Definizioni; architetture di EV e HEV Veicoli senza ICE (EV) Veicoli a propulsione ibrida Valutazione di impatto ambientale. SEB-VT: Analisi LCA-WtW

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1 Veicoli a propulsione elettrica e ibrida Definizioni; architetture di EV e HEV Veicoli senza ICE (EV) Veicoli a propulsione ibrida Valutazione di impatto ambientale SEB-VT: Analisi LCA-WtW 1

2 Analisi del ciclo di vita (LCA: Life-cycle analysis) (1/2) Per la valutazione dell impatto ambientale di un sistema ingegneristico occorre fare un analisi del ciclo di vita dalla culla alla tomba (cradle-to-grave). SEB-VT: Analisi LCA-WtW 2

3 Analisi del ciclo di vita (LCA: Life-cycle analysis) Per la valutazione dell impatto ambientale di un sistema ingegneristico occorre fare un analisi del ciclo di vita dalla culla alla tomba (cradle-to-grave). Semplificando si hanno le fasi: Costruzione. Va valutata la fase di estrazione dei materiali grezzi, il trasporto in fabbrica, la effettiva costruzione di semilavorati e prodotti finiti Vita utile. Va considerato il tipo di utilizzo del sistema ingegneristico i previsto, con i relativi input e output di materiali, energia, sostanze inquinanti Smantellamento - riciclaggio. Alla fine della vita utile in generale parte di un sistema ingegneristico g viene nuovamente immesso nell ambiente (ad esempio mediante trasporto in discarica), parte viene riutilizzata attraverso processi di riconversione. Le prime due fasi considerate comportano in generale impegno di risorse primarie (materiali ed energia) emissioni nell ambiente (gas serra ed inquinanti) La terza fase comporta normalmente ancora consumo di energia ed emissioni nell ambiente, ma implica un recupero di parte dei materiali impegnati nella fase di costruzione. SEB-VT: Analisi LCA-WtW 3

4 Analisi energetica del ciclo di vita di veicoli stradali Studi specifici mostrano come la parte di gran lunga più grossa dell energia consumata nel ciclo di vita di veicoli stradali è quella relativa alla vita utile. Es. accanto, Van Mierlo VPPC 2011) SEB-VT: Analisi LCA-WtW 4

5 Analisi energetica del ciclo di vita di veicoli stradali Essendo l emissione di CO 2 strettamente legata al consumo di energia (quando essa è prelevata da combustibili fossili) non è difficile convincersi che anche dal punto di vista dei gas serra la fase di gran lunga più importante del ciclo di vita di un veicolo stradale è quella della vita utile. SEB-VT: Analisi LCA-WtW 5

6 Analisi dal pozzo alle ruote L energia serve ai veicoli per produrre moto. L energia utile è quindi quella disponibile alle ruote. E importante confrontare il dispendio energetico globale di diversi veicoli: l energia dispersa fra quella disponibile dalla fonte primaria e quella utile, quindi alle ruote. Si fa quindi un analisi detta dal pozzo alle ruote (well-to-wheel). Naturalmente questa terminologia fa riferimento all utilizzo del petrolio come fonte primaria, ma in generale l analisi va fatta a partire dalla fonte primaria dove essa è disponibile in natura fino alle ruote. Anche per valutare le emissioni di gas serra occorre considerare l intero percorso dal pozzo alle ruote. Molti veicoli comportano consumi energetici (e emissioni di CO 2 ) prevalentemente durante l uso luso del veicolo (veicoli a MCI), altri durante la preparazione dell energiaenergia da fornire al veicoli (veicoli elettrici a batteria) Pertanto è opportuno dividere il percorso dal pozzo alle ruote in due fasi: dal pozzo al serbatoio (well-to-tank) tank) dal serbatoio alle ruote (tank to-wheel) SEB-VT: Analisi LCA-WtW 6

7 Analisi dal pozzo alle ruote (2) Well-to-Tank Tank-to-Wheel SEB-VT: Analisi LCA-WtW 7

8 I gas serra(1/2) L IPCC (International Panel on Climate Change) fornisce informazioni sul potenziale serra relativo delle varie sostanze, che vengono aggiornate negli anni. I coefficienti da utilizzare dipendono dall orizzonte temporale su cui si valuta il potenziale riscaldamento. Su un orizzonte di 100 anni i valori del Second Assessment Report (SAR, 1995) e Fourth Assessment Report (AR4, 2007) sono i seguenti: g CO 2 equivalenti SAR (1995) AR4 (2007) CH N 2 O SF Secondo l AR4, va quindi usata la seguente formula: (e = emissioni in g) GWP=e(CO 2 2) )+25e(CH 4 4) )+298 e(n 2 O)+22800(SF 6 6) (Global Warming Potential) NOTE: 1) Non viene considerato il vapor d acqua che è il principale responsabile dell effetto serra in quanto le sue concentrazioni non sono conseguenza diretta di attività antropiche; peraltro ogni riscaldamento comporta una maggiore soluzione di acqua nell atmosfera e quindi un ulteriore incremento del riscaldamento 2) Per semplicità si sono trascurati nella tabella e nella conseguente formula i fluorocarburi, che hanno impatto minore sul global warming. SEB-VT: Analisi LCA-WtW 8

9 I gas serra(2/2) CO 2 N 2 O I principali gas serra sono rimasti pressoché costanti per anni, e sono improvvisamente variati a partire dalla rivoluzione industriale. CH 4 In particolare la ppm 2000 coeff GWP % CO 2 + stata fra 260 e 280 ppm per anni ed è aumentata a 380 ppm in pochi secoli , ,5 8 0, SEB-VT: Analisi LCA-WtW 9

10 Generazione di gas serra con la combustione Il consumo di energia proveniente da idrocarburi comporta inevitabilmente sviluppo di CO 2. Per fare la corrispondenza basta fare riferimento all entalpia della reazione di combustione dell idrocarburo: C n H m +(n+m/4)o 2 nco 2 +(m/2)h 2 O ΔH=-??? kj/mol Alcuni risultati nella seguente tabella (l idrogeno, riportato per confronto, non è un idrocarburo): Combust. g(co 2 )/MJ Combust. g(co 2 )/MJ Benzina 73,4 Etanolo 71,3 Gasolio 72,8 Metanolo 68,6 Gas metano 56,4 Idrogeno 0,0 SEB-VT: Analisi LCA-WtW 10

11 Analisi UNIPEDE/CIVES dal pozzo alle ruote Emissioni di anidride carbonica nel ciclo standard Europa preparazione energia motore CO 2 [g/km] benzina diesel metano elettrica elettrica italia Emissioni gas serra fortemente inferiori nel caso del veicolo elettrico Risultato fortemente dipendente dal mix di centrali considerato Anche considerando d il mix italiano la soluzione elettrica è di gran lunga avvantaggiata dal punto di vista dell emissione di gas serra SEB-VT: Analisi LCA-WtW 11

12 Analisi UNIPEDE dal pozzo alle ruote: mix produttivo europeo Fonti energetiche per la produzione dell energia elettrica in Europa Anno % 30% 20% 10% 0% Fonti Nucleare Carbone Gas Lignite Petrolio rinnovabili La presenza di una forte componente nucleare favorisce notevolmente la propulsione elettrica SEB-VT: Analisi LCA-WtW 12

13 Inquinanti - Analisi dal pozzo alle ruote (UNIPEDE) [g/km] [mg/km] CO HC NOx SO2 benzina diesel metano elettrica 5 0 PM I valori qui riportati non tengono conto del fatto importante che le emissioni in ambito cittadino contribuiscono molto di più alle concentrazioni nell atmosfera che in città si respira rispetto a quelle nelle centrali di produzione dell energia. Se si tenesse conto delle concentrazioni degli inquinanti in ambito urbano (in luogo delle emissioni globalmente valutate del tipo di quelle dei grafici sopra riportati), evidentemente i veicoli elettrici, che hanno emissioni nulle TtW, risulterebbero molto più vantaggiosi. Per analisi semplificate, ma comunque significative, si può considerare trascurabile l impatto delle emissioni inquinanti in atmosfera provenienti dalle centrali di produzione; resta invece fondamentale valutare questi contributi remoti ai fenomeni realmente globali, quali l effetto serra e la produzione di piogge acide SEB-VT: Analisi LCA-WtW 13

14 Utilità dell auto a batteria oggi Incidenze percentuali delle percorrenze medie giornaliere in Europa 100 p p Le percorrenze medie giornaliere in Europa sono per ampie percentuali (95% compatibili con l autonomia di un auto a batteria moderna (150 km). Le situazioni di conflitto in ambito familiare sono però severe in caso di necessità di effettuazione di un viaggio non usata < 10 km < 30 km < 50 km <100 km <150 km Se si considera però l auto elettrica come seconda auto familiare le situazioni di conflitto risultano rarissime e ben risolvibili. Resta molto serio il problema di poter disporre di una presa di corrente per la ricarica notturna, essendo la maggior parte delle auto parcheggiate in suoli pubblici. Questo comporta il problema infrastrutturale non secondario di dotare i punti di parcheggio di punti di ricarica e contabilizzazione dell energia. Inoltre andrebbero fortemente incentivate le ricariche notturne, le quali sono molto convenienti in quanto non implicano necessità di costruire nuove centrali e consentono di prelevare energia da centrali di base ad altissimo rendimento SEB-VT: Analisi LCA-WtW 14

15 Analisi energetica comparata WtW per diverse tipologie di veicolo (fonte primaria: gas naturale) Ipotesi di calcolo per l efficienza dell azionamento elettrico Componente Efficienza massima Efficienza media Trasmissione - 95% Inverter 97% 94% Macchina elettrica 96% 92% eq inv mot rid 0,94*0,92*0,95 0,82 Ma in condizioni reali il veicolo non è semplicemente scaricato: al flusso principale di scarica si sovrappongono scariche/ricariche parziali, corrispondenti ad accelerazioni/frenature a recupero. Da simulazioni numeriche si può verificare che per un veicolo moderno, operante secondo un ciclo NEDC, è ragionevole assumere un rendimento globale di scarica del 75%. (=Rapporto fra energia uscente dalla batteria e erogata alle ruote) SEB-VT: Analisi LCA-WtW 15

16 Analisi energetica comparata WtW per diverse tipologie di veicolo (fonte primaria: gas naturale) Veicolo a batteria Veicoli ibrido plug-in Veicolo FC+batteria centrale elettrica 55 centrale elettrica 22 reformer Efficienza di conversione Trasmissione e distribuzione elettricità 90,0 49,5 Trasmissione e distrib. gas Trasmissione e distrib. elettricità 21 Distribuzione e compressione idrogeno Percentuale di energia primaria risultante Batteria (da BT) Batteria (da BT) 87 Generazione elettrica a FC Azionamento elettrico 26 Propulsione ibrida Azionamento elettrico Azionamento elettrico , ,5 22,5 SEB-VT: Analisi LCA-WtW 16

17 Analisi energetica comparata WtW per diverse tipologie di veicolo (fonte primaria: gas naturale) Veicolo a batteria Veicoli ibrido plug-in Veicolo FC+batteria centrale elettrica 55 Trasmissione e distribuzione elettricità 90,0 49,5 Batteria (da BT) Trasmissione e distrib. gas 58 centrale elettrica 22 Trasmissione e distrib. elettricità Batteria (da BT) 87 reformer Distribuzione e compressione idrogeno Generazione elettrica a FC I veicoli più favorevoli all ambiente oggi considerati sono: - veicoli a batteria - ibridi di tipo plug-in - veicoli a FC e idrogeno Il grafico riporta valori usualmente considerati come ragionevoli per le varie perdite energetiche di conversione. Il principale risultato è che globalmente i veicoli a batteria sono vincenti, mentre appare non confermata allo stato attuale della tecnologia la competitività energetica dei veicoli a idrogeno. I veicoli ibridi di tipo plug-in si trovano in una situazione intermedia. Però non presentano i problemi di autonomia e tempi di ricarica tipici dei veicoli a batteria. Azionamento elettrico Propulsione ibrida Azionamento elettrico 15 13,5 Azionamento elettrico Il grafico è effettuato con valori di efficienza realistici ma non assoluti, e relativi alle migliori tecnologie esistenti ,5 22,5 Vlt Valutazioni idi precisione ii vanno Perdite rete da centrale: Fino AAT, 0,9%; fino AT: 2,9%, fino MT: 5,1%, fino BT; 10% Poi ci va messo l inverter: altro 3% effettuate inevitabilmente caso per caso. SEB-VT: Analisi LCA-WtW 17

18 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Impatto ambientale Consumo delle risorse Consumo delle materie prime Consumo di energia Danneggiamento della qualità dell eco-sistema Emissione ione di gas serra Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide Danneggiamento della salute umana Dispersione nell ambiente di rifiuti solidi dannosi Emissione di gas inquinanti Le presenti slides descrivono i contenuti dell articolo scientifico An Evaluation of global environmental and energy value of vehicle technologies, di P. Menga (CEI-CIVES) e M. Ceraolo (DSEA) SEB-VT: Analisi LCA-WtW

19 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Scenario Anno Cicli di riferimento: NEDC, Artemis Veicoli considerati ICE Spark ignition (fed by Petrol, Ethanol E85, Natural gas) Compressed ignition (fed by Diesel, Soybean Biodiesel) BEV (Battery Electric Vehicles) Lithium-based battery vehicle HEV (Hybrid Electric Vehicles) Mild hybrid vehicle Plug-in hybrid vehicle FCEV (Fuel Cell Vehicles) PEM-FC Hydrogen vehicle Dati di emissione considerati Emissioni TtW dei veicoli: per i veicoli dotati di ICE, si è ipotizzato che essi emettano esattamente nelle concentrazioni limite stabilite dalla norma EURO5; per gli altri (es. veicoli a biocombustibile) si sono presi dati dalla letteratura Emissioni di tipo WtT: si sono assunti valori ricavabili da studi bibliografici SEB-VT: Analisi LCA-WtW

20 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Criterio di analisi: distinzione tra effetti locali ed effetti globali Effetti localili Emissione di gas inquinanti: CO, HC, NO x, PM Effetti globali Consumo di materie prime: petrolio, gas naturale Consumo di energia Emissione di gas serra: CO 2, CH 4, N 2 O Il potenziale di produzione dell effetto serra viene calcolato l attraverso l espressione: e eq =e(co 2 )+21e(CH 4 )+310 e(n 2 O) Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide: SO 2, NO x,nh 3 Il potenziale di produzione delle piogge acide viene calcolato l attraverso l espressione: p ar =(1/32)e(SO 2 )+(1/46)e(NO x )+(1/17)e(NH 3 ) Effetti locali e globali sono valutati nel ciclo Artemis attraverso l impiego di coefficienti correttivi, prendendo a riferimento i dati ottenuti nel ciclo NEDC SEB-VT: Analisi LCA-WtW

21 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Cicli a confronto Ciclo NEDC Ciclo Artemis SEB-VT: Analisi LCA-WtW

22 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Effetti locali, ciclo reale Vehicle Class Type Fuel ICE mild HEV PHEV (50-50) CI SI CO [g/km] HC [mg/km] NOx [mg/km] PM [mg/km] diesel soybean diesel petrol NG E CI diesel SI SI petrol NG petrol and electricity BEV Li electricity FC PEM hydrogen SEB-VT: Analisi LCA-WtW

23 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Effetti globali, ciclo reale Vehicle CO Pi Primary Oil & Gas 2eq [g/km] Class type fuel ICE mild HEV PHEV (50-50) BEV CI SI Energy [Wh/km] consumption [%] (*) NOx [mg/km] diesel ,3 soybean diesel ( ) ,5 petrol ,0 NG ,8 E85-Corn ( ) ,0 E85-SugarCane ( ) ,1 CI diesel ,0 SI SI petrol ,0 NG ,0 petrol and electricity Li electricity FC PEM electricity ( ) excluding sun energy used to grow crops (*) comparison in energy with typical Euro 3 petrol vehicles SEB-VT: Analisi LCA-WtW 55 (13 oil and 42 gas) 37 (9 oil and 28 gas) 62 (14 oil and 46 gas) , , ,9 FC PEM NG ,3 SO 2 [mg/km]

24 Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Definizione di un indicatore di impatto ambientale Scelta di un veicolo di riferimento vettura a benzina EURO3 Introduzione di alcuni coefficienti di ponderazione per i diversi effetti considerati peso effetti locali: 35% peso effetti globali: 65% Calcolo dell impatto ambientale relativo Impatto relativo del veicolo considerato = Impatto totale del veicolo considerato Impatto totale del veicolo di riferimento Definizione di un ECO-score 1 ECO-score = Impatto relativo del veicolo considerato La difficoltà legata alla presenza di grandezze dimensionalmente diverse è superata grazie al calcolo dell impatto ambientale relativo, nonchè all introduzione di specifiche funzioni di costo (si consiglia di consultare l articolo per ulteriori dettagli) SEB-VT: Analisi LCA-WtW

25 Un esempio di risultati con il metodo globale Risultati Vehicle Class Type Fuel ICE mild HEV PHEV (50-50) SI CI SI Reference Euro 3 petrol Relative Impact Eco-Score Improvement % 1,00 / / diesel 1, soybean diesel 0, % petrol 0, % NG 0, % E85-Corn 0, % E85-SugarCane 0, % CI diesel 0, % SI SI petrol 0, % NG 0, % petrol and electricity 0, % BEV Li electricity 0, % FC PEM electricity 0, % FC PEM NG 0, % SEB-VT: Analisi LCA-WtW

26 Analisi ambientale con il metodo globale: Indicatore normalizzato per le tipologie analizzate ICE CI gasolio Riferimento HEV CI gasolio ICE SI benzina ICE CI biodiesel CI ICE SI mais FC PEM elettrolisi HEV SI benzina ICE SI gas HEV CI gas PHEV SI benzina FC PEM Reforming ICE SI Canna BEV Li 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 SEB-VT: Analisi LCA-WtW 26

27 Un esempio di analisi con il metodo globale Conclusioni La soluzione elettrica appare vantaggiosa, in proporzione al grado di elettrificazione impiegato (mild HEV, PHEV, BEV) Un autovettura Diesel EURO5 ha, globalmente, lo stesso impatto ambientale di un autovettura a benzina EURO3 La validità della soluzione a idrogeno è fortemente influenzata dal metodo di produzione del combustibile; la soluzione che prevede il reforming da gas naturale appare interessante I veicoli a canna da zucchero hanno un impatto molto modesto. Occorre però rilevare che l analisi andrebbe integrata con una valutazione quantitativa dell impatto dovuto all impegno di territorio per la produzione della energia primaria; è facile convincersi che questo renderebbe le soluzioni basate su biocombustibile molto meno competitive di quanto riportato nelle slides precedenti. (*) (*) Analisi quantitative mostrano ad esempio come la coltivazione più promettente, quella di canna da zucchero, richiederebbe un impegno, in Italia, di m 2 per alimentare un autovettura media che percorresse in un anno km SEB-VT: Analisi LCA-WtW