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su Le possibili tecnologie

veicolari del futuro: analisi delle prospettivedelle opzioni più interessanti

Francesco Di Mario*Antonio Mattucci*Marina Ronchetti**

* ENEA, Unità Tecnica Fonti Rinnovabili** ENEA, Unità di Progetto Ricerca di Sistema Elettrico

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riflettore su studi& ricerche

primo piano

Tra le tecnologie veicolariche si candidano per sostituire

i veicoli convenzionali, i veicolielettrici a batteria e i veicoli aidrogeno a celle a combustibilesembrano avere le cartemigliori. Viene fatta pertantoun’analisi comparativa di pregie difetti delle nuove tecnologiee delle complesse azionirichieste per una loro concretapresa di mercato

Possible Future Vehicle Technologies: Prospects of the Most Interesting

Propulsion OptionsAmong the technologies options available to replaceconventional vehicles, battery electric and hydrogen fuelcell vehicles appear to have the best chances. Therefore acomparative analysis related to such technologies strengthsand weaknesses and the complex actions required for theirmarket take-off has been carried out

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Le possibili tecnologie veicolari del futuro: analisi delle prospettive di mercato delle opzioni più interessanti

Nella prima parte di questo studio[1] sono state de-scritte le tecnologie veicolari che potrebbero so-stituire in un futuro più o meno lontano i veicolia combustione interna (ICE) basati su combusti-bili tradizionali. Si sono considerate in particolare letecnologie elencate nella tabella 1, dove sono sta-ti anche riportati i possibili effetti della loro introdu-zione nel mercato delle autovetture, attraverso lascelta di opportuni indicatori. Le tecnologie presein considerazione prevedono sia veicoli a combu-stione interna con nuovi carburanti (biocombusti-bili, gas naturale, idrogeno), sia veicoli di nuovaconcezione a combustione interna (veicoli ibridinelle diverse tipologie) o utilizzanti nuovi sistemidi propulsione o combustibili (veicoli elettrici a bat-teria e a celle a combustibile con idrogeno).Le indicazioni riportate nella tabella sono di carat-tere qualitativo, ipotizzano uno sviluppo soddisfa-cente delle tecnologie e sono riferite all’acquisto(o alla conversione) dei soli veicoli; ciò vale in par-ticolare per i costi, per i quali politiche di detassa-zione potrebbero consentire risparmi significativiche potrebbero compensare i maggiori esborsi ini-ziali. Ad esempio questa considerazione vale inItalia per i veicoli a gas naturale in cui il costo delcombustibile, a parità di energia erogata, risultanotevolmente inferiore sia alla benzina sia al diesel.Analoghi effetti potrebbero avere sussidi per con-vertire ad esempio un veicolo convenzionale al-l’uso del gas naturale. Occorre però segnalare che gli incentivi, come purela leva fiscale, possono assumere un effetto incenti-vante solo in una fase di prima penetrazione delmercato e fino al momento in cui le nuove tecno-logie abbiano raggiunto una sufficiente competitivi-tà, agendo nella direzione di ridurre i costi e ren-dendo le tecnologie più interessanti per l’utente fina-le. Allorché un mercato di una certa consistenza sa-rà stato raggiunto dovrà evidentemente essere ab-battuta o eliminata ogni forma di incentivo. Infatti ilcontinuare nell’erogazione dei sussidi, accanto al-l’esborso notevole che ne risulterebbe per la collet-tività, che dovrebbe reperire risorse tanto più ingen-ti quanto più numerosi risultano i veicoli che usu-fruiscono di tali benefici, produrrebbe una forte di-

storsione del mercato nei confronti delle opzioni al-ternative, cosa evidentemente non desiderabile; an-che la detassazione dei combustibili dovrebbe es-sere eliminata, per evitare che si creino negli Statisbilanciamenti tra entrate ed uscite, in dipendenzadei minori introiti dovuti alle accise sui carburanti.In mancanza di ciò si renderebbe necessaria l’im-posizione di nuovi tributi, penalizzando presumibil-mente categorie di cittadini diverse da quelle chehanno beneficiato dei vantaggi ed abbassando diconseguenza il livello di equità sociale.La tabella 1 sulle tecnologie alternative è organizza-ta in 3 sezioni che riguardano le prestazioni, gli im-patti ambientali ed energetici e quelli relativi al mer-cato. I confronti hanno come riferimento tempo-rale una data collocabile nei primi anni dopo il2010. Fanno eccezione i veicoli a idrogeno e a bat-teria, le cui valutazioni sono fatte considerando pe-riodi successivi, ovvero allorquando le relative tec-nologie avranno raggiunto un soddisfacente livellodi sviluppo.In alcuni casi le indicazioni riportate preconfiguranoscelte particolari; ad esempio l’indicazione di emis-sione di CO2 per i veicoli a idrogeno non tiene con-to della possibilità che questo possa essere prodot-to da fonti rinnovabili e/o fossili con cattura e se-questro della CO2. In questo caso l’emissione sa-rebbe, infatti, nulla, mentre l’indicazione riportata dàuna valutazione “minore”, perché l’utilizzo di tec-nologie più efficienti permette l’impiego di minoriquantità di fonti fossili e riduce perciò la quantitàdi CO2 emessa. Per avere la possibilità di effettuareuna valutazione comparativa dell’efficienza ener-getica di alcune delle tecnologie ci si può riferire al-la figura 1, dove sono riportati i consumi unitari diautovetture di diversa tipologia, suddivisi nelle dueporzioni della catena energetica Well To Tank (WTT)e Tank To Wheel (TTW)[2]. Come si può notare, icombustibili convenzionali hanno buone rese diconversione dal petrolio, ma consumi per l’interacatena più alti. Per l’idrogeno si ipotizza una pro-duzione da fossili con cattura e sequestro della CO2

(CCS), mentre per i veicoli elettrici si può notare co-me divenga particolarmente importante la ricaricadelle batterie, legata inevitabilmente alla disponi-

tecnologie veicolari, si sono fatte le seguenti ipote-si: che la produzione dell’elettricità e dell’idrogenoda fonti fossili non sia abbinata a cattura e seque-stro della CO2; che l’inquinamento atmosferico siarilevato solo al punto d’uso; che i veicoli ibridi plug-in abbiano un serbatoio di capacità simile a quelladei veicoli convenzionali; che i veicoli la cui fonteprimaria sia diversa dal petrolio rendano meno cri-tica la sicurezza degli approvvigionamenti. Nella ta-bella deve inoltre essere preso in considerazionecome parametro primario di valutazione il colore,mentre la descrizione all’interno serve solo a carat-terizzare meglio il risultato del confronto. Per quan-to attiene la colonna “Gradimento dell’utente fi-nale” si deve tener presente che essa cerca di sinte-tizzare la disponibilità dello stesso ad acquistare iveicoli basati sulle nuove tecnologie, posto che cisia già un livello sufficiente di infrastrutture e che i

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bilità di energia elettrica. L’ipotesi adottata nel gra-fico è quella di considerare il valore medio del mix diproduzione. Non sono stati considerati nell’isto-gramma né i veicoli a biocarburante, dove si assi-ste ad un’efficienza simile a quella dei corrispon-denti carburanti convenzionali nella porzione TTW,ma un consumo specifico nella catena di produzio-ne alquanto elevato, né i veicoli ibridi plug-in, peri quali non è facile dare valutazioni energetiche per-ché fortemente dipendenti dal loro tipo di impie-go. Infatti, per uno stesso veicolo la ricarica dellebatterie fatta attraverso la rete elettrica comporta,a seconda del tipo di percorrenza, consumi speci-fici che oscillano tra quelli dei veicoli elettrici a bat-teria e quelli dei veicoli convenzionali, non essen-do il motore a combustione interna ottimizzato co-me per alcune tipologie di veicoli ibridi. Nella costruzione della tabella 1, che confronta le

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Fonte: elaborazione ENEA

Tabella 1 – Confronto delle alternative veicolari rispetto a quelle convenzionali (veicoli a benzina e diesel)

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li azioni, come incentivi, vantaggi derivanti dall’usodei nuovi veicoli (accessibilità e sosta in aree riser-vate, esenzioni dai blocchi del traffico ecc.) devo-no essere considerate come necessarie per vincerele remore di una porzione sufficiente di consumato-ri e creare le condizioni per un mercato che si pos-sa sviluppare e successivamente autosostenere an-che allorquando tali provvedimenti saranno in par-te o in toto rimossi.

Prospettive

La riduzione delle riserve degli idrocarburi, gli effet-ti ambientali e la sicurezza degli approvvigionamen-ti, impongono che, soprattutto nell’ambito dei tra-sporti, si adottino soluzioni energetiche diverse. Persemplificare il più possibile un’analisi sulle prospet-tive delle diverse alternative a disposizione ci si puòriferire alle due soluzioni che sembrano dover ca-ratterizzare il mercato dei veicoli nel lungo terminee che sono riconducibili sostanzialmente a: veicolia batteria e veicoli a idrogeno a celle a combusti-bile. Tutte le altre opzioni potranno avere una note-vole importanza nell’affrontare la transizione e faci-litare il successo di una o dell’altra soluzione, madifficilmente potranno divenire una soluzione vin-cente nel lungo termine, sia perché comunque ba-

costi siano sostenibili. Ci si pone quindi in una fa-se di primo avvio del mercato dove l’utente, accan-to a fattori positivi, legati ad esempio alla maggio-re efficienza e sostenibilità ambientale e all’avere adisposizione un veicolo non comune, deve valuta-re elementi di altra natura per scegliere i nuovi vei-coli. Accanto ad elementi di natura più psicologi-ca (ad es. riluttanza ad effettuare scelte troppo inno-vative in mancanza di certezze assolute sulla lorobontà) se ne ritrovano altri, come costi e tempimaggiori per rifornire, stante la minore capillaritàdelle infrastrutture, incertezza sulla possibilità di ri-vendita del veicolo, difficoltà ad effettuare manu-tenzioni, eventuali modifiche dello stile di guidaecc. Questi elementi hanno generalmente un pe-so tanto più importante quanto più innovative so-no le tecnologie specifiche e possono frenare lo svi-luppo del mercato in assenza di azioni esterne. Ta-

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Figura 1Consumi unitari di tecnologie veicolariFonte: elaborazione ENEA da fonti diverse

in termini di densità di energia, le differenze tra iveicoli convenzionali e quelli a batteria sono di cir-ca due ordini di grandezza e di un ordine di gran-dezza rispetto a quelli a idrogeno, considerando chel’asse verticale è di tipo logaritmico. L’idrogeno ma-nifesta perciò sensibili vantaggi rispetto alle batte-rie, ma rimangono rilevanti in generale i problemidi minore autonomia, rispetto ai combustibili con-venzionali. Ciò comporta quindi ricariche più fre-quenti e di maggior durata, pur considerando che lealte efficienze di conversione dei motori elettrici checaratterizzano sia i veicoli a batteria che quelli a idro-geno a celle a combustibile agiscono in senso mi-gliorativo, richiedendo minor consumo di carburan-te (in termini energetici) a parità di percorso. D’altra parte, anche se al momento le limitazionisopra indicate possono sembrare insuperabili, oc-corre pensare che nuovi paradigmi, sensibilmentediversi da quelli attuali, potrebbero caratterizzarel’acquisto dei veicoli da parte dei consumatori. Alpresente, infatti, sebbene la gran parte degli spo-stamenti sia tipicamente inferiore a 100 km (quin-di realizzabili sia dai veicoli a idrogeno che da quel-li a batteria senza dover rifornire il veicolo), l’acqui-sto di un’autovettura con limitazioni di percorrenza

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sate sull’uso di fonti fossili che sono inevitabilmen-te destinate ad estinguersi (ad es. veicoli a gas natu-rale), sia per la difficoltà di garantire sufficiente di-sponibilità di combustibile che vincoli di varia na-tura tendono a limitare (ad es. biocarburanti). Per-tanto un’analisi comparativa sulle prospettive deiveicoli a batteria e a idrogeno può essere interes-sante, senza che da essa si pretenda di avere com-plete certezze circa i possibili vincitori, essendo an-cora entrambe le tecnologie lontane dai target ri-chiesti per divenire pienamente competitive. La ne-cessità di conseguire miglioramenti tecnologici im-portanti può far sì infatti che si abbiano sviluppi fu-turi al momento non ipotizzabili, ma tali da ribal-tare completamente le previsioni attuali.In figura 2, ottenuta con dati di diverse fonti[3,4], vie-ne riportato un diagramma che dà la posizione siadell’idrogeno che delle batterie rispetto ai carbu-ranti convenzionali (l’area tratteggiata rappresen-ta le prestazioni raggiungibili nel medio termine).Le distanze rimangono notevoli e devono esserecolmate per avere volumi di accumulo più ridotti(asse verticale) e pesi accettabili (asse orizzontale),elementi di fondamentale importanza soprattuttonelle applicazioni veicolari. Occorre considerare che,

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Figura 2Densità di energia di diversi combustibili e di sistemi a batteriaFonte: elaborazione ENEA da fonti diverse

Energia per unità di massa, MJ/kg

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me.

MJ/

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siddette smart grids sembra essere un’opzione dicui difficilmente si potrà fare a meno negli anni avenire. Limitandosi ai soli interfacciamenti tra i vei-coli e la rete elettrica si potrebbero rendere disponi-bili nuove funzionalità; in particolare la presenza disistemi intelligenti, oltre che ottimizzare la caricadelle batterie, potrebbe provvedere alla gestionedelle stesse come riserva di energia da utilizzare neimomenti di picco e dare ulteriori gradi di libertà perle società erogatrici di elettricità nella gestione del-la rete elettrica e della domanda e offerta di energia.Una capacità intelligente di ricarica delle batteriepotrebbe assicurare funzioni di accumulo dinami-co dell’energia, regolazione della tensione, dispo-nibilità di potenza anche in situazioni di emergenzaed abbattimento dei picchi e livellamento dei cari-chi[5,6], a condizione di un adeguato potenziamen-to della rete elettrica. Sotto questa ipotesi si potreb-bero altresì creare nuovi rapporti e schemi di affaritra le imprese e gli utenti finali e ciò potrebbe com-portare vantaggi per tutti i soggetti coinvolti. L’idrogeno, che pure potrebbe rappresentare un’al-ternativa per l’accumulo di energia, non avrebbela stessa efficacia sotto questo profilo, perché la suaproduzione, ad esempio in condizione di eccessodi disponibilità delle fonti rinnovabili, sarebbe ca-ratterizzata da una modesta efficienza (l’elettrolisidell’acqua al momento ha rendimenti non supe-riori al 50%) come pure la sua conversione in elet-tricità nei momenti di alta domanda (comunqueminore di quella assicurata dalle batterie), anche sela contemporanea produzione di calore potrebbedar luogo ad efficienze complessive interessanti adesempio nel residenziale. L’accumulo di energia at-traverso l’idrogeno con il suo utilizzo nei veicoli ri-marrebbe invece un’opzione di tutto rilievo e co-munque da perseguire, soprattutto se saranno ot-tenuti significativi incrementi della resa dell’elettro-lisi. I veicoli a idrogeno, a loro volta, non appaionosoddisfacenti per applicazioni relative al trasportomerci, in particolare per i mezzi pesanti, per i qua-li la soluzione preferita continuerà ad essere anco-ra costituita dai motori a combustione interna ali-mentati con carburanti convenzionali o similari, incoerenza con le indicazioni della figura 2. Ovvia-mente, per evitare di ampliare la discussione, si pre-scinde in questo esame dall’ipotesi di considerare

non trova un ampio interesse da parte dell’utente,che invece predilige soluzioni capaci di soddisfaretutte le proprie esigenze (o almeno la gran parte diesse) come nel caso dei veicoli convenzionali. In fu-turo, però, si potrebbero affermare nuovi schemicomportamentali legati più al soddisfacimento del-le funzioni che alla proprietà dei beni. In tal senso ilconcetto di car-sharing, che permette di condivide-re l’uso dei veicoli tra gruppi di persone, potrebbedare un ampio spazio ai veicoli di nuova concezio-ne per affrontare gli spostamenti in ambito urba-no, dove tra l’altro tali veicoli forniscono i miglioririsultati, lasciando ad altre soluzioni il compito dieffettuare percorsi più lunghi.L’elemento successivo da analizzare è la disponibi-lità di infrastrutture per il rifornimento dei veicoli.È chiaro che, rispetto a ciò, la posizione dei veicoli abatteria è teoricamente più favorevole, perché sipotrebbe pensare ad una grossa quota di ricaricheeffettuate nelle abitazioni, prevalentemente nelleore notturne, caratterizzate da minore domandadi energia. Questo contrasterebbe però con l’ipo-tesi di creare un mercato di veicoli condivisi, per iquali sarebbe difficilmente giustificabile l’idea chel’utente divenga l’unico (o quanto meno il preva-lente) possessore del veicolo. Occorrerebbe realiz-zare perciò un numero notevole di punti di ricari-ca, con l’ulteriore aggravante che una quota consi-stente delle ricariche stesse sia effettuata in oraridiversi da quelli notturni e la necessità che la pro-duzione di elettricità e la rete di distribuzione deb-bano essere opportunamente potenziate per sop-portare i nuovi carichi. I costi da sostenere per rea-lizzare gli interventi per tali infrastrutture potrebbe-ro essere alti, e comunque non troppo distanti daquelli ipotizzabili per realizzare i sistemi per il tra-sporto e la distribuzione dell’idrogeno. Si deve pe-rò considerare che l’elemento infrastruttura potreb-be giocare nel tempo a favore dei veicoli elettrici,considerando l’evoluzione attuale della generazio-ne elettrica che prevede in futuro un più ampio ri-corso ad una generazione distribuita, un maggioreutilizzo delle fonti rinnovabili e una più efficiente emirata gestione della rete elettrica, per garantire,oltre il soddisfacimento della domanda, livelli di af-fidabilità e sicurezza sempre più spinti. Il ricorso areti di trasmissione e distribuzione intelligenti, le co-

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re ad un grafico proposto dalla General Motors (fi-gura 3)[7] in cui si fa un quadro sulla possibile evo-luzione temporale nel lungo termine delle tecnolo-gie veicolari. Dalla figura si evince che, da una par-te, diventeranno nel tempo sempre più importan-ti gli obiettivi ambientali e di sicurezza degli ap-

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nuove modalità di trasporto o di sostanziali sposta-menti di quote di trasporto verso altri modi (ad es.ferrovia o nave), che potrebbero avere prospettiveinteressanti nel lungo termine.Andando ad esaminare quali potrebbero essere leprospettive delle diverse tecnologie, ci si può riferi-

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Figura 3Evoluzione delle tecnologie veicolariFonte: General Motors

Figura 4Campi di applicazione delle nuove tecnologie veicolariFonte: EUCAR

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t, le riserve stimate sono pari a circa 13 Mt1. Sup-ponendo un consumo Tank to Wheel pari a 0,15kWh/km di ogni veicolo elettrico e un’autonomiaper lo stesso di 150 km, le batterie dovrebbero es-sere dimensionate per almeno 22,5 kWh, cui corri-spondono 6,7 kg di litio metallico2. Ciò implica che,per una produzione di 1 milione di veicoli/anno, sidebbano destinare 6.700 t di litio alle batterie deiveicoli. Ciò sembrerebbe compatibile con tale de-stinazione d’uso; in realtà, considerando che il mer-cato mondiale delle autovetture si colloca intorno ai60 milioni di veicoli/anno, si comprende bene co-me sia necessario aumentare in modo notevole laproduzione del litio, se si vuole realizzare un mer-cato ampio e non di nicchia. D’altro canto, pur es-sendo le riserve sufficienti per coprire le necessitàdi tale materiale, politiche di recupero del litio dal-le batterie esaurite dovranno essere attuate sia perevitare complessi problemi di smaltimento dei ma-teriali, sia per contenere i costi.Relativamente invece alle necessità di platino perle celle a combustibile, la tecnologia ha fatto passiimportanti per ridurre la quantità di tale metalloper unità di potenza, che al momento si colloca in0,35 g/kW[9]. Ciò impone che per un veicolo a cel-le a combustibile di 80 kW di potenza netta (po-tenza di stack pari a circa 90 kW) siano necessaricirca 32 g di platino che, ad un costo di 1.500 $/on-cia, comportano costi unitari di 19 $/kW, ovvero di1.690 $ per l’intero veicolo, con un’incidenza signi-ficativa sul sovracosto totale. Considerando unaproduzione annuale di 1 milione di autovetture, siavrà una domanda di platino pari a 32 t. Questodato va confrontato con la domanda annua di pla-tino che nel 2009 è stata pari a circa 190 t[10], conuna stima delle riserve pari a 76.000 t. Circa il 42%di platino è stato utilizzato dal settore dell’industriaautomobilistica, che impiega questo metallo neiconvertitori catalitici. Da questo settore oggi il re-cupero annuo è dell’ordine di 22 t.Per il platino valgono le stesse considerazioni fattein precedenza per il litio, nel senso che per un mer-

provvigionamenti (asse verticale), almeno rispettoa quelli economici, e dall’altra (asse orizzontale) al-tri combustibili si aggiungeranno man mano aquelli convenzionali. Nel lungo termine l’orienta-mento sarà comunque rivolto verso l’idrogeno, uti-lizzato nelle celle a combustibile, mentre nel me-dio termine avranno un ruolo molto importantesia i veicoli elettrici che ibridi, avviando di fatto ilprocesso di elettrificazione nel trasporto stradale.Ciò è confermato anche dalla figura 4[6], dove ilraggruppamento dei costruttori europei esprimeil proprio orientamento circa le applicazioni dei vei-coli a batteria (BEV), ad aumentata percorrenza (E-REV o ibridi plug-in) e a celle a combustibile. Si puònotare come l’utilizzo dei veicoli a batteria vada adinteressare un numero minore di categorie di veico-li e possibilità di utilizzo (rispettivamente autovettu-re; aree urbane e regionali) rispetto a quelle reseinvece possibili dai veicoli a idrogeno (autovettu-re, furgoni ed autobus urbani; aree urbane, regio-nali ed autostradali).Sul versante della disponibilità di materiali partico-lari nei quantitativi necessari per garantire un mer-cato di ampie dimensioni, i problemi sono molte-plici, anche perché le soluzioni più interessanti po-trebbero venire soppiantate da nuove possibilitàmesse a disposizione da una forte spinta data allaricerca. Limitandoci ad analizzare ciò che al mo-mento sembra più promettente, le criticità mag-giori potrebbero individuarsi nella disponibilità diquantità sufficienti di:1. litio per le batterie; 2. platino, utilizzato con funzioni di catalizzatore

nelle celle a combustibile. Per il primo punto sono state fatte diverse analisicon indicazioni non sempre coincidenti. Parecchiepreoccupazioni derivano dalle riserve di litio dispo-nibili[8], confrontandole con le necessità prevedibili diproduzione annuale sulla base dell’utilizzo di talemetallo sia nell’elettronica che nei veicoli. Preso ariferimento l’anno 2005, si può indicare che, a fron-te di una produzione annua di poco più di 21.000

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1. In realtà questa cifra, che comprende tutti i giacimenti di litio, deve essere ridotta a poco più di 6 Mt, corrisponden-ti alle riserve che realmente sono a disposizione a costi praticabili.

2. Si assume un impiego di 0,3 kg di Li per kWh.

Si deve sottolineare che ultimamente la maggioreincidenza sul costo finale non è più dovuta allostack, ma al complesso degli altri dispositivi neces-sari per rendere pienamente funzionale la cella. Conun costo di 30 $/kW, che è l’obiettivo del Depar-tment of Energy (DoE) al 2015[13], si avrebbe unaspesa per il sistema cella di $ 2.700 per un veicoloda 80 kW di potenza netta. Anche in questo caso lemigliori efficienze procurate da tali veicoli potreb-bero più che compensare i costi addizionali duran-te l’utilizzo del veicolo stesso. Occorre notare tuttavia che, mentre nell’ambitodella Commissione Europea è stata lanciata la JointUndertaking sull’idrogeno e le celle a combustibi-le, che è pienamente operativa e contribuirà certa-mente ad un importante sviluppo delle tecnologie,in altre nazioni, in particolare negli Stati Uniti, si staprocedendo ad un ripensamento sulle iniziative del-l’idrogeno, considerate troppo di lungo termine; intal senso i finanziamenti del DoE per l’anno 2010[14]

hanno subito una riduzione (237 M$ contro i 266M$ del 2009), privilegiando le tecnologie che pos-sono contribuire più rapidamente a miglioramenti diefficienza. Se questa tendenza dovesse perduraree soprattutto estendersi ad altre nazioni, si potreb-be verificare un rallentamento dell’innovazione, conil risultato di spostare ancora più in avanti nel tem-po il dispiegamento delle tecnologie dell’idrogenonel trasporto stradale.

Confronto tra veicoli a celle a combustibile ad idrogeno ed elettrici a batteria

Per cercare di dare un quadro più completo per ledue soluzioni veicolari più innovative, ovvero i veico-li a idrogeno a celle a combustibile e quelli elettricia batteria, sembra utile cercare di quantificarne al-cuni aspetti, anche alla luce delle soluzioni che sistanno proponendo al momento. Ovviamenteun’analisi del genere è sempre soggetta ad incer-tezze legate all’evoluzione più o meno rapida delletecnologie e della loro introduzione sul mercato,che potrebbe concorrere ad un notevole abbatti-mento dei costi, rendendole quindi ancora più ap-petibili ai consumatori. Perciò, per cercare di essereil più possibile neutrali, ci si può riferire a modelli

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cato di nicchia le disponibilità di riserve ed i sistemidi produzione attuali sono in grado di coprire l’au-mento di domanda, mentre per un mercato am-pio si entrerebbe subito in difficoltà, a meno di nonriuscire ad abbattere ulteriormente le quantità diplatino per unità di potenza o sostituirlo con altricatalizzatori di maggiore disponibilità e più facilereperimento, adottando al tempo stesso opportu-ne tecniche per aumentarne il recupero al termi-ne del ciclo di vita del veicolo.Sempre per quanto riguarda la disponibilità dei ma-teriali più critici, un cenno va fatto anche agli ele-menti delle terre rare, utilizzati, tra l’altro, per i ma-gneti permanenti dei motori elettrici ad alta effi-cienza, componente essenziale di tutti i sistemi ditrazione elettrica. L’elevata crescita della domandadi questi materiali (>20% all’anno negli ultimi anni),e la loro produzione solo in certe aree geografiche(soprattutto la Cina), potrebbero porre in prospet-tiva seri problemi di disponibilità e di costo deglistessi[11].Passando infine ad analizzare i costi si vede comeancora i livelli desiderati siano distanti da quelli cor-rispondenti allo stato attuale delle tecnologie, siaper i veicoli a batteria che a celle a combustibile.Per i veicoli a batteria, pur in presenza di un effettodi scala che ridurrà i costi di realizzazione, non siavranno riduzioni sensibili per il costo del litio co-me materiale primario, per cui il costo unitario del-le batterie non potrà ridursi a piacere[12]: non si pre-vede possa scendere al di sotto dei 200 $/kWh,considerando che il litio incide per circa 150 $/kWh.Riprendendo l’esempio precedente, il costo dellebatterie si potrebbe attestare perciò tra i 4.500 e5.000 $. In realtà tale maggiore spesa iniziale po-trebbe essere compensata dalla migliore efficienzadei veicoli e da probabili minori costi di gestione(soprattutto se la durata delle batterie sarà suffi-cientemente estesa), per cui sull’intera vita si po-trebbero avere recuperi consistenti che potrebbe-ro anzi più che compensare tale voce.Per i veicoli a celle a combustibile sembra difficilenei prossimi anni riuscire a raggiungere gli obiettivipiù ottimistici[9], anche se le distanze non sembranoessere incolmabili, considerando che gli ultimi datisui costi, sia pure estrapolati su una produzione di500.000 unità/anno, si attestano su circa 60 $/kW.

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simili. D’altra parte ciò rispecchia anche alcune del-le indicazioni che sono state date in precedenza. Inparticolare il veicolo ibrido a celle a combustibileToyota mostra una percorrenza di quasi 800 km,pienamente allineata a quella dei veicoli conven-zionali, una buona velocità, anche se il peso risul-ta essere maggiore di quello di un veicolo conven-zionale della stessa categoria3. L’incremento di pe-so è legato al serbatoio di idrogeno e parzialmente

che stanno per entrare sul mercato ed estenderealcune considerazioni, ove necessario. I veicoli sucui si effettueranno le analisi sono:• Toyota Fuel Cell Hybrid Vehicle (FCHV);• Nissan Leaf electric car.Alcune caratteristiche dei due veicoli sono riporta-te rispettivamente nelle tabelle 2 e 3[15,16].I due veicoli non appaiono completamente equi-valenti, ma appartengono comunque a categorie

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3. Ad esempio la Toyota Avensis ha simili caratteristiche in dimensioni e potenza e un peso di circa 1.400 kg.

Tabella 2 – Caratteristiche del veicolo Toyota FCHV-adv

Veicolo Lunghezza/ampiezza/altezza, m 4,735/1,815/1,685Peso, kg 1.880

Prestazioni Autonomia, km Ciclo Japan 10-15/JC08 830/760US EPA LA4 790

Velocità max, km/h 155Cella a combustibile Tipo PEFC (stack Toyota)

Potenza , kW 90Motore Tipo Magnete permanente

Potenza max, kW 90Coppia max, Nm 260

Combustibile Tipo IdrogenoSistema di accumulo Serbatoio di H2 compr.Pressione serbatoio, MPa 70Capacità serbatoio, L 156

Batteria Tipo Ni-MH

Fonte: Toyota

Tabella 3 – Caratteristiche del veicolo Nissan Leaf

Veicolo Lunghezza/ampiezza/altezza, m 4,445/1,770/1,550Peso, kg 2700

Prestazioni Autonomia, km US LA4 > 160Velocità max, km/h > 140

Motore Tipo Motore elettrico ACPotenza max. kW 80Coppia max , Nm 280

Batteria Tipo Li-ione laminataCapacità, kWh 24Potenza, kW > 90Densità di energia, Wh/kg 140Densità di potenza, kW/kg 2,5Numero di moduli 48Tempo di ricarica Carica rapida DC 50 kW (da 0 a 80%) < 30 min

Ricarica domestica AC 200 V < 8 ore

Fonte: Nissan

giungere molti altri moduli, con un incremento delpeso che sarebbe impossibile rendere compatibilecon un dimensionamento accettabile del veicolo.Ad esempio per la Nissan Leaf il solo raddoppio del-la percorrenza (320 km) richiederebbe l’inserimen-to di almeno 400 kg di batterie, che probabilmen-te non potrebbero essere alloggiate facilmente nelveicolo senza compromettere altre caratteristichefondamentali, come sicurezza, manovrabilità ecc.Un altro parametro importante da tenere in consi-derazione è ovviamente il costo dei veicoli, cheperò al momento può solo essere stimato pren-dendo a riferimento alcune analisi. In particolare,riferendosi a quanto riportato in letteratura[12], ilcosto addizionale per le batterie al litio di un veico-lo elettrico puro come l’autovettura Nissan Leaf èstimabile in circa 6.500 $, per le sole batterie (ilcosto del sistema di trazione elettrico non vieneconsiderato, essendo analogo a quello dei veicolia celle a combustibile e quindi caratterizzato dacosti simili). Per un veicolo come l’autovettura To-yota FCHV devono essere portati in conto il costosia delle celle che del serbatoio dell’idrogeno. Uti-lizzando i dati della stessa fonte si può assumere,nell’ipotesi conservativa, un costo pari a 76 $/kWche, con un serbatoio capace di contenere circa6,3 kg di idrogeno, comporterà un costo del si-stema di accumulo pari a circa 3.800 $. In defini-tiva il maggiore costo si potrà collocare in circa10.600 $.Risulta evidentemente molto importante fare unconfronto sull’efficienza delle due tipologie di vei-coli, prendendo a riferimento l’intera catena, dal-l’estrazione della fonte primaria fino all’utilizzo delveicolo. L‘esame viene fatto considerando comefonti primarie le fonti fossili (gas naturale e carbo-ne), che consentono di avere le efficienze più al-te, senza considerare il possibile processo di cattu-ra e sequestro della CO2, che richiede energetica-mente una certa quantità di energia e che andreb-be quindi a ridurre di qualche punto percentualel’efficienza complessiva delle catene. Tuttavia, es-sendo tale processo teoricamente applicabile ai

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anche alle batterie, capaci di erogare una potenzadi 21 kW, per permettere l’avviamento del veicolo intutte le condizioni operative previste, fornire unospunto addizionale in fase di accelerazione e recu-perare energia in fase di frenata. Tuttavia, essendogli interventi del pacco batterie destinati a periodidi tempo ridotti, l’energia richiesta è limitata. I dati relativi alle batterie della Toyota FCHV-adv in-dicano che il peso del pacco batterie corrispondea circa 45 kg (100 libbre), per cui, applicando i da-ti che caratterizzano l’energia specifica delle batte-rie a nichel-idruri metallici, pari a 46 Wh/kg, ciò cor-risponde ad un’energia immagazzinata nelle bat-terie pari a poco più di 2 kWh. Come si può vede-re, l’incidenza del pacco batterie sul peso comples-sivo è modesta. Occorre poi considerare che, in di-pendenza del programma adottato per la gestio-ne delle batterie, generalmente non tutta l’energiasarà disponibile per evitare un rapido degrado del-le prestazioni, ma solo una porzione della stessa,che si può stimare nell’ordine del 70%.Per quanto riguarda l’autovettura Nissan Leaf si puòcalcolare il peso del pacco batterie, ipotizzando chele batterie non siano comunque scaricate a menodel 10% dell’energia nominale. Il risultato dà circa190 kg per il peso delle batterie, del tutto confron-tabile con quello di 200 kg indicato dalla casa. Intermine di volumi, assumendo 200 Wh/L per le bat-terie al litio si può calcolare un volume risultantepari a circa 120 L, che può essere distribuito conuna certa facilità nell’autovettura. È evidente chele differenze più marcate si hanno sulla percorren-za, come d’altra parte già descritto in figura 4. Ri-mane valida l’ipotesi iniziale di associare al veicoloelettrico solo applicazioni che non richiedano lunghepercorrenze, come i collegamenti casa-lavoro. Nonsi hanno invece limitazioni per i veicoli a celle a com-bustibile, posto che sia disponibile una rete di stazio-ni di servizio per l’erogazione di idrogeno sufficien-temente ampia. D’altra parte occorre considerareche, per aumentare la percorrenza dei veicoli elettri-ci a batteria al livello di quella dei veicoli conven-zionali o a celle a combustibile, si dovrebbero ag-

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4. La compressione dellʼidrogeno fa sì che esso possa essere trasferito al sito di utilizzo, supposto ad una distanza mi-nore o uguale a 150-200 km, senza la necessità di dover apportare energia a tale fase.

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temente lungo per ricaricare le batterie. Non essen-do facile calcolare le fasi a monte della produzio-ne di elettricità per il mix delle fonti primarie, si èpreso come riferimento il carbone, che ha un’effi-cienza per la produzione di elettricità simile a quel-la del mix. Le differenze sono in ogni caso abba-stanza modeste.Come si può vedere dalla tabella 4 il veicolo a idro-geno ha un’efficienza dell’intera catena pari a circail 31% e si colloca in una posizione intermedia tra leefficienze dei veicoli a batteria; di fatto però la suaefficienza risulta significativamente migliore rispet-to alla produzione di energia elettrica da mix dellefonti primarie in Italia. Ambedue le tipologie di vei-coli (elettrico e a celle a combustibile) danno inol-tre vantaggi rispetto al veicolo a benzina; in partico-lare, il veicolo a celle a combustibile garantisce unaresa energetica maggiore del 50% rispetto a quel-lo convenzionale. Ciò vuol dire che, se si fa riferi-mento per assurdo al solo petrolio e nell’ipotesi dicompleta sostituzione del parco veicolare, il suo uti-lizzo per la produzione di idrogeno e/o elettricitàpotrebbe consentire che il trasporto stradale pos-sa estendere del 50%, a parità di domanda, l’in-tervallo di tempo a disposizione prima che il petro-lio sarà stato completamente consumato. Questosenza contare che altre fonti fossili e rinnovabili po-trebbero essere utilizzate in alternativa. Il risultatoè perciò una riduzione della vulnerabilità del tra-sporto stradale oltre che del miglioramento dellasua sostenibilità.

veicoli sia a celle a combustibile sia elettrici, nonviene ad essere inficiata l’analisi, nel senso di nonmodificare i risultati in termini comparativi. Il con-fronto è riportato nella tabella 4.Per il veicolo a idrogeno si è ipotizzato che la fon-te primaria sia il gas naturale (NG) estratto e tra-sportato attraverso un metanodotto di 4.000km[17], la produzione di idrogeno sia effettuata at-traverso steam reforming in impianto centralizza-to dove l’idrogeno è anche compresso (20-30 bar)per il trasporto ai siti di utilizzo attraverso idroge-nodotti4, l’idrogeno venga ulteriormente compres-so (350-700 bar) per essere accumulato in bombo-le a bordo del veicolo e quindi convertito nelle cel-le a combustibile per la trazione attraverso un mo-tore elettrico (sono stati combinati i rendimentidelle celle e del motore).Per il veicolo a batteria si considerano due casi: elet-tricità prodotta da gas naturale e come mix ener-getico italiano.Nel primo caso la catena del gas naturale è analo-ga a quella del veicolo a idrogeno per la parteestrazione e trasporto; il gas viene utilizzato neicicli combinati per produrre elettricità con alta re-sa (> 54%)[17] che viene trasportata[18] ed utilizza-ta per ricaricare le batterie (voce Distribuzione)[19]

che poi provvederanno a fornire l’energia al moto-re elettrico[20].Nel secondo si considera invece il mix energeticoitaliano[21], perché più rispondente all’efficienza del-l’elettricità che si avrebbe in un periodo sufficien-

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Tabella 4 – Confronto delle efficienze energetiche dei veicoli a celle a combustibile, batteria e a benzina

Veicolo\ Estrazione Trasporto Produzione Trasporto Distribuzione Conversione Totale NoteProcessi fonte fonte combustibile e Trazione

primaria primaria

Idrogeno / 96,15% 88,50% 75,76% 100,00% 81,83% 59,00% 31,12% Produzione H2Celle a da NG con steamcombustibile reforming

centralizzato

Batteria 96,15% 88,50% 54,35% 93,98% 90,09% 85,11% 33,32% Produzione elettricità da NG in ciclicombinati

Batteria 91,41% 92,17% 46,08% 93,98% 90,09% 85,11% 27,98% Mix italiano produzione elettricità

Benzina 97,56% 99,00% 90,91% 97,30% 98,64% 23,26% 19,60%

Fonte: elaborazione ENEA da fonti diverse

costi dell’energia, sia sull’impatto sull’ecosistema.Ovviamente al momento si è ben lungi dal traguar-do, perché le tecnologie mancano ancora dei re-quisiti di economicità, affidabilità, durata e presta-zione indispensabili per renderle appetibili sul mer-cato alla gran massa degli utenti. Occorre quindiprocedere ancora per lungo tempo con attività di ri-cerca, sviluppo e dimostrazione e che risorse con-sistenti siano destinate al settore in oggetto in mo-do sia di non disperdere i risultati frutto degli in-vestimenti fatti in passato, sia di raggiungere nelpiù breve tempo possibile i traguardi ipotizzati. Evi-dentemente impegni di tale portata e durata pos-sono verificarsi solo in presenza di uno sforzo con-siderevole da parte di tutti i soggetti interessati ecioè costruttori di veicoli, imprese energetiche, isti-tuti di ricerca, fornitori di servizi ecc., e soprattuttoin dipendenza di una forte presa di posizione daparte dei decisori pubblici che non solo devonogarantire l’erogazione di finanziamenti cospicui e dilungo termine, ma anche predisporre una serie diazioni di supporto. Tra queste vanno sicuramentecollocate l’adozione di norme che favoriscano l’in-troduzione di tecnologie ambientalmente benigne(o penalizzino il ricorso a quelle più inquinanti), lasemplificazione delle procedure per la dimostra-zione di veicoli e combustibili innovativi, l’accele-razione dello sviluppo delle norme di sicurezza eper l’omologazione dei nuovi veicoli, la pianifica-zione di nuove figure professionali e la conseguen-te creazione di nuovi corsi di formazione a livellosia universitario che tecnico, l’informazione nei con-fronti dell’utente finale, creando nello stesso tem-po le condizioni necessarie per una scelta medita-ta e consapevole delle nuove tecnologie. In tal sen-so occorre considerare che il cambiamento potràessere reso più facile se il cittadino medio sarà ingrado di dare il giusto valore all’importanza del-l’energia per lo sviluppo della società. Ciò sarà tan-to più importante quanto più il nuovo paradigmadi produzione e gestione dell’energia si avvicineràa soluzioni distribuite a fronte di quelle attuali incui prevalgono quelle centralizzate, come ipotiz-zato nell’ambito delle smart grids. Sotto tali ipote-si l’utente finale dovrà giocare un ruolo di attoreprotagonista nella catena energetica, divenendofrequentemente il produttore (o meglio l’autopro-

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Conclusioni

Nei paragrafi precedenti si è cercato di investigare lapossibile penetrazione delle tecnologie più innova-tive per la trazione, l’idrogeno e le batterie, che im-plicano un cambiamento radicale nella progetta-zione del veicolo e richiedono investimenti di gros-sa entità per realizzare le infrastrutture necessarieper permettere il loro rifornimento.Senza poter dare per certo al momento il succes-so di una o l’altra delle due opzioni, sembra peròche inevitabilmente nel lungo periodo esse rappre-senteranno soluzioni da cui non si potrà prescinde-re, visto che l’orientamento della nostra società ve-de un sempre più marcato utilizzo dell’elettricitànegli usi finali, considerando la relativa facilità ditrasferire tale commodity dal punto di produzione aquello di utilizzo. L’idrogeno potrebbe essere consi-derato un vettore energetico duale, la cui penetra-zione non provocherebbe altresì effetti in contra-sto con questa visione. La funzione dei veicoli po-trebbe ampliarsi notevolmente rispetto a quella tra-dizionale di trasporto di persone, e integrare anchequella di sistema dinamico di accumulo di energia. Tornando infatti alla futura disponibilità di reti elet-triche di trasmissione e distribuzione intelligenti sipuò prevedere che esse potranno creare punti dicontatto tra settori che in passato poco avevano ache fare l’uno con l’altro. In particolare i settori del-la produzione di energia, del residenziale, dell’in-dustria e dei trasporti, grazie alle reti, potranno ave-re strette connessioni e comportarsi, in momentidiversi della giornata, sia come utilizzatori che comefornitori di energia. Ciò sarà possibile solo in pre-senza di alti livelli di automazione, capaci di con-sentire una facile e piena interazione tra l’infrastrut-tura di distribuzione dell’elettricità, le risorse distri-buite e i sistemi di uso finale. In particolare la presen-za di smart grids particolarmente evolute potreb-be provvedere alla gestione delle batterie dei vei-coli elettrici (ma anche presenti nei veicoli a idro-geno) come riserva di energia da utilizzare nei mo-menti di picco e dare gradi di libertà alle societàerogatrici di elettricità nella gestione ottimizzatadella rete elettrica e della domanda e offerta di ener-gia. Ciò consentirebbe ulteriori aumenti di efficien-za energetica del sistema, con effetti positivi sia sui

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duttore) e il gestore dell’energia di cui ha bisogno,e ciò renderà necessario un cambiamento radicaledel modello di sviluppo della nostra società e del-l’assetto energetico conseguente, cosa possibilesolo a fronte di una piena presa di coscienza di tut-te le implicazioni relative all’energia da parte del-la cittadinanza. La realizzazione di questo passo

diventerà quindi la pietra miliare per avviare unprocesso globale che possa permettere di daremaggiore spazio alle nuove tecnologie, capaci difornire vantaggi consistenti in efficienza energeti-ca e salvaguardia ambientale e dare una rispostaefficace alla sete di energia che caratterizza la so-cietà moderna.

Riferimenti

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[21] http://www.autorita.energia.it/allegati/docs/dc/08/080220_02.pdf