Auto elettrica

automobile con motore elettrico che utilizza come fonte di energia primaria l'energia chimica immagazzinata in una o più batterie ricaricabili

L'auto elettrica è un'automobile con motore elettrico che utilizza come fonte di energia l'energia immagazzinata in una o più batterie ricaricabili. Rispetto ai veicoli con motore a combustione interna, le auto elettriche sono più silenziose, hanno maggiore efficienza energetica, non hanno emissione di gas di scarico e hanno emissioni complessive inferiori.[3] Negli Stati Uniti e nell'Unione europea, a partire dal 2020, il costo di gestione dei più recenti veicoli elettrici è inferiore a quello delle auto a combustione equivalenti, a causa dei minori costi di rifornimento e manutenzione.[4][5] La ricarica di un'auto elettrica può essere effettuata in stazioni di ricarica che possono essere installate sia nelle abitazioni che nelle aree pubbliche.[6][7]

Una Tesla Model Y, un'auto elettrica di Tesla Motors.
Una Tesla Model S, durante una sosta di ricarica rapida presso una delle stazioni Tesla Supercharger. La potenza impegnata raggiunge i 250 kW, consentendo una ricarica completa in 15 minuti.[1]
Una Hyundai Ioniq 6, un'auto elettrica della Hyundai Motors con batteria da 77 kWh, architettura a 800 V e un’autonomia di 610 km (WLTP).[2]

Molti paesi agevolano l'acquisto di nuovi veicoli elettrici con meccanismi di incentivo, crediti d'imposta, sussidi e altre agevolazioni. L’Unione europea e altri paesi nel mondo si pongono l'obiettivo di eliminare gradualmente le vendite di auto alimentate da combustibili fossili e, più in generale, di ridurre la quantità di veicoli circolanti;[8][9] questo per ridurre l'inquinamento atmosferico, promuovere la mobilità sostenibile, il car sharing e limitare gli effetti del cambiamento climatico.[10][11] Il costo di un'auto elettrica è mediamente più alto in confronto ad un'auto con motore a combustione interna; tuttavia i costi di gestione e manutenzione ridotti possono azzerare la differenza di prezzo dopo 5 anni di possesso (100.000 km).[12][13]

Le auto elettriche, insieme ad altre tecnologie emergenti come la guida autonoma, i veicoli connessi e la mobilità condivisa, formano una visione del futuro della mobilità chiamata Mobilità autonoma, Connessa, Elettrica e Condivisa (ACES).[14]

Storia modifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Storia dell'auto elettrica.
Una Studebaker Electric Coupe, una elettromobile prodotta dalla Studebaker dal 1902 al 1912.
Camille Jenatzy e la sua La Jamais contente nel maggio 1899. Propulsa da due motori elettrici da 25 kW, fu la prima vettura a toccare i 100 km/h con una media 105,88 km/h.[15]

Comparsi i primi prototipi dimostrativi nella prima metà dell'Ottocento, tra i quali si ricorda la carrozza elettrica realizzata da Robert Anderson tra il 1832 e il 1839, il primo prototipo evoluto di autovettura elettrica fu costruito dal britannico Thomas Parker nel 1884, utilizzando delle batterie speciali ad alta capacità da lui progettate,[16][17] sebbene la Flocken Elektrowagen del 1888, del tedesco Andreas Flocken, sia comunemente indicata come la prima autovettura elettrica mai realizzata.[18]

La propulsione elettrica era tra i metodi preferiti di locomozione per gli autoveicoli tra la fine del XIX secolo e l'inizio del XX secolo, in quanto fornivano un livello di comfort e di affidabilità che non poteva essere raggiunto attraverso le macchine a combustione del tempo.[19]

I veicoli elettrici a batteria (BEV), prodotti dalle ditte Anthony Electric, Baker Electric, Detroit Electric e altre, nel corso dei primi anni del XX secolo e per un certo tempo, si vendettero di più rispetto ai veicoli a combustione. A causa però dei limiti tecnologici delle batterie, e della mancanza di una qualsiasi tecnologia di controllo della carica e della trazione (a transistor o a valvola termoionica), la velocità massima di questi primi veicoli elettrici era limitata a circa 32 km/h.

Successivamente, i progressi tecnologici nel settore automobilistico portarono l'affidabilità, le prestazioni e il comfort dei veicoli a benzina a un livello tale per cui il conseguente successo commerciale relegò i veicoli elettrici in pochissimi settori di nicchia. Il parco di autoveicoli elettrici alla fine del XX secolo raggiunse il picco di 30 000 unità su scala mondiale.[20]

A partire dalla fine degli anni novanta del XX secolo, la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie per le batterie fu pilotato dalla impetuosa crescita della domanda di computer portatili e di telefoni cellulari, con la richiesta da parte dei consumatori di schermi più larghi e più luminosi e di batterie di durata più lunga. Il mercato dei veicoli elettrici ha beneficiato grandemente dei progressi ottenuti, in particolare dalla ricerca sulle batterie basate sul litio.

Nel 2020, la Tesla Model 3 è diventata l'auto elettrica più venduta al mondo[21] e nel 2021 è stata la prima a superare il milione di vendite.[22]

Nel 2021 quasi il 10% delle auto vendute nel mondo erano elettriche, il parco circolante era salito a 16,5 milioni, il triplo rispetto al 2018.[23]

Nel quarto trimestre del 2023, la casa automobilistica cinese BYD sorpassa la Tesla in quanto a numero di auto elettriche vendute nel mondo, avendo consegnato 526.000 auto, contro le 484.000 della casa americana, comunque sopra le attese degli analisti per il periodo[24].

Batterie modifica

Autonomia modifica

L'autonomia di un'auto elettrica dipende dalla capacità, chimica, architettura e dalla temperatura della batteria. Inoltre, come per tutti i veicoli, questo dipende dall'aerodinamica, dal peso, dal tipo di veicolo, dalle prestazioni e dalle condizioni meteorologiche.[25] Altro fattore che influenza l'autonomia è il rapporto di trasmissione del mezzo e se provvisto di 1 o più marce, infatti il motore elettrico e l'inverter hanno il rendimento migliore in condizioni operative a regimi intermedi, motivo per cui l'utilizzo di più marce è favorevole all'autonomia (oltre che alle prestazioni), per i mezzi monomarcia si può notare come l'autonomia alle bassissime velocità è paragonabile all'autonomia alle alte velocità, mentre a velocità intermedie si ha una migliore autonomia.[26] Le auto commercializzate principalmente per uso urbano, più compatte e leggere, sono spesso prodotte con una batteria di piccola autonomia, anche per ridurre il peso e ridurre i consumi, in quanto minore è la massa e minore è l'energia richiesta per accelerarla.

L'effetto indiretto del clima sull'autonomia è correlato dall'utilizzo di climatizzatore e riscaldamento, utilizzando energia direttamente dalla batteria, consumo legato alle condizioni nell'abitacolo e tendenzialmente legati al tempo di utilizzo, impattando sull'autonomia soprattutto ad andatura lenta dove al di sotto di una certa velocità (che a seconda del modello e condizioni di guida può variare tra i 30 e 60 km/h) il consumo ritorna a crescere, mentre con un andatura veloce il consumo è dato soprattutto dal motore e questo consumo permette di percorrere molti chilometri, di fatto la climatizzazione incide meno sull'autonomia.[26]
Mentre nei motori a combustione interna, il motore rilascia una grande quantità di calore (circa il 70% dell'energia rilasciata dalla combustione) da sfruttare per riscaldare l'abitacolo, a differenza dell'auto elettrica che deve ricorre a riscaldatori elettrici che insieme ad altri dispositivi, possono compromettere l'autonomia.[25]

Il recupero dell'energia in frenata permette un cospicuo recupero d'energia soprattutto a velocità moderate, consentendo un significativo incremento dell'autonomia[27][28], in particolar modo se non si necessita dell'ausilio di accessori elettrici durante la guida, permettendo un miglioramento della resa chilometrica massima durante i periodi temperati, un miglioramento moderato durante i periodi caldi, mentre la differenza risulta particolarmente contenuta durante i periodi dal clima più rigido.[29]
L'uso delle pompe di calore reversibili permette una migliore efficienza energetica, riducendo i consumi sia del riscaldamento in inverno che della climatizzazione in estate, andando ad impattare meno sull'autonomia.[30]

In generale per le auto elettriche lo stato di carica, come per la maggior parte dei dispositivi, viene visualizzata in scala percentuale nel display di bordo. Spesso è visualizzata anche l'autonomia calcolata, una stima che dipende principalmente dallo stato di carica, dal modo di guida e dal consumo medio del veicolo misurato in Wh/km. Poiché possono verificarsi imprevisti o deviazioni durante il percorso, la stima può variare rispetto all'intervallo effettivo. Il sistema di navigazione quindi consente di suggerire al conducente velocità ottimale di guida e sosta presso stazioni di ricarica lungo il percorso.

Di recente, alcune start-up offrono dei servizi di assistenza di ricarica per ricaricare alle auto elettriche in caso di emergenza.[31]

Confronto dell'autonomia EPA, in miglia, di alcune auto elettriche in commercio nel 2020.
Una NIO ET5, un'auto elettrica di NIO con il sistema di batteria intercambiabile Battery Swap.
Una Panda Elettra del 1990, tra le prime auto elettriche di grandi costruttori immesse nel mercato.

Tecnologie modifica

Le batterie ricaricabili utilizzate nei più diffusi veicoli elettrici si basano sul litio (le litio-ione, le Li-ion polimero, le litio-ferro-fosfato). In passato si utilizzavano l'accumulatore piombo-acido ("inondate" e VRLA), il NiCd e il tipo a NiMH.
Attualmente negli anni 20 del terzo millennio le batterie agli ioni di litio sono le più utilizzate in ambito automobilistico[32].

Tra le batterie più promettenti in via di sviluppo vi sono le batterie al litio-titanio (titanato di litio e litio-diossido di titanio)[33][34] ed eventualmente nuove varianti della pila zinco-aria (che però non possono essere ricaricate in situ). Dal 2011, la Toyota è al lavoro per mettere a punto una nuova generazione di accumulatori agli ioni di litio ricaricabili in 7 minuti.[35]

Ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore stanno studiando una batteria gel di diossido di titanio; nel 2014 hanno presentato un prototipo che si carica fino al 70% in due minuti.[34]

 
Chassis, motore e batteria di una Tesla Model S.

Nel 2017, la startup israeliana StoreDot ha presentato un prototipo funzionante di batteria che permette la ricarica completa in 5 minuti, per un'autonoma di circa 480 km, in una berlina elettrica di grandi dimensioni. L'unica criticità presentata dal prototipo è che per ottenere 100 km di autonomia necessita di una stazione di ricarica in grado di fornire una potenza di almeno 200 kW.[36]

Le batterie sono tipicamente il componente più costoso dei BEV. Sebbene il costo di fabbricazione della batteria sia elevato, l'aumento della loro produzione porta a un sensibile abbassamento dei costi nel momento in cui la produzione dei BEV raggiungerà valori che si avvicinano al numero dei veicoli a combustione interna commercializzati al giorno d'oggi.

Nel 2023 Northvolt sviluppa la prima batteria agli ioni di sodio senza litio e cobalto.[37], nel 2023 viene presentata la prima autovettura con batterie di questa tecnologia agli Na-ion[38]

Per le batterie ci sono state altre soluzioni, quali la tecnologia a stato solido[39], nel 2023 viene presentata la prima autovettura con batterie di questa tecnologia.[40]

Ricarica modifica

Le batterie delle auto elettriche devono essere ricaricate periodicamente (vedi anche Sostituzione delle batterie, più sotto). Le auto elettriche solitamente vengono caricate dalla rete elettrica. In questo caso l'energia è generata da una varietà di risorse come il carbone, l'energia idroelettrica, l'olio combustibile, il gas naturale, altre fonti rinnovabili o, infine, nei paesi in cui è previsto l'uso, l'energia nucleare.

La maggior parte delle auto elettriche (es. Nissan Leaf, Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3) possono essere ricaricate all'80% della loro capacità in 30 minuti con ricarica in corrente continua.

Le Tesla Model S e Tesla Model X possono essere caricate con l'ultima stazione DC a ricarica rapida da 135 kW commercializzata dalla Tesla, fornendo, in circa 30 minuti, fino a 67,5 kWh, sufficienti per percorrere mediamente 290 km.

La velocità di ricarica domestica è vincolata dai contratti di fornitura di energia elettrica dell'impianto (tipicamente dai 3 ai 6 kW nei paesi con tensione a 240 volt, in Italia di 3 kW). Inoltre, anche disponendo di potenze elevate, alcuni sistemi di ricarica domestica sono progettati per operare a potenze limitate. Ad esempio, un sistema di ricarica Nissan Leaf, essendo autolimitato a una potenza di ingresso di 3,3 kW, impiegherà quasi 8 ore anziché 4, per caricare una batteria da 24 kWh, anche se collegato a un impianto di maggior potenza.[41]

Generalmente non è comunque indispensabile una ricarica veloce perché, durante la giornata, si dispone di sufficiente tempo per la ricarica durante l'orario di lavoro oppure nel parcheggio della propria abitazione.

Oggi gli standard di ricarica in uso nel mondo delle auto elettriche sono tre. In corrente alternata si utilizza prevalentemente la presa di Tipo 2 mentre in corrente continua il mercato si divide tra CCS Combo 2 e CHAdeMO. Le principali stazioni di ricarica rapida (AC/DC) disponibili in Italia e in Europa supportano i tre principali standard mentre le colonnine di carica in corrente alternata supportano la ricarica con connettore Tipo 2.[42]

 
Tesla Supercharger a Wittenburg.

Alimentazione da stazione di ricarica modifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Stazione di ricarica per veicoli elettrici.

L'alimentazione di corrente dalla stazione di ricarica o "colonnina" all'auto può avvenire in due modi:

  • Per via "conduttiva": in pratica una presa di corrente normale che, attraverso un trasformatore e un raddrizzatore, fornisce alla batteria l'energia necessaria alla ricarica.
  • Per via "induttiva": l'avvolgimento primario (adeguatamente protetto) viene inserito in una fessura del veicolo, dove si accoppia con l'avvolgimento secondario. Con una connessione di questo tipo si elimina il rischio di folgorazione dal momento che non vi sono parti accessibili sotto tensione.

Se questo sistema funziona a impulsi ad alta frequenza può trasmettere enormi quantità di energia in pochi istanti (esistono sistemi simili in applicazioni di macchine industriali).

Un sistema che nasconda gli elettrodi può rendere il sistema conduttivo sicuro quasi come quello induttivo. Il sistema conduttivo tende a essere meno costoso e anche molto più efficiente per la presenza di una minore quantità di componenti.

Sostituzione delle batterie modifica

Un'alternativa alla ricarica e ai suoi lunghi tempi è quella di sostituire rapidamente le batterie di accumulatori scarichi con altre già cariche. Queste batterie modulari dalla dimensione standard, spesso con un peso tra i 20 e i 40 kg e alloggiate in un doppio fondo sotto l'abitacolo, tra le ruote, oppure sotto il bagagliaio, possono scorrere ed essere rapidamente sostituite dal personale della stazione di servizio oppure da sistemi robotizzati, impiegando poche decine di secondi. Tuttavia, il costo totale di tale operazione si rivela molto elevato rispetto alla più semplice ricarica.

A seconda del tipo di batterie ricevute, si procederà a ricaricarle in modi diversi. La pila zinco-aria, che non può essere ricaricata in modo semplice, deve essere portata in un centro industriale e "rigenerata" con un procedimento elettro-chimico.

Nel 2011, l'azienda Better Place lanciò sul mercato il primo sistema moderno di sostituzione delle batterie per i veicoli elettrici per privati, ma entrò in crisi finanziaria e fallì nel maggio 2013.[43][44][45][46]

Sicurezza modifica

I problemi di sicurezza dei veicoli elettrici a batteria (BEV) sono in gran parte trattati dalla norma internazionale ISO 6469; questo documento è suddiviso in tre parti che trattano le seguenti questioni:

  • accumulo di energia elettrica a bordo (la batteria);[47]
  • sicurezza operativa e protezione contro i guasti;[48]
  • protezione delle persone contro i rischi elettrici.[49]

Folgorazione modifica

Le vetture elettriche possono operare con differenti livelli di tensione elettrica, arrivando anche oltre gli 800V, tanto che esiste una procedura specifica per poter operare in sicurezza sulla meccanica del mezzo, di cui i punti principali sono lo spegnimento del contatto d'accensione (per diseccitare 2 relè normalmente aperti e che collegano la batteria all'impianto dell'auto) e rimozione della chiave e nel caso questa sia del tipo "smart key", deve essere allontanata dal veicolo per almeno 5 metri, rimuovere il connettore di sicurezza della batteria, attendere almeno 10 minuti per far scaricare i condensatori.[50][51] In caso d'incidente esiste il rischio di folgorazione dato da dispersioni a massa di un cavo di alimentazione, per tale motivo alcuni produttori di componentistica del mondo della trazione ha realizzato dei "Pirofusibili", che in caso d'incidente interrompono qualsiasi forma di alimentazione, disconnettendo elettricamente la batteria dal resto del veicolo.[52]

Peso modifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Dinamica del veicolo § Caratteristiche inerziali.

Il peso delle batterie in un veicolo elettrico di solito lo rende più pesante di un equiparabile veicolo a benzina.[53] In una collisione, gli occupanti di un veicolo pesante subiranno in media lesioni minori e meno gravi rispetto agli occupanti di un veicolo più leggero; quindi per l'occupante il peso aggiuntivo può portare vantaggi in termini di sicurezza. In media un incidente causerà circa il 50% in più di lesioni agli occupanti di un veicolo da 900 kg rispetto a quelli di un veicolo da 1.400 kg.[54] Le auto più pesanti però sono più pericolose per le persone fuori dall'auto, per esempio se colpiscono un pedone, un ciclista, un altro veicolo o una struttura.[55]

Stabilità modifica

In un veicolo elettrico, disporre ogni singolo motore immediatamente vicino o all'interno di ciascuna ruota può rendere il mezzo più sicuro in quanto più maneggevole.[56] L'impiego di batterie può in alcuni casi (p.e. su uno skateboard elettrico) abbassare il baricentro del veicolo, aumentando di conseguenza la stabilità di guida e riducendo eventuali rischi di incidenti dovuti al ribaltamento.[57]

Rischio di incendio modifica

Come le controparti nei motori a combustione interna (MCI), le batterie dei veicoli elettrici possono prendere fuoco dopo un incidente o un guasto meccanico[58], in alcuni casi anche a mezzo parcheggiato, sia se sotto carica che non[59][60][61][62], problema che ha colpito anche i mezzi elettrici da competizione, come nel caso delle MotoE a Jerez 2019 o come l'incendio al Rallycross 2023 a Lydden Hill, dove l'incendio causato da una batteria ha distrutto il parco assistenza del team "Special ONE Racing" e 2 Lancia Delta elettriche.[63] Si sono verificati incendi con alcuni veicoli elettrici plug-in ma in misura minore rispetto a quelli che hanno coinvolto veicoli MCI in base alle miglia percorse.[64] I sistemi ad alta tensione di alcune auto elettriche sono progettati per spegnersi automaticamente in caso di apertura dell'airbag,[65][66] inoltre i vigili del fuoco possono essere addestrati alle procedure di arresto manuale del sistema ad alta tensione in caso di guasto;[67][68] potrebbe essere necessaria più acqua (fino anche a 12 000 litri) rispetto agli incendi delle auto MCI ed è consigliato l'uso di una termocamera per rivelare possibili riaccensioni.[69][70] Altre tecniche per la gestione degli incendi delle batterie prevede l'uso della schiuma, in ogni caso l'intervento può richiedere ore, inoltre dato il rischio di riaccensione delle batterie, il mezzo viene spostato in uno spiazzale di sicurezza per un periodo di osservazione in quanto non esiste un metodo realmente definitivo per evitare la riaccensione.[71] Alcuni veicoli possono facilitare l'intervento dei pompieri tramite un Fireman access (accesso per il pompiere), che consiste in un foro il quale permette di accedere direttamente all'interno della batteria con un getto d'acqua per raffreddarla, riducendone così la temperatura, limitando l'entità dell'incendio e la relativa generazione di gas combustibili e/o tossici (p.e. acido solfidrico, fosfina, monossido di carbonio, ecc.).[72][73]

Le statistiche sugli incendi dei veicoli elettrici riportano che nel 30% degli incendi si verifica in fase di ricarica, nel 50% dei casi in fase di sosta, il 15% dei casi durante la guida e il 5% s'incendiano per cause non identificate, queste statistiche hanno portato all'obbligo per le autorimesse (che ospitano auto elettriche per la ricarica) dell'autorizzazione con Certificato di Prevenzione Incendi rilasciato dai Vigili del fuoco (attività n. 59 del D.P.R. 151/2011), inoltre sono state redatte delle linee guida (Circolare dei Vigili del fuoco n.2 del 05/11/2018 Prot. N. 15.000) per l'installazione dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici[74], per la risoluzione di questo problema si stanno sviluppando soluzioni non infiammabili per evitare che il runaway termico o per evitare che esso porti all'incendio del mezzo.[75]

Aspetti economici e ambientali modifica

Efficienza energetica modifica

Efficienza delle ricariche modifica

Durante le ricariche si verificano perdite energetiche, dovute sia per la resistenza nella catena di ricarica, sia di dispersioni energetiche dovute principalmente ai raddrizzatori di corrente, necessari per il passaggio da corrente alternata (della rete elettrica) a corrente continua (della stazione di ricarica o della batteria), si è notato come questa transazione ha una dispersione che sfiora il 10%.[76]
Altri test hanno invece rilevato una perdita che arriva al 20%, quindi un rendimento dell'80%, soprattutto per le colonnine di ricarica rapida, mentre i sistemi a ricarica più lenta hanno un rendimento maggiore, altro fattore che inficia il rendimento è il livello di ricarica raggiunto, infatti ricaricare la batteria oltre l'80% porta a perdite energetiche maggiori.[77]

Efficienza dei motori elettrici modifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Motore elettrico § Rendimento e Motore elettrico § Pilotaggio.

I motori elettrici hanno una maggiore efficienza energetica rispetto a tutti i motori a combustione interna.

Il rendimento massimo motori a combustione è limitato dal teorema di Carnot, il motore a benzina (ciclo Otto) e il motore a gasolio (ciclo Diesel) hanno un'efficienza energetica variabile tra il 25% e 45% (diesel con maggiore rendimento e rendimento crescente al crescere della potenza del motore)[78].

Un motore elettrico a seconda della tipologia e della sua potenza ha un rendimento differente, sono in uso motori elettrici a induzione trifase in corrente alternata o motori in corrente continua del tipo brushless trifase (quest'ultimo ha sostituito i precedenti motori a spazzole), in base anche al tipo di applicazione, in quanto hanno caratteristiche meccaniche e ingombri differenti, il brushless ha un rendimento (motore e inverter) generalmente compreso tra 0,77 e 0,93 a seconda della situazione operativa, mentre l'induttivo ha un rendimento di picco tendenzialmente minore, ma più costante a tutte le condizioni operative.

Inoltre anche il dimensionamento del motore influisce sull'efficienza del mezzo, in quanto uno motore più potente può si avere un'efficienza di picco superiore, ma potrebbe essere eccessivo per l'utilizzo tipico, e di conseguenza la finestra d'utilizzo cade in una zona meno favorevole rispetto ad un motore più piccolo, che riesce a mantenere un rendimento più costante e decisamente più favorevole in condizione di velocità costante, che poi è la condizione più comune nell'uso civile.[79]

Per migliorare l'efficienza del motore si può anche utilizzare il cambio, soprattutto quando il motore non ha una connessione diretta con le ruote o il differenziale, infatti l'interposizione di un sistema di riduzione a rapporto fisso ha un'efficienza del tutto paragonabile ad un cambio, ma senza il vantaggio di modificare il rapporto di trasmissione, per questo alcuni veicoli elettrici hanno iniziato ad adottare il cambio, anche se limitato a sole due marce e del tipo automatico, come nel caso della Porsche Taycan[80], l'altra è l'Audi e-tron GT, questo fatto ha spinto anche l'ingegnerizzazione di soluzioni appositamente studiata per i veicoli elettrici[81]

Efficienza della propulsione elettrica modifica

Per rendere equo e corretto il paragone tra i due tipi di propulsione energetica occorre però considerare l'intero ciclo di produzione e utilizzo dell'energia in gioco visto che l'energia elettrica è una fonte di energia secondaria ottenuta prevalentemente a partire da fonti fossili. Qualora l'unica fonte di produzione fosse quest'ultima, la media del rendimento di picco pari a 0,9 del motore elettrico andrebbe scalato di un fattore di circa 0,6 dovuto all'efficienza di conversione dall'energia contenuta nella fonte primaria (gli idrocarburi) in energia elettrica considerando le centrali elettriche più efficienti, ovvero quelle a ciclo combinato;[82][83] si ottiene così un valore di efficienza totale nel ciclo di produzione/utilizzazione elettrico pari a circa 0,5, che va ulteriormente scalato di un fattore dovuto alle perdite di efficienza nel trasporto dell'elettricità lungo la rete elettrica di trasmissione e distribuzione e di un fattore di efficienza di accumulo dell'energia elettrica nelle batterie di ricarica. Le perdite per la trasmissione e la distribuzione negli Stati Uniti sono stimati del 6,6% nel 1997 e del 6,5% in 2007.[84]

Questi valori sono però da considerare anche per i veicoli a combustione interna, dato che la raffinazione e il trasporto su gomma dei carburanti o combustibili incide sia per la produzione di energia elettrica che per i veicoli con motori a combustione, andando ad incidere negativamente su entrambi i mezzi, anche se tendenzialmente di più per i mezzi a combustione interna.

Per quanto riguarda la raffinazione dei carburanti quali benzina e gasolio andrebbe anche considerata l'energia spesa nella raffinazione e nel trasporto (che spesso avviene su gomma, comportando un ulteriore consumo di energia a bassa efficienza) del carburante utilizzato.

Se si considerasse il sistema globale, includendo l'efficienza energetica del processo di produzione e della distribuzione al punto di rifornimento, il calcolo risulterebbe complesso a causa della grande diversità delle fonti prime, inoltre tale conteggio andrebbe non solo a ripercuotersi per i soli veicoli con motore termico, ma anche per i veicoli elettrici, in quanto parte della corrente viene generata tramite questi carburanti.

Secondo l'Eurostat, in Italia nel 2015 il 33,46% della produzione dell'energia elettrica avveniva a partire da fonti rinnovabili.[85] Qualora invece si considerassero gli idrocarburi come unica fonte primaria per la produzione di energia elettrica, l'efficienza complessiva della propulsione elettrica sarebbe, a seconda delle fonti, dal 15% (0,15)[86] al 30% (0,3).[87]

Altri fattori che influiscono sull'efficienza modifica

La resistenza aerodinamica (Cx) ha una grande importanza nel determinare l'efficienza energetica, particolarmente alle alte velocità già partendo dai 40 km/h e le vetture elettriche, necessitando di un minor raffreddamento, hanno pertanto feritoie sulla carrozzeria di minor o nullo impatto aerodinamico con l'aria.

Bisogna inoltre tenere conto del fatto che il motore elettrico è dotato di prestazioni superiori alle velocità variabili, condizione di utilizzo tipica di qualunque veicolo, e non consuma nei casi di fermo/stop; inoltre i sistemi di recupero dell'energia cinetica dissipata in frenata tipo KERS consentono di recuperare mediamente un quinto dell'energia altrimenti dissipata.[88][89] Nelle stesse condizioni d'uso i veicoli a combustione perdono significativamente in efficienza nelle frequenti fasi di accelerazione e nelle soste a motore acceso.

Le vetture elettriche consumano tipicamente da 0,15 a 0,25 kWh/km.[90][91][92] Una vettura con motore a combustione interna consuma invece più di 0,5 kWh/km.[90]

Costi modifica

Il costo principale del possesso dei veicoli elettrici dipende principalmente dal costo delle batterie, il tipo e la capacità sono fondamentali nel determinare molti fattori come l'autonomia di viaggio, la velocità massima, il tempo di vita utile della batteria e il tempo di ricarica; esistono alcuni svantaggi e vantaggi dei vari tipi, probabilmente non esiste un tipo ideale per chiunque, ma alcuni sono più adatti per alcuni utilizzi.

Batteria modifica

Il costo delle batterie è molto variabile in base alla tecnologia usata e alle prestazioni offerte, da qualche migliaia di euro fino a superare il 50% del costo totale del veicolo, rendendo molto più oneroso l'acquisto di auto elettriche rispetto a veicoli alimentati a combustibili fossili. Il costo delle batterie è comunque destinato a scendere in modo significativo con lo sviluppo della ricerca e con la produzione in serie.[93][94] D'altra parte sono minori i costi percentuali di riparazione post-collisione, dal momento che sono per buona parte riciclabili, e non essendo dotati di motore che brucia combustibile liquido e dei conseguenti apparati necessari al suo funzionamento, sono più affidabili e richiedono una manutenzione minima.

Nell'uso reale, con percorrenze medie giornaliere ridotte, i veicoli elettrici possono percorrere circa 150 000 km con un singolo set di batterie, che durano in media circa 10 anni, quindi grosso modo con le tecnologie attuali la durata di vita della batteria e quella dell'auto coincidono.[90] A causa dell'alto costo delle batterie, la durata di vita dell'auto elettrica è in genere limitata a quella delle batterie.
In Germania un utilizzatore (Hansjörg Gemmingen) di auto elettrica ha percorso 1,6 milioni di chilometri con la stessa macchina elettrica (Tesla Model S), dovendo sostituire 2 volte la batteria (terza batteria) e sostituire 7 volte i motori (arrivando all'8º motore).[95][96][97]

Consumi operativi modifica

In base a fonti statunitensi, i veicoli elettrici hanno dei costi operativi, considerando solo il costo dell'energia, di circa 2,5 centesimi di euro per chilometro, mentre (sempre negli Stati Uniti, dove l'imposizione fiscale sulla benzina è ridotta o nulla) i veicoli tradizionali a benzina hanno costi operativi maggiori di più del doppio.[98] In paesi come l'Italia, dove la benzina è fortemente tassata, la forbice si allarga e il costo per km dell'auto a benzina è da 3 a 4 volte superiore.[99][100]

Gestione liquidi modifica

Per il funzionamento di un veicolo elettrico potrebbe essere necessario gestire il liquido del motore (se del tipo a bagno d'olio e non a secco), della trasmissione se esso non è collegato direttamente alle ruote, ma anche le batteria se demanda la gestite termica tramite l'uso di liquidi.[101]

Acquisto del mezzo modifica

Il prezzo delle auto elettriche in vendita è ancora decisamente alto, il che viene poi in parte compensato dai costi inferiori per l'alimentazione[99] e la manutenzione.[100]

Il maggior costo alla vendita delle auto elettriche in confronto alle vetture a motore a combustione interna ne ha consentito un'ampia diffusione solo nei paesi, come la Norvegia, dove lo stato concede generose sovvenzioni all'acquisto. Tuttavia, secondo una ricerca effettuata da Bloomberg New Energy Finance a inizio 2017, si prevede una progressiva diminuzione dei costi delle auto elettriche fino a renderle più economiche di quelle a combustione interna entro il 2030.[102]

Sgravi politici modifica

In diverse città le auto elettriche godono inoltre di vantaggi nella circolazione, come l'immunità da ogni blocco del traffico oppure parcheggi riservati (con colonnine di ricarica elettriche gratuite o a prezzi modici) oppure, in alcuni casi, diritto a circolare sulle corsie per bus e taxi, nonché libertà di accesso alle ZTL.

Impatto ambientale complessivo modifica

L'impatto totale sull'ambiente va valutato considerando molteplici fattori. Un corretto approccio usa metodi di analisi che riscuotono oggi ampio consenso, con tecniche di valutazione del ciclo di vita considerando tutti gli effetti ambientali nelle diverse fasi che caratterizzano un prodotto (in particolare i consumi energetici, le emissioni climalteranti, la generazione di sottoprodotti inquinanti): dalla sua costruzione (includendovi i contributi per l'estrazione e purificazione delle materie prime e per la produzione della componentistica impiegata), alla fase d'uso (consumo di energia elettrica la cui generazione rilascia nell'ambiente CO2 responsabile dell'effetto serra e del riscaldamento globale) sino al conferimento in discarica, riciclo e/o trattamento dei sub-componenti.

Termini rilevanti riguardano l'inquinamento per la produzione delle batterie e per il loro ritrattamento quando esauste. La varietà di tipologie esistenti di batterie e il loro diverso impatto ambientale rendono tutt'oggi difficoltoso effettuare confronti e pervenire a valutazioni medie sul parco di veicoli in circolazione. Per le vetture elettriche è comunque assodato che le batterie, al pari di molti altri dispositivi elettrici ed elettronici odierni, sono responsabili del maggior termine di inquinamento, anche in ragione della loro criticità rispetto ad altri componenti del veicolo.

Le batterie risentono principalmente delle seguenti anomalie:

  • urti meccanici, quali incidenti stradali o urti con detriti;
  • problemi elettrici, come cortocircuiti, sovraccarichi elettrici, eccessiva scarica (abbandono o inutilizzo del mezzo per lunghi periodi) o avarie interne della batteria stessa;
  • problemi termici, causati da temperatura eccessiva, che può svilupparsi in fase di ricarica o con uso molto intensivo, così come causabili da temperature ambientali non favorevoli, ma anche da un possibile degrado del sistema di raffreddamento, ove presente.

I maggiori inconvenienti paiono imputabili a incidenti stradali, il che ha portato molti costruttori a proteggere maggiormente il pacco batteria. Il livello di sicurezza sembra essere allineato a quello dei veicoli tradizionali, benché dati più precisi e attendibili richiedano un ampliamento delle statistiche e quindi l'attesa di una maggior espansione del mercato[103][104].

Riguardo alle batterie, i primi modelli presentavano consistenti effetti d'inquinamento ambientale da nichel e da cadmio, dovuti all'estrazione mineraria, alla fabbricazione della batteria, alla discarica con possibile successiva ossidazione, rottura, infiltrazione e dilavamento nel caso di non conferimento di batterie NiCd presso centri che li instradano a unità specializzate. Il problema si è superato proibendo o limitando questi composti nelle batterie[105], inoltre viene sempre più agevolato il ripristino o il riuso delle batterie per autotrazione per altri fini o il riciclo e recupero dei materiali ivi presenti anche se il loro trattamento, oltre a essere costoso, non è esente da rischi e da produzione d'inquinanti[106]. Per quanto concerne la loro durata o vita utile, in genere essa viene garantita per 8 anni con una percorrenza reale stimabile in 150 000 km su 10 anni effettivi di utilizzo.[107].

Riguardo all'inquinamento dovuto alla produzione delle batterie, uno studio del 2017 ha appurato come la produzione di una batteria agli ioni di litio per autotrazione (nell'ipotesi di un 50-70% di quota fossile nel mix elettrico) rilasci in media 150-200 chilogrammi di CO2 equivalente per chilowattora di batteria prodotta: nel caso di un autoveicolo elettrico con batteria da 100 kWh verrebbero rilasciate 15-20 tonnellate di diossido di carbonio per la sola produzione della batteria[108]. Effettuando un paragone con mezzi a benzina o Diesel, questi ultimi, prima di arrivare a rilasciare tanto diossido di carbonio quanto la produzione della batteria stessa da 100 kWh, impiegherebbero (con percorrenza stimata di 1 224 miglia annuali, ossi circa 2 000 km/anno ed emissione stimata di 130 grammi di diossido di carbonio per chilometro) circa 8,2 anni[109]. Tale risultanza va peraltro presa con cautela in ragione della pretesa scarsa percorrenza chilometrica e delle basse emissioni prese a riferimento per gli autoveicoli tradizionali.

In termini ambientali la produzione di energia elettrica, il suo trasporto, lo stoccaggio (ricarica e dispersioni dovute a auto-scarica) e il consumo finale per autotrazione risulta essere vantaggioso in termini di impatto ambientale rispetto all'uso di carburanti tradizionali (benzina e gasolio). Nell'ipotesi di elettricità prodotta prevalentemente da fonti rinnovabili vi è un evidente vantaggio in termini di inquinamento. Nel caso odierno di elettricità prodotta in Italia per il 65% da fonti non rinnovabili (combustibili fossili), tale vantaggio pur riducendosi resta valido sia in generale[98] sia, più in dettaglio, per la maggior parte dei paesi europei compresa l'Italia[110].

In sintesi, nell'uso quotidiano e per spostamenti locali il mezzo elettrico può permettere un abbattimento della produzione di inquinanti, i quali vengono in buona misura delocalizzati nelle centrali di produzione dell'energia elettrica. Al contrario una maggior quantità di risorse e di inquinanti rilasciati è associata alla fase di produzione e smaltimento del veicolo elettrico, così come evidenziato in studi sul ciclo di vita (escludendo lo smaltimento della batteria). Ipotizzando una vita utile di 270 000 km si ha un guadagno contenuto rispetto a mezzi equivalenti a benzina, mentre si arriva addirittura a inquinare di più in confronto con mezzi a benzina leggermente più compatti[111]. Nel caso di confronto con mezzi convertiti a metano il verdetto resta però a favore di questi ultimi[112][113][114].

Un vantaggio potenziale dei mezzi elettrici rispetto a quelli tradizionali è nella guida in situazioni congestionate con lunghe soste o ad andatura molto ridotta, tipici delle grandi città ad alta densità di traffico. In questo caso i mezzi elettrici permettono di abbattere l'energia utilizzata per il trasporto e non producono localmente inquinanti durante o per l'uso del mezzo. In queste situazioni un equivalente mezzo a motore termico ha rendimento molto basso e, benché possano ridursi gli sprechi con dispositivi start e stop di riaccensione del motore, si produce comunque forte inquinamento locale dell'aria, anche per la riduzione di efficacia dei dispositivi catalitici.

Per la stessa ragione un mezzo elettrico è invece poco conveniente in situazioni di traffico scorrevole ad andatura costante o sostenuta, in quanto nel complesso il mezzo utilizzerà una maggiore quantità d'energia. In particolare il riscaldamento dell'abitacolo (che nei mezzi tradizionali avviene col calore già presente nel motore) risulta invece particolarmente energivoro nei veicoli elettrici[115].

In considerazione dei vari vantaggi e limitazioni elencati, i veicoli ibridi misti possono porsi come alternativa sia a quelli tradizionali sia a quelli puramente elettrici, permettendo un uso a più ampio spettro e maggior versatilità e adattabilità alle varie situazioni.

Diffusione modifica

 
Vendite annuali di veicoli leggeri a ricarica elettrica nei principali mercati tra il 2011 e il 2021[116][117][118][119][120][121]

A causa dei maggiori costi di acquisto delle auto elettriche, la loro diffusione è legata alle politiche di incentivi praticate dalle singole nazioni.
Tali politiche di incentivi sono poi state fermate o progressivamente ridotte fino alla loro eliminazione, da parte di alcune nazioni.[122][123]

Secondo il Global EV Outlook per il 2016 dell’OSCE/Iea, i paesi nei quali sono più diffusi i veicoli elettrici sono la Norvegia (23%), Paesi Bassi (10%) seguiti da Svezia, Danimarca, Francia, Cina e Gran Bretagna.[124]

Il successo in Norvegia si deve a un'incentivazione economica statale all'acquisto dei veicoli elettrici in media pari a circa 20000 euro e alla pesante tassazione dei veicoli a benzina. Questo ha permesso di raggiungere quasi il 54.3% delle auto immatricolate nel 2020.[125]

In Italia la diffusione delle auto "plug-in" è aumentata del +251,5% rispetto al 2019 con quasi 60.000 auto immatricolate, di cui 32500 elettriche e 27.000 ibride plug-in.[126]

Un altro aspetto che impatta la diffusione di questi mezzi di trasporto è dato dalla disponibilità di punti pubblici di ricarica sulla rete stradale e autostradale; così, ad esempio, se a livello di Unione europea, nel 2018 l'indice dei punti di ricarica veloce per 100 km di autostrada è di 32, nello stesso anno in Italia è di circa 12 punti di ricarica ogni 100 km.[127]

Tra gennaio e marzo 2023 il maggior numero di veicoli elettrici venduti è stato registrato in Cina, seguita dagli Stati Uniti.[128] L'elevato numero di vendite negli Stati Uniti in tale trimestre (rappresentate per l'81% da veicoli elettrici a batteria e per il resto da ibride plug-in), è giustificato anche dalla messa a disposizione di sussidi da parte del governo statunitense.[128]

Incentivazione politica modifica

La mobilità elettrica è incentivata a livello politico con varie forme di sgravi fiscali che altrimenti graverebbero sugli utilizzatori/proprietari, incentivi rivolti anche per l'installazione delle infrastrutture per la loro ricarica.[129]

Inoltre per mantenere l'obbiettivo sull'abbattimento della CO2 l'Europa ha imposto lo stop sulla vendita di veicoli termici nuovi per il 2035.[130][131] Queste imposizioni ha influito sui piani di sviluppo delle aziende per l'automobile.[132]

Note modifica

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