Italia punta a installare oltre 70 GW di rinnovabili entro il 2030 e di poter superare gli obiettivi del piano europeo REPowerEU di 85 GW tra il 2030 e il 2032.

Per un miglior sfruttamento delle rinnovabili, infine, è necessario realizzare impianti di storage in grado di accumulare energia nel momento in cui è prodotta in sovrabbondanza rispetto alla domanda e di rilasciarla alla rete in base alle richieste. Sotto questo aspetto, in Italia, a fine 2023, sono risultati in esercizio 518.940 sistemi di accumulo stazionari (+56% sul 2022). La potenza attiva nominale complessiva è pari a a 3.238,9 MW (+52% sul 2022)

Anche sotto questo aspetto la diffusione delle auto elettriche reciterà un ruolo molto importante: una volta terminata la vita utile a bordo del veicolo, ma prima di essere avviate al completo riciclo, le batterie saranno protagoniste infatti della cosiddetta “second life”, nella quale insieme ad altri accumulatori andranno a formare sistemi di storage stazionario al servizio della produzione di energia rinnovabile. 

Per approfondire l’argomento:

• ANIE: “Energie rinnovabili nella UE: quota 15% nel 2013 – Italia vicina al raggiungimento del target 2020”
• Ministero delle Imprese e del Made in Italy: “Piano Energia Clima 2030”
• Consiglio europeo: “Il Consiglio e il Parlamento raggiungono un accordo provvisorio in merito alla direttiva sulla promozione delle energie rinnovabili”
• Terna: “Dati statistici sull’energia elettrica e ultimo bilancio energetico 2023”

Nel 2023, in Italia, la percentuale di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (Fer) si è attestata al 44,6%. Solo 10 anni fa questa quota non raggiungeva il 16,7%. L’obiettivo sancito dal Governo con l’ultimo aggiornamento del Piano energia-clima (PNIEC) è di arrivare al 2030 con il 72% dell’elettricità prodotta da Fer, facendo ancora meglio del target del 32% che si è data l’Unione europea. 

Dal momento che già con l’attuale mix energetico le auto elettriche comportano un notevole vantaggio in termini di emissioni di CO2 rispetto a quelle endotermiche, il beneficio non potrà che aumentare con il passare del tempo, visto il crescente peso delle rinnovabili.

Tornando al mix energetico italiano, nel 2023 si è registrato il record storico del fotovoltaico (+9,2% rispetto al 2022) che ha toccato una produzione di 30,7 TWh sui 264.7  totali. Dopo il minimo storico della produzione idroelettrica registrato nel 2022 a causa della scarsa piovosità, quest’ultima torna a salire del 38,9% nel 2023 attestandosi a 42,1 TWh. In aumento anche la produzione eolica con un incremento del 15,4% rispetto al 2022 (23,6 TWh); si registra invece un calo delle bioenergie e della produzione geotermoelettrica, rispettivamente del 9,1% e del 2,5% rispetto al 2022. 

La potenza efficiente lorda di generazione, al 31 dicembre 2023, è risultata pari a 130,1 GW (+5,5%). Interessante notare come la capacità rinnovabile, pari a 66,8 GW, abbia raggiunto il 51% del totale, con un aumento del 9,5% rispetto all’anno precedente. L’Italia punta a installare oltre 70 GW di rinnovabili entro il 2030 e di poter superare gli obiettivi del piano europeo REPowerEU di 85 GW tra il 2030 e il 2032.

Per un miglior sfruttamento delle rinnovabili, infine, è necessario realizzare impianti di storage in grado di accumulare energia nel momento in cui è prodotta in sovrabbondanza rispetto alla domanda e di rilasciarla alla rete in base alle richieste. Sotto questo aspetto, in Italia, a fine 2023, sono risultati in esercizio 518.940 sistemi di accumulo stazionari (+56% sul 2022). La potenza attiva nominale complessiva è pari a a 3.238,9 MW (+52% sul 2022)

Anche sotto questo aspetto la diffusione delle auto elettriche reciterà un ruolo molto importante: una volta terminata la vita utile a bordo del veicolo, ma prima di essere avviate al completo riciclo, le batterie saranno protagoniste infatti della cosiddetta “second life”, nella quale insieme ad altri accumulatori andranno a formare sistemi di storage stazionario al servizio della produzione di energia rinnovabile. 

Per approfondire l’argomento:

• ANIE: “Energie rinnovabili nella UE: quota 15% nel 2013 – Italia vicina al raggiungimento del target 2020”
• Ministero delle Imprese e del Made in Italy: “Piano Energia Clima 2030”
• Consiglio europeo: “Il Consiglio e il Parlamento raggiungono un accordo provvisorio in merito alla direttiva sulla promozione delle energie rinnovabili”
• Terna: “Dati statistici sull’energia elettrica e ultimo bilancio energetico 2023”

La diffusione dei veicoli elettrici avrà riflessi solo marginali sulla rete elettrica italiana, che potrà anzi beneficiare di queste “batterie su ruote” per dare vita a un sistema elettrico sempre più evoluto e intelligente.

Considerando l’ambiziosa crescita prevista dal Governo del parco circolante full electric nel nostro Paese (al 2030: 6,3 milioni di auto, 750.000 furgoni, 50.000 camion e 70.000 autobus), nel 2030 la domanda di energia elettrica per la ricarica di questi veicoli sarà di 15,5 TWh, su una richiesta totale di 366 TWh del “Sistema Italia”. Ciò significa che i veicoli elettrici peseranno per appena il 4,2% sui consumi totali. In Europa, l’incremento medio della domanda di elettricità non andrà quindi oltre il 6%.

La situazione è analoga anche considerando i picchi di potenza richiesti, con i veicoli elettrici che nel 2030 peseranno per circa 3,1 GW su un totale di 60 GW. Si tratta del 5,2% del picco di prelievo complessivo.

Accanto ai veicoli elettrici e alle infrastrutture di ricarica, come accennato, si diffonderanno anche le tecnologie che faranno proprio dei BEV un elemento centrale della transizione delle reti elettriche tradizionali verso le cosiddette smart grid.

I mezzi a batteria, ad esempio, saranno sempre più dotati di software di gestione della ricarica e di ricarica bidirezionale. In pratica, i veicoli elettrici saranno in grado di modulare la potenza della ricarica in base alla domanda di energia complessiva, alle tariffe, a eventuali criticità locali sulle reti di distribuzione, alla generazione di prossimità delle rinnovabili in una data ora e, in caso di necessità, potranno addirittura reimmettere nel sistema o verso utenze specifiche (come la propria casa) parte dell’energia contenuta nella batteria.

La capacità dei veicoli elettrici di bilanciare la rete, attraverso la modulazione della ricarica o la reimmissione in rete, sarà estremamente utile per il sistema elettrico. Grazie a questa flessibilità, il 15% dei servizi di riserva della rete potranno essere forniti dai BEV e si potranno dimezzare i problemi sulle reti di distribuzione, in bassa e media tensione, massimizzando al tempo stesso la produzione di energia da rinnovabili, grazie alla capacità di accumulo rappresentata dalle batterie dei veicoli. Quest’ultimo aspetto, in particolare, consentirà nel 2030 di dimezzare la prevista overcapacity da Fer (ossia l’energia che si sarebbe potuta produrre da impianti rinnovabili, ma che la rete non è in grado di accettare).

Tutti questi “servizi di rete” potranno in prospettiva dare anche un importante vantaggio economico agli utenti, cittadini e imprese, quando metteranno a disposizione del sistema la batteria della propria auto, attraverso una remunerazione diretta o con scontistiche specifiche sul costo della ricarica o dell’energia in generale.

Per approfondire l’argomento:

• Elettricità Futura: “Il Piano 2030 del settore elettrico: importante opportunità per l’Italia”
• McKinsey: “Global Energy Prespective”
• Motus-E: “Così la crescita delle auto a batteria aiuterà la rete elettrica italiana: lo studio”

Tutti i test effettuati dagli enti internazionali preposti indicano che le auto elettriche sono molto sicure, spesso più delle vetture con motore endotermico, per una serie di fattori. In primis, perché si tratta di vetture con architetture di ultima generazione che adottano i migliori standard in termini di sicurezza passiva e attiva (elettronica e dispositivi di assistenza alla guida).

In questo senso, i test svolti dall’Euro NCAP e da altri soggetti indipendenti per la valutazione della sicurezza delle auto hanno assegnato il massimo dei punteggi a tutti i modelli elettrici messi alla prova negli ultimi 3 anni.

Tutti i veicoli elettrici immessi sul mercato sono omologati secondo la norma internazionale UNECE R 100 (ora alla terza versione), particolarmente stringente sia sul rischio elettrico che sui sistemi di sicurezza attivi e passivi del veicolo. Per quanto riguarda il rischio elettrico, in particolare, tutti gli elementi ad alta tensione e le batterie sono isolati elettricamente dalla carrozzeria e non è quindi possibile che vi sia un passaggio di corrente fra l’auto e l’ambiente circostante (neanche con l’acqua in caso di veicolo sommerso).

Per quanto riguarda la fase di ricarica, le colonnine sono certificate IP67 e oltre, il che assicura la tenuta stagna in caso di getti d’acqua e di immersione temporanea. Questo esclude qualsiasi rischio elettrico per chi avvia la ricarica anche durante un temporale violentissimo. Naturalmente, come avviene con qualunque apparato elettrico, non bisogna utilizzare cavi o spine visibilmente danneggiati o con l’isolante compromesso.

Per gli autoriparatori, infine, è sempre importante che chi interviene sui sistemi elettrici dei veicoli abbia seguito un corso apposito erogato da uno dei molti enti certificati che svolgono queste attività di formazione e che qualunque elettricista professionista conosce bene (qualifica PEI, persona idonea ai lavori sotto tensione, oltre a quelle PES e PAV).

Per approfondire l’argomento:

• Euro NCAP: “Ratings & Rewards“
• EV: “8 Reasons Why Electric Vehicles Are Safer Than Traditional Cars”

L’incendio di un veicolo – indipendentemente dalla sua alimentazione – si può verificare per diverse cause: a seguito di un incidente particolarmente violento, di un corto circuito, di un surriscaldamento dei componenti meccanici, di perdite di carburante e via dicendo.

Il rischio incendio si misura in base alla probabilità che questo avvenga, alle conseguenze in termini di energia rilasciata dalle fiamme e dalla probabilità che queste possano diffondersi, ad esempio ad altri veicoli. Numerosi studi condotti in Europa e negli Stati Uniti da compagnie assicurative, Vigili del fuoco e istituti di ricerca dimostrano che i veicoli elettrici (BEV) presentano un rischio incendio di molto inferiore rispetto alle altre motorizzazioni.

Più in dettaglio, dalle analisi emerge che i BEV hanno dalle 10 alle 60 volte meno probabilità di prendere fuoco rispetto ai veicoli ibridi, diesel e benzina e che l’energia sprigionata da eventuali incendi è paragonabile a quella di un equivalente veicolo endotermico in fiamme. I dati indicano che anche in caso di incidente i veicoli elettrici sono meno soggetti al pericolo di incendio rispetto a quelli a benzina, con una media di appena 25,1 incendi ogni 100.000 incidenti, contro i 1.529 delle vetture tradizionali.

Nelle elettriche, inoltre, la probabilità che l’incendio si estenda ad altri veicoli è paragonabile, se non inferiore, rispetto ai veicoli endotermici. Per i mezzi a benzina o diesel, ad esempio, il rischio di diffusione è legato soprattutto alle fuoriuscite di carburante, mentre per le batterie questo rischio andrebbe ricondotto solo al “getto di fiamma”, che nei veicoli elettrici è strutturalmente deviata verso il basso e che è decisamente più contenuta rispetto a quanto può avvenire ad esempio in veicoli a Gpl o metano nelle stesse condizioni.

Per i BEV ci si concentra sul rischio di incendi delle batterie per trazione perché contengono elementi chimici reattivi, che in caso di grave danneggiamento dell’accumulatore possono in rari casi innescare il cosiddetto thermal runaway, ossia un aumento di temperatura di una cella in grado di generare una fiamma in grado di diffondersi alle altre celle. Un fenomeno simile a ciò che può avvenire in un incidente che danneggia il serbatoio di un’auto tradizionale o la bombola di un mezzo a metano o a idrogeno.

Per scongiurare questi rischi le batterie sono protette contro urti e penetrazione di oggetti, oltre ad avere dei sistemi attivi e passivi di contenimento dell’aumento di temperature, come la disalimentazione della batteria in caso di aumenti indesiderati di temperatura dei moduli.

In questo senso, gli enti di controllo preposti certificano il progetto delle batterie – a livello di cella, modulo e pacco – e il prototipo rappresentativo del prodotto di serie, con verifiche di stress termico e meccanico, che prevedono test come il surriscaldamento indotto, prove di taglio, di impatto, di penetrazione di punta e via dicendo. I processi produttivi, dal canto loro, sono certificati secondo le norme UNI 9001, includendo il cosiddetto test end of line (carica-scarica e spettroscopia sull’impedenza interna) dei prodotti una volta assemblati. Dal numero di serie si risale anche ai risultati dei test.

Al netto degli aspetti strettamente comunicativi, spesso legati a fenomeni di spettacolarizzazione e social-clickbaiting, perché a fronte di un numero di incendi nettamente inferiore alle auto endotermiche si sono diffusi tanti falsi miti sulle auto elettriche? Un motivo potrebbe risiedere negli incendi delle batterie dei mezzi di micromobilità che emergono dai database storici di autorità nazionali e Vigili del fuoco, i cui dati andrebbero però letti tenendo presente che le normative per l’omologazione degli accumulatori delle auto sono infinitamente più stringenti.

Tra le diverse ricerche sull’argomento ce n’è anche una finanziata dal programma di ricerca europeo Horizon 2020, che sfata dati alla mano molte delle fake news che circolano su questo tema, a partire dall’incidenza degli incendi rispetto alle altre alimentazioni.

Vale ricordare infine che in caso di incendio le auto elettriche richiedono procedure specifiche per estinguere le fiamme. Per questo, i Vigili del fuoco e le autorità, affidandosi anche all’esperienza e ai dati dei costruttori, hanno lavorato alla definizione di protocolli di intervento dedicati, che individuano i metodi più efficaci per estinguere eventuali fiamme in sicurezza.

Per approfondire l’argomento:

• AutoinsuranceEZ: “Gas vs. Electric Car Fires [2023 Findings]”
• Lash Fire: “Facts and Myths About Fires in Battery Electric Vehicles”
• RISE: ”Electric Vehicle Fire Safety in Enclosed Spaces”
• ARUP, GOVERNO UK: “Covered car parks: fire safety guidance for electric vehicles“ 
• DSB, Direttorato protezione civile governo Norvegese: “Risk assessment and handling of fire in lithium-ion batteries”
• Ev FireSafe, “Incendi di veicoli ad alimentazione elettrica dal 2010 al 30 giungo 2024” 

Le batterie dei veicoli elettrici possono avere un solo destino dopo l’utilizzo: il riciclo. Lo prevede l’ordinamento dell’Unione europea, facendo della mobilità elettrica un perfetto esempio di economia circolare. Dopo l’impiego a bordo di auto, furgoni o altri mezzi, gli accumulatori sono infatti chiamati prima a una second life per applicazioni stazionarie pubbliche o private – a supporto di reti elettriche e fonti rinnovabili –, per poi venire avviati al riciclo per recuperare tutti i preziosi materiali che li compongono. Un business con grandi prospettive di sviluppo, in cui l’Italia può recitare un ruolo da protagonista.

Il volume di batterie da riciclare aumenterà ogni anno del 25%, grazie soprattutto agli scarti di produzione nel periodo pre-2030 e alle batterie a fine vita nel post-2030. Complici i nuovi target Ue sul contenuto minimo di materiale riciclato nelle batterie dei veicoli elettrici, al 2050 ci saranno in Europa circa 3,4 milioni di tonnellate di accumulatori pronti per essere riciclati (di cui 400.000 ton in Italia), a fronte di una capacità di riciclo che nel Vecchio Continente non supera oggi le 80.000 ton/anno. Le opportunità di crescita per l’Italia in questo settore pertanto sono enormi.

I vantaggi del riciclo sono evidenti. Sia perché la produzione di accumulatori con materiale recuperato riduce le emissioni di quattro volte, sia perché l’attività di recupero può essere economicamente molto redditizia, contribuendo al tempo stesso di ridurre le importazioni di materie prime dall’estero. 

A livello europeo, i ricavi generati da questo business saranno nell’ordine dei 6 miliardi di euro al 2050, di cui 400-600 milioni in Italia. Numeri con una vertiginosa prospettiva di aumento al naturale crescere dei veicoli elettrici circolanti, che si stabilizzeranno su volumi esponenzialmente più alti quando l’intero parco sarà a batteria. Non solo, perché il giro d’affari in Italia potrà espandersi ulteriormente, e più velocemente, anche importando dall’estero accumulatori da riciclare, alimentando una nuova filiera in grado di generare migliaia di nuovi posti di lavoro.

A fare da apripista europea è la Germania con la creazione del primo impianto per il riciclo di accumulatori agli ioni di litio ad opera di Mercedes-Benz.
Con una tecnologia basata su un processo combinato meccanico-idrometallurgico, lo stabilimento si pone l’obiettivo di recuperare oltre il 96% dei materiali ad un grado di purezza tale da poter creare nuove batterie. 

Per approfondire l’argomento: 

• Direttiva 2006/66/CE
• Motus-E, PoliMi, PwC: “Il riciclo delle batterie dei veicoli elettrici @2050: scenari evolutivi e tecnologie abilitanti”
• Mercedes-Benz, stabilimento di riciclaggio di Kuppenheimhttps://group.mercedes-benz.com/unternehmen/news/recyclingfabrik-kuppenheim.html

Le batterie delle auto elettriche, per legge, non finiranno mai in discarica e sono destinate esclusivamente al riciclo. Prima di venire smantellate per recuperare le materie prime di cui sono composte, tuttavia, possono rendersi estremamente utili per applicazioni stazionarie che non richiedono una capacità residua particolarmente elevata: la cosiddetta second life.

Le batterie delle auto elettriche sono garantite dalle stesse case auto per assicurare un determinato livello di prestazioni al termine di un periodo di tempo e/o un chilometraggio predeterminato. Ad esempio, possono essere garantite per avere una capacità residua di almeno l’80% dopo 8 anni o 160.000 km. Il che naturalmente non significa che al termine di questa garanzia le batterie diventano inutilizzabili, ma semplicemente che tenderanno ad avere una capacità inferiore rispetto alla batteria nuova. Con il susseguirsi dei cicli di carica e scarica, infatti, la capacità tende naturalmente a diminuire.

Quando dopo molti anni la capacità residua non è più considerata adeguata per un utilizzo automobilistico (<70% circa), l’accumulatore può essere destinato a un uso diverso prima di venire avviato al riciclo. Ad esempio, può essere utilizzato insieme ad altre batterie per realizzare dei sistemi di storage a supporto degli impianti per la produzione di energia rinnovabile, funzionali a massimizzare la generazione green – per via della naturale intermittenza delle fonti rinnovabili – e a bilanciare la rete elettrica. O magari come accumulo stazionario domestico. In questo modo, la vita utile della batteria si può allungare di circa altri 10 anni.

A seguito di un’ulteriore contrazione della capacità, si potrà optare poi per un ricondizionamento, con la sostituzione di celle o di altri componenti o per il riciclo, in grado di chiudere la vita circolare di un accumulatore con il recupero delle materie prime che lo compongono.

Per approfondire l’argomento:

• Unione europea: Direttiva 2006/66/CE
• Motus-E: “Il riciclo delle batterie dei veicoli elettrici @2050: scenari evolutivi e tecnologie abilitanti”
• Unione europea: “Renewable energy storage from second-life batteries is viable but may benefit from subsidies”
• ENEA:”Caratteristiche dei BMS per sistemi di accumulo second life e linee guida per la progettazione”
• Science Direct: “A review on second-life of Li-ion batteries: prospects, challenges, and issues”

Ad oggi le tipologie di batterie agli ioni di litio più diffuse sono caratterizzate da un elettrolita liquido, da anodi prettamente a base di grafite e da una composizione dei catodi con chimiche basate o sul nichel o sul ferro.

La composizione dei catodi guida anche il nome delle categorie di tali batterie: le più diffuse oggi in ambito automotive sono le nichel manganese cobalto (NMC), con un contenuto di cobalto sempre minore, che hanno una quota di mercato globale sopra il 60% e un costo in diminuzione sotto i 120 $kWh. Più costose e meno diffuse, ma più performanti, sono le NCA, nichel cobalto alluminio, che hanno un mercato sotto l’8%. Impressionante invece la crescita fino all’attuale 30% di mercato delle batterie con catodi LFP (litio-ferro-fosfato), meno performanti e più pesanti a parità di capacità, ma meno costose, anche per la presenza di materiali più diffusi e meno critici: per la prima volta quest’anno le LFP sono scese sotto i 100$/kWh in alcune forniture e mediamente costano il 30% in meno delle NMC.

Negli ultimi anni le batterie agli ioni di litio hanno vissuto – e stanno tuttora vivendo – una straordinaria evoluzione, con una drastica riduzione dei costi. Si è passati dai 752 dollari per kWh del 2013 ai $139/kWh al 2023, pur a fronte di un lieve incremento nel 2022 dovuto alla generalizzata inflazione globale e ad un aumento della domanda di materie prime critiche.

Il crescente mercato delle batterie nel settore automotive sta portando anche a una diversificazione delle chimiche utilizzate, con l’effetto di una maggiore differenziazione dei prezzi. A titolo esemplificativo, nel 2022 le batterie LFP (litio-ferro-fosfato) hanno registrato un costo del 20% inferiore rispetto alle batterie NMC (nichel-manganese-cobalto). Nei prossimi ci anni si aspetta una continua e generalizzata diminuzione del prezzo delle batterie.

Contestualmente, le batterie stanno diventando sempre più efficienti. Merito delle nuove chimiche e di affinamenti tecnologici incrementali, che hanno condotto a un diffuso aumento della densità energetica. Se nel 1991 la prima batteria agli ioni di litio commercializzata da Sony si fermava a 80 Wh/kg, ora siamo arrivati a una media di circa 300 Wh/kg, con punte di 700 Wh/kg. 

Attualmente gli accumulatori al litio costituiscono circa il 60% del mercato totale delle batterie ricaricabili e nel 2030 il mercato richiederà batterie per una capacità complessiva di 4.700 GWh. 

L’enorme fermento nella ricerca sulle batterie mira da un lato a dare vita a prodotti sempre più performanti ed efficienti, e dall’altro a ridurre e azzerare la necessità delle materie prime più costose o difficili da reperire, come il cobalto. In vista ci sono diverse nuove tecnologie. Tra le più note, in prospettiva, ci sono le batterie allo stato solido: hanno un elettrolita solido (appunto) e guadagnano in densità, velocità di ricarica e longevità. Nell’immediato si stanno intanto facendo largo come detto le batterie LFP, che hanno il vantaggio di utilizzare materie prime meno costose, più diffuse e più facilmente reperibili, talvolta aggiungendo il manganese (LMFP) per aumentare le prestazioni. Sacrificano ancora qualcosa in termini di performance assolute, ma grazie agli ultimi progressi si stanno dimostrando particolarmente efficaci per abbattere i prezzi delle auto elettriche.

Come detto, però, la ricerca avanza in modo impetuoso e ci sono anche altre tecnologie più o meno pronte ad affacciarsi sul mercato. Ci sono le batterie agli ioni di sodio, anch’esse particolarmente economiche e realizzate con materie prime largamente diffuse, le batterie litio-zolfo, come tecnologia ancora di frontiera, e le batterie al litio-metallico, tanto per citarne alcune. In futuro anche il litio potrebbe essere sostituito non solo dal sodio, che sarebbe peggiore dal punto di vista del contenuto energetico, ma anche dallo zolfo o dall’ossigeno, che consentirebbero di aumentare di molto la densità gravimetrica e volumetrica (Wh/kg e Wh/l).  Altre importanti innovazioni possono arrivare dalla sostituzione della grafite con il silicio negli anodi, aumentando la potenza di ricarica, o l’adozione di materiali autorigenerativi (che sono in grado di rigenerare gli elettrodi aumentando la vita utile), o ancora una sensoristica che permetta di monitorare lo stato delle singole celle, con vantaggi sia in termini di sicurezza sia di manutenzione.

Da citare le batterie LMFP (Litio Manganese Ferro Fosfato) che rappresentano una delle novità più promettenti nel settore delle batterie agli ioni di litio: rispetto alla versione LFP potrebbero infatti garantire una più elevata densità energetica con conseguente maggiore autonomia. Il panorama, insomma, sta diventando sempre più variegato, a tutto beneficio della discesa dei prezzi e dell’aumento delle prestazioni. 

Per approfondire l’argomento: 

• BloombergNEF: “Annual Battery Price Survey”
• Goldman Sachs: “Electric vehicle battery prices are falling faster than expected” 
• Physicsworld: “Lithium-ion batteries break energy density record”
• McKinsey: “The highest form of battery”
• International Energy Agency: “Global EV Outlook 2023”
• Battery2030+: “A family of projects implementing the Battery 2030+ Roadmap”

Bloomberg: “China’s Batteries Are Now Cheap Enough to Power Huge Shifts”

L’elettrico a batteria è la soluzione più efficiente per la decarbonizzazione del trasporto su gomma. Nel ciclo well-to-wheel, un veicolo full electric presenta infatti un tasso di efficienza complessiva tra il 70 e il 90% rispetto a un 25-35% di un veicolo alimentato a idrogeno, tralasciando il confronto impietoso con le alimentazioni tradizionali endotermiche che presentano tassi di efficienza complessiva intorno al 13% (con perdite di  efficienza  del  motore fino  addirittura al  70%)

Prendiamo l’idrogeno, ad esempio, partendo dal presupposto che si parli di idrogeno verde, prodotto cioè al 100% con energie rinnovabili. Già solo con l’elettrolisi si ha una dispersione di energia di circa il 24%. Poi si vanifica un ulteriore 8% di efficienza nel trasporto dell’idrogeno – reso particolarmente complesso dalle caratteristiche intrinseche delle molecola – e si arriva così ad avere una perdita totale di efficienza del 32% solo per la produzione del “carburante”. A questo si aggiungono le inefficienze nella fase di utilizzo del veicolo. Un’auto fuel cell raggiunge quindi un’efficienza complessiva tra il 25 e il 35%, che in prospettiva, al 2050, potrebbe arrivare al 42%. Un livello molto lontano dall’elettrico a batteria.

Per quanto riguarda gli e-fuel, invece, si stima che un’auto elettrica sia in grado di percorrere 5 volte la distanza di una alimentata con carburanti sintetici utilizzando la stessa quantità di energia. I nodi da sciogliere sono simili a quelli sull’idrogeno, con troppi passaggi intermedi e dispersioni per potersi avvicinare al livello di efficienza del full electric.

Se poi si considera l’attuale impossibilità di una produzione su vasta scala degli e-fuel, insieme ai costi particolarmente elevati, soluzioni simili non risultano percorribili per il trasporto privato su gomma, ma possono rappresentare una soluzione estremamente utile per ambiti di utilizzo in cui l’elettrico a batteria richiederà tempi di sviluppo più lunghi, come ad esempio le navi o l’aviazione. Per queste applicazioni possono recitare un ruolo particolarmente rilevante anche i biofuel, ossia i carburanti che si ottengono dalla lavorazione di materie prime di origine agricola, come come soia, mais, colza e canna da zucchero, o dalla componente biodegradabile di rifiuti e scarti organici.

In definitiva si può concludere quindi che l’utilizzo dei carburanti sintetici o di origine biologica nelle auto è meno efficiente da un punto energetico, più costoso e complessivamente più impattante rispetto all’elettrificazione.

Per approfondire l’argomento: 

• International Energy Agency: “Well-to-wheels greenhouse gas emissions for cars by powertrains”
• Bloomberg: “New Energy Outlook 2022”
• Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità sostenibili: “Decarbonizzare i Evidenze Scientifiche e proposte di policy”

Il trasporto pubblico a emissioni zero rappresenta una leva essenziale su cui intervenire per migliorare la qualità dell’aria nelle città. Le limitate risorse a disposizione delle amministrazioni locali, tuttavia, impongono un esame estremamente attento delle tecnologie su cui puntare per il progressivo ricambio del parco mezzi.

In questo senso, assume particolare rilievo il confronto pratico tra bus elettrici a batteria e bus a idrogeno fuel cell con caratteristiche di potenza, capacità di carico e autonomia analoghe.

Dall’analisi svolta in ambiente reale emerge un’efficienza estremamente più elevata dei powertrain a batteria rispetto a quelli a celle di combustibile, che nel processo di conversione dall’idrogeno all’energia elettrica hanno un utilizzo dell’energia originaria che va dal 32% al 70%. In pratica, l’efficienza tank-to-wheel dei veicoli a idrogeno è inferiore rispetto a quelli a batteria di 2-2,45 volte.

Un autobus a celle di combustibile richiede per il suo utilizzo il 126-145% in più di energia rispetto a un bus elettrico. Questa maggiore efficienza si riflette chiaramente in costi operativi nettamente più competitivi per i veicoli elettrici a batteria.

Per approfondire l’argomento:

• Eurac Research: “Monitored data and social perceptions analysis of battery electric and hydrogen fuelled buses in urban and suburban areas”
• Motus-E: “Evoluzione dell’elettrificazione del trasporto pubblico locale”