La corsa tecnologica nel settore dei veicoli elettrici
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La corsa tecnologica nel settore dei veicoli elettrici

Il tema del cambiamento climatico ha conquistato ormai da tempo l’interesse del pubblico e dei mezzi di comunicazione. La sua crescente popolarità ha portato alla ribalta altri argomenti correlati, che sono diventati oggetto di interesse dei media generalisti.

La popolarità dei veicoli elettrici

Usando l’indice di interesse di Google Trends come parametro di popolarità, si osserva che il tema del cambiamento climatico ha raggiunto la massima popolarità nel 2009 (dicembre), molto probabilmente per via della Conferenza ONU sui cambiamenti climatici svoltasi a Copenaghen quello stesso mese. Il tema dei veicoli elettrici, invece, ha registrato il picco massimo di popolarità a metà 2008. Sono due le possibili cause del risultato del 2008: in primo luogo, l’entusiasmo dei media per la Tesla Roadster, la prima auto elettrica commerciale a utilizzare le celle agli ioni di litio, nonché la prima a vantare un’autonomia superiore ai 320 chilometri1; in secondo luogo, l’utilizzo del tema dei veicoli elettrici da parte del candidato alle presidenziali statunitensi Barack Obama.

Google Trends Popularity Score of EVs and Climate Change

Fig. 1: Indice di popolarità dei veicoli elettrici e del cambiamento climatico su Google Trends

Fonte: Google Trends, 12.03.2019

Negli undici anni dal 2008 al 2019, il tema dei veicoli elettrici ha visto un incremento costante di popolarità per un periodo di tempo prolungato. Una buona notizia per l’accordo di Copenaghen del 2009, descritto da Ban Ki-moon come un “importante passo verso un accordo globale per la riduzione e la limitazione delle emissioni ad effetto serra”2.

Tirando le somme, possiamo concludere che il tema dei veicoli elettrici sia il risultato di tutti i piani d’azione per il clima messi in atto da diversi governi in tutto il mondo. È ormai abbastanza assodato che la via per la decarbonizzazione del trasporto su strada passi per i veicoli elettrici. Tuttavia, è anche vero che resta tra gli esperti del settore un certo disaccordo sul tipo di tecnologia che sarà scelto per l’alimentazione dei mezzi di trasporto del futuro.

Toyota guarda al futuro e al mondo tra cinquanta o più anni. Sono certo che i veicoli a celle a combustibile siano la soluzione ecosostenibile per eccellenza.

AkioToyoda, CEO Toyota

Fonte: https://www.boyden.com/media/toyotas-hydrogen-fuel-cell-hopes-170140/index.html

In questo Thematic Insight parleremo delle potenzialità di una tecnologia emergente, le pile a combustibile alimentate a idrogeno, applicata al trasporto su strada, mettendola a confronto con le più comuni batterie agli ioni di litio.

I vantaggi delle pile a combustibile alimentate a idrogeno

La quota di mercato dei veicoli elettrici è cresciuta senza dubbio a ritmo serrato. I governi nazionali hanno fornito un’ampia gamma di incentivi per stimolare l’adozione dei veicoli elettrici, mentre altri soggetti interessati, come le case automobilistiche, hanno incrementato il numero dei modelli disponibili e investito massicciamente in attività di ricerca e sviluppo. Nonostante i progressi compiuti, la quota di mercato dei veicoli elettrici è ancora residuale e in gran parte dominata dai veicoli a batteria (BEV).

Un dato importante sullo stato attuale dell’adozione dei veicoli elettrici è il fatto che la tecnologia di uso più comune nelle autovetture (gli ioni di litio) non sembri adeguata alle esigenze di alcuni segmenti di mercato. Il mercato del trasporto sulle lunghe distanze e ad alto utilizzo ha requisiti specifici che la tecnologia agli ioni di litio, almeno al suo stato attuale, non è in grado di soddisfare.

Fig. 2: Vendite di veicoli elettrici per tecnologia

Fonte: Frost & Sullivan, data di pubblicazione: 2017

BEV: Veicoli elettrici a batteria; PHEV: Veicoli elettrici ibridi plug-in; FCEV: Veicoli elettrici a pile a combustibile

Non è difficile capire il perché della scarsa adozione in questi segmenti di mercato. Il trasporto sulle lunghe distanze si scontra con quello che è forse l’ostacolo principale all’adozione dei veicoli elettrici da parte del grande pubblico: l’ansia dell’autonomia chilometrica.3 La soluzione a questo problema non è semplice: aggiungere più batterie potrebbe incrementare l’autonomia, con un aumento però anche del prezzo e del peso dei veicoli. L’equazione autonomia-prezzo-peso può essere risolta soltanto usando batterie più efficienti, e non aggiungendo semplicemente batterie. Il mercato dei trasporti ad alto utilizzo presenta un altro limite importante: viste le tempistiche di utilizzo, il segmento ha bisogno di tempi brevi di ricarica e, anche se per le batterie agli ioni di litio la ricarica veloce è già disponibile, l’impatto sulla durata della batteria è sfavorevole.4 Di conseguenza, per poter servire entrambi i segmenti servirebbe una tecnologia con tempi di ricarica ragionevolmente rapidi e un’autonomia accettabile senza un aumento proporzionale del peso. Le pile a combustibile alimentate a idrogeno sono quindi una buona soluzione per le esigenze di questi segmenti.

Come funzionano le pile a combustibile alimentate a idrogeno?

Il carburante a idrogeno confluisce verso l’anodo da un lato della cella a combustibile; dall’altro lato, un ossidante (ossigeno o aria) viene convogliato verso il catodo. Sull’anodo, un catalizzatore al platino separa l’idrogeno in ioni idrogeno positivi (protoni) ed elettroni con carica negativa. Sul catodo, gli elettroni e gli ioni con carica positiva si uniscono generando acqua, che viene convogliata fuori dalla cella.

Fig. 3: Rappresentazione visiva della modalità di funzionamento

Solo gli ioni con carica positiva possono attraversare la membrana a scambio protonico per raggiungere il catodo. Gli elettroni con carica negativa sono quindi convogliati lungo un circuito esterno fino al catodo, generando corrente elettrica.

Characteristics of rechargeable batteries and hydrogen fuel cells

Fig. 4: Caratteristiche delle batterie ricaricabili e delle pile a combustibile alimentate a idrogeno

Fonte: Cano, Zachary et Al, “Batteries and Fuel Cells for emerging electric vehicle markets”, Nature Energy, Vol. 3 aprile 2018, 278-289 (2018)

Come mostra la figura precedente, l’idrogeno può essere immagazzinato con un’energia specifica di gran lunga superiore a quella delle batterie. Per contro, i serbatoi di idrogeno e i sistemi di celle a combustibile sono piuttosto costosi per via dell’utilizzo di platino, fibra di carbonio, umidificatori e scambiatori di calore.5 Tuttavia, queste proprietà fisiche fanno sì che i costi dei veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) siano meno sensibili a un aumento dell’autonomia di guida, che richiederebbe unicamente un incremento delle dimensioni, della quantità o della pressione dei serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno, che in termini di kWh sono più leggeri e più convenienti rispetto alle batterie agli ioni di litio.6 Come avvenuto per i costi delle batterie agli ioni di litio, l’incremento dei volumi di produzione dovrebbe far aumentare il prezzo dei serbatoi di idrogeno e abbassare quello delle celle a combustibile.

A questo punto il lettore potrebbe chiedersi: perché il settore non ha un maggiore interesse ad adottare le pile a combustibile alimentate a idrogeno anziché gli ioni di litio? Esistono diverse risposte. Innanzitutto, alcune marche di automobili hanno effettivamente iniziato a dedicare una parte sostanziale delle proprie attività di ricerca ai veicoli FCEV (Daimler, Toyota, Honda e Hyundai); tuttavia, esistono notevoli barriere all’adozione dei FCEV, che richiedono investimenti significativi, legati in particolare allo sviluppo dell’infrastruttura di trasporto e distribuzione dell’idrogeno.

Conclusione

Le proprietà fisiche delle pile a combustibile alimentate a idrogeno hanno il potenziale per soddisfare le esigenze di segmenti specifici del mercato del trasporto su strada. Tuttavia, è innegabile che i veicoli a batterie agli ioni di litio rappresentino la forza imbattuta che domina attualmente il segmento dei veicoli elettrici. La corsa tecnologica è aperta, ma non si tratta necessariamente di un gioco a somma zero tra le varie tecnologie. La diversità di vantaggi e limitazioni di queste tecnologie potrebbe tradursi nella capacità per ciascuna di soddisfare esigenze differenti del mercato.

Indipendentemente dal risultato di questa “corsa”, appare chiaro che il futuro del trasporto su strada vedrà necessariamente un’ampia diffusione dei veicoli elettrici. Di conseguenza, lo stadio iniziale in cui si trovano alcune delle tecnologie, nonché le esigenze di sviluppo di infrastrutture, costituiscono un terreno fertile di crescita e opportunità d’investimento.

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