Sfida tecnologica, mercato mancante o paura di riuscire?

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1 di - Università di Bologna DICAM, Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Sfida tecnologica, mercato mancante o paura di riuscire? Lo sviluppo tortuoso dell'auto elettrica Si vede passare, quasi silenziosamente, un veicolo simile ad un uovo, che si tiene in equilibrio solo su due ruote. Il conducente lascia il volante, ma il veicolo continua il suo percorso lungo una traccia invisibile. Dietro se ne avvicina un secondo, simile. Sembra quasi che percepisca la presenza del primo avvicinandosi sempre di più fino a formare un piccolo treno. Ecco la visione della General Motors (GM) per la mobilità nell'anno 2030: un'auto elettrica, piccola, leggera, intelligente e connessa alle infrastrutture circostanti. Un concentrato di tecnologia avanzata dentro un piccolo veicolo a due posti è la risposta di questa casa automobilistica ai problemi urbani legati alla congestione e all'inquinamento atmosferico. Questa visione non è però il risultato di uno sviluppo tecnologico semplice e lineare. Al contrario l'auto elettrica ha vissuto nel corso del secolo un'evoluzione piuttosto difficile e tortuosa. E utile ricordare allora alcuni eventi storici, per capire meglio la complicata relazione tra aziende automobilistiche e sviluppo di auto elettriche e per provare a predire i prossimi passi verso l'elettro-mobilità. La prima auto elettrica è arrivata con un'autonomia garantita di 160 km: sulle strade americane si contano già auto a motore elettrico. Siamo nell'anno 1908 quando l'azienda Fritchle Electric propone la sua macchina elettrica come auto per donne. Nello stesso periodo, Thomas Edison, fondatore della General Electric Corporation, cerca di convincere il suo amico Henry Ford, fondatore della Ford Motor Corporation, a produrre insieme una macchina elettrica a basso costo. Edison afferma di poter sviluppare una batteria meno costosa e più potente. Nel 1914 le aziende di Ford ed Edison completano il prototipo. La nuova batteria di Edison non è però pronta. Dopo due anni i test sulla nuova batteria falliscono e Ford perde ogni interesse a proseguire nello sviluppo della macchina elettrica. I giorni delle macchine elettriche sono comunque contati per ben altri motivi: i motori a benzina garantiscono già un'autonomia superiore e diventano sempre più affidabili, più puliti e meno cari; si sviluppa inoltre una fitta rete di pompe di benzina e il costo del petrolio scende. Infine l'introduzione del motorino di avviamento elimina l'ultimo svantaggio dell'avvio a manovella. Il problema della batteria troppo cara e troppo pesante è un difetto storico che le auto elettriche si sono portate dietro fino ad oggi. Però la faccenda è più complessa. La tecnologia su cui si basa lo sviluppo delle batterie ha fatto in un secolo enormi progressi, tuttavia l'impiego di batterie elettriche nella produzione di automobili non è mai riuscito a radicarsi. Fra gli anni '60 e '80, all'istituto Batelle di Ginevra viene sviluppata, con il supporto della Daimler- Benz e della Volkswagen, una batteria al nichel-metallo idruro (NiMH), che aumenta la densità specifica di energia del 50% rispetto alle tradizionali batterie al piombo. Questa tuttavia viene prima scarsamente impiegata e poi del tutto abbandonata dalle aziende automobilistiche. Negli anni successivi la batteria al NiMH viene ulteriormente migliorata e viene a tutt'oggi prodotta da Panasonic e Sanyo. Un primo timido tentativo di produzione di serie di auto elettriche avviene nel 1990, quando l'agenzia per la protezione dell'atmosfera dello stato di California (abbreviazione in inglese: CARB), rilascia un decreto (lo zero emission vehicle mandate ) che costringe tutte le case automobilistiche a vendere entro il 2003 almeno il 10% di automobili elettriche in California. L'industria automobilistica reagisce, adottando due strategie quasi opposte: ogni casa automobilistica comincia effettivamente a sviluppare e produrre macchine elettriche per soddisfare la quota imposta dalla legge californiana. Esempi sono la EV1 della GM, la Honda EV plus, la Toyota RAV4, la Ford Ranger e Think e la Nissan Altra. Le auto elettriche prodotte non vengono però realmente vendute, ma date solo a noleggio ai clienti. Contemporaneamente le aziende automobilistiche combattono il decreto, sia per vie legali, sia utilizzando strumenti divulgativi che mettono in dubbio i benefici e i vantaggi delle automobili elettriche. Come primo risultato, la GM e le altre aziende del settore riescono ad ottenere il ritiro della legge che impone la quota di produzione del 10% di auto elettriche se queste non vengono richieste dal cliente. Quando la CARB accetta tale modifica, la GM comincia a licenziare lo staff di vendita e chiude la fabbrica di produzione del veicolo EV1. Il secondo colpo arriva nel 2003, quando la GM, la Daimler Crysler ed altre aziende intraprendono vie legali e denunciano il emission vehicle mandate della CARB. La CARB cede e ritira il decreto in modo definitivo. A Filo Diretto Dirigenti Febbraio

2 questo punto le case automobilistiche ritirano tutte le macchine date a noleggio ai clienti. Nessuno dei contratti stipulati prevedeva infatti la possibilità di tenere o comprare la macchina. Molto amata dagli automobilisti è stata la macchina sportiva della GM, la EV1. Il motore elettrico aveva una potenza di 145 cavalli e, con un'accelerazione perfettamente costante, copriva, quasi silenziosamente, da 0 a 100 km/h in 8 secondi. Il ritiro delle ultime EV1 dalla GM è drammatico, alcuni clienti provano a bloccare il carro attrezzi offrendo il pagamento intero della macchina di ca. $ La GM declina però l'offerta e manda le EV1 rimaste, in grande parte ancora nuove, nella pressa per rottami. Molto probabilmente, questa misura drastica venne adottata dalla GM e dalle altre case automobilistiche, per evitare che la legge californiana obbligasse ogni produttore a fornire pezzi di ricambio per almeno 15 anni. Nessuna macchina elettrica doveva più girare sulle strade della California. Tuttavia non è mai stato chiaro perché le aziende automobilistiche si opponessero così fermamente alla produzione di macchine elettriche. Secondo la GM, la macchina EV1 era stata ben pubblicizzata, ma non si vendeva in quanto più costosa di una macchina a combustione interna con prestazioni equivalenti. Si riteneva inoltre che l'auto avesse notevoli limitazioni di autonomia e di tempo per la ricarica delle batterie. Non esistono informazioni sul numero di clienti potenziali, ma ci sono indicazioni certe da parte dei potenziali clienti che la GM non aveva alcun interesse a vendere la EV1. Successivamente, alcune case automobilistiche decisero di promuovere una nuova tecnologia alternativa alla batteria elettrica: la pila a combustibile (in inglese fuel cell) che sarebbe in grado di produrre energia elettrica dall'idrogeno. Questa tecnologia risulta di notevole fascino in quanto l'automobilista è in grado di passare dalla benzina all'idrogeno liquido senza dovere rinunciare all'autonomia e senza produrre emissioni inquinanti, tranne vapore d'acqua. Il governo americano lancia allora nel 2004 un programma da 1,2 miliardi di dollari per lo sviluppo della pila a combustibile e per l'installazione delle infrastrutture per la distribuzione di idrogeno. L'introduzione dell'idrogeno comporta tuttavia una serie di problematiche di non facile risoluzione: l unica pila a combustibile affidabile contiene metalli preziosi, come il platino, che aumenta significativamente il prezzo della macchina; la produzione dell'idrogeno stesso è costosa e non esistono infrastrutture per distribuirlo; infine, l'efficienza energetica complessiva della macchina a idrogeno è simile a quella del motore a combustione interna (intorno al 22%). Nel 2009, il governo di Obama propone di tagliare i fondi per la ricerca sulla pila a combustibile per automobili, la proposta viene tuttavia respinta dal congresso nel Alcune case automobilistiche continuano a fare sviluppo tecnologico basandosi sulla pila a combustibile e alla fine del 2010 la Toyota annuncia che la prima macchina a idrogeno sarà pronta per l'anno 2015 (ad un prezzo di circa $ ). Parallelamente allo sviluppo di tecnologie alternative al motore a combustione, il miglioramento della batteria ricaricabile viene invece sostenuto e realizzato dai produttori di dispositivi elettronici portatili come cellulari o computer, per i quali un alta densità di energia elettrica è fondamentale. Sony è la prima azienda a commercializzare la batteria agli ioni di litio (Li-Iion) che contiene il 30% in più di energia al kg rispetto alla vecchia tecnologia NiMH. La batteria Li-Iion è più cara, ma realizzando una produzione su grande scala, si prevede che il prezzo cali da 600 $/kwh (nel 2010) circa a 250 $/kwh circa. E' grazie allo sviluppo dell'elettronica per l'intrattenimento che la batteria torna ad essere utilizzata per le auto elettriche. Nell'ottobre del 2010, Mirko Hannemann, un fisico dell azienda tedesca Dbm, migliora la batteria a litio-polimero e decide di trasformare una Audi A2 convenzionale in una elettro-mobile. Con una sola carica, Hannemann riesce ad andare da Monaco a Berlino coprendo una distanza record di 600 km. La nuova batteria ha una capacità pari a 3 volte quella delle batterie agli ioni di litio. Nessuna azienda automobilistica ha però fatto a tutt'oggi un'offerta di collaborazione. Per contro, l'auto che ha realizzato il record è stata misteriosamente bruciata nella fabbrica di Berlino. Prima di tentare di dare una spiegazione a questi eventi, diamo uno sguardo alle auto elettriche che possono essere trovate al giorno d'oggi sul mercato. La lenta partenza della macchina elettrica La Nissan Leaf può essere considerata come la prima macchina elettrica prodotta in grande quantità. Ha tutte le caratteristiche di una macchina normale di 22 Filo Diretto Dirigenti Febbraio 2011

3 medie dimensioni (vedi Tab. 1). Le differenze fondamentali sono l'autonomia limitata a ca. 120 km ed un consumo di 2,3 litri equivalenti per 100 km. Per garantire sempre all'automobilista una carica sufficiente, quest'auto è dotata di un display dove è possibile visualizzare una mappa con indicate tutte le stazioni di ricarica raggiungibili con l'energia rimasta. Con il modo quick charge ad alta tensione, il pieno viene fatto in 30 minuti e costa meno di 3. Una ricarica effettuata con la presa di casa (220V) impiega invece circa 16 ore. Nonostante il prezzo di (negli Usa meno di $ compresi incentivi), la Nissan ha già venduto modelli fino a Dicembre Ciò impegnerà l'intera produzione fino a Marzo Già dai primi mesi di vendita della Nissan risulta evidente l'esistenza di una fascia di clienti che è pronta a pagare un prezzo ben superiore pur di possedere un'auto elettrica. Ci si aspetta che la Leaf verrà comprata prevalentemente come seconda auto da clienti spinti da motivazioni ambientaliste o semplicemente come nuovo status symbol. L'uso è naturalmente riservato al pendolarismo casalavoro o ai viaggi brevi. Grazie al costo inferiore dell'energia elettrica (12 cent/ kwh) rispetto alla benzina ( 1,50/litro) quest'auto consente di risparmiare fino a 650 circa ogni km. Tuttavia, nonostante il risparmio energetico, l'acquisto della Leaf non si riesce a giustificare con argomenti economici. Il mercato sembra comunque limitato ed è fortemente dipendente dagli incentivi e dal prezzo del petrolio. Di conseguenza, le previsioni prevedono una quota di auto elettriche vendute nell'anno 2020 Tabella 1 - Caratteristiche delle prime macchine elettriche di serie Numero porte/passeggeri 5 / 5 5 / 4 Lunghezza/larghezza [m] 4,4 / 1,7 3,9 / 1,6 Velocità massima [km/h] Potenza [kw] Autonomia 117 / / 160 (ciclo combinato/city) [km] Efficienza [kwh/km] 0,15-0, Peso totale [kg] 1521(Li-io) 1080(Li-io) Peso batterie [kg] 300 (Li-io) 250 (Li-io) Energia batterie [kwh] Costo batterie [ ] 9000(Li-io) 7500(Li-io) con 375,0 /kwh 1 Costo 2 [ ] di solo il 10%. Alla luce del progresso tecnologico fatto negli ultimi 100 anni, risulta comunque sorprendente che una macchina elettrica a basso costo, così come l'aveva progettata Edison, ancora non sia realtà. 1 Stima del costo per batterie al litio basata sul prezzo di un ricambio di batterie della Nissan Leaf 2 Prezzo di vendita in Europa previsto senza incentivi statali (Li-io) = Batterie al litio, (Pb) = Batterie al piombo. Un'auto elettrica piccola potrebbe migliorare le nostre città Circa l'80% dei cittadini europei vivono in zone urbane, dove il traffico è un problema cronico. Per ridurne gli effetti negativi, un'auto dovrebbe essere innanzitutto piccola e leggera. Già questo aumenterebbe la capacità delle strade, consentirebbe di occupare meno parcheggi, e risulterebbe meno pericoloso per i pedoni. Occorrono inoltre macchine maneggevoli, senza emissioni, silenziose e con un basso consumo di energia nel traffico stop and go. La velocità massima dei veicoli dovrebbe essere limitata perché comunque non si possono superare i 50 km/h nelle aree urbane, e al massimo i 100 km/h per poter accedere alle superstrade. L italiano si sposta mediamente ca. 40 km al giorno, una macchina con 100 km di autonomia sarebbe sufficiente per più del 90% degli automobilisti. In media 1,3 persone occupano una macchina, quindi 2 posti sarebbero più che sufficienti per la maggior parte dei viaggi. Queste specifiche sono quelle tipiche di un'auto elettrica: piccola, leggera e con autonomia limitata, richiede una ridotta quantità di batterie e quindi costi più bassi. Grazie alla possibilità di recuperare l energia di frenata, la macchina elettrica consuma inoltre meno in città che sull autostrada. Ciò che in realtà fa da deterrente all'acquisto di una auto urbana piccola è il fatto che occasionalmente si desidera percorrere più di 100 km al giorno o a Filo Diretto Dirigenti Febbraio

4 volte occorre un bagagliaio più grande. Ad ogni modo, come seconda macchina sarebbe ideale per la maggior parte delle famiglie. Quindi, un mercato latente per macchine a misura di città esiste ed alcune case produttrici di auto piccole, stanno già da anni puntando su quel mercato. Purtroppo una auto elettrica piccola e a basso costo non esiste ancora. Le cause di ciò sono molteplici: da una batteria ancora troppo cara a interessi economico-politici che vedono l'alleanza tra industria del petrolio, governo americano e industria automobilistica. Qui di seguito tenteremo di dare delle spiegazioni alternative al mancato fiorire delle auto elettriche che potrebbero avere (e aver avuto) una influenza decisiva. Meno peso, meno batterie costose Quasi tutte le auto, quelle piccole incluse, hanno aumentato il loro peso nel tempo, ad ogni nuova versione. Ciò è dovuto principalmente all'aumento della quantità di nuovi dispositivi elettro -meccanici ed elettronici forniti con la macchina (è stato introdotto l airbag, l ABS, gli ammortizzatori attivi, etc.). E' stato allora necessario compensare l'aumento di peso con un motore sempre più potente, che a sua volta aumentava ulteriormente il peso dell'auto. Oggi, senza determinati accessori, una macchina non è più percepita come tale. A titolo di esempio, la prima Volkswagen Golf del 1976 pesava 750 kg, la Golf IV del kg. con un aumento di ben 300 kg. Quindi, con meno accessori e meno potenza, è possibile costruire una macchina elettrica più leggera. Riducendo inoltre il numero di dispositivi elettronici si ridurrebbe anche il consumo di elettricità. Ma se anche il veicolo fosse più leggero, quali sarebbero le sue prestazioni e il suo prezzo? Probabilmente, le aziende automobilistiche temono l assenza di domanda per una macchina spartana. In ogni caso, una riduzione di peso si tradurrebbe anche in un valore aggiunto inferiore per i produttori. Lo sviluppo di auto elettriche piccole tuttavia sta prendendo piede rapidamente, e aziende indiane e cinesi hanno già iniziato a produrre e offrire macchine elettriche a basso costo. Esempi sono la nuova Reva NXR o la Electric Nano della Tata Motors. Da notare è il peso di 850 kg della Reva NXR (vedi Tab. 2) in confronto ai 1080 kg della Mitsubishi i-miev. Secondo l azienda Reva, che costruisce solo macchine elettriche, è stato ridotto sistematicamente il peso ed il numero di componenti. Il prezzo annunciato per la Reva NXR scenderà a breve sotto Con un risparmio di 700 all'anno sulla benzina e con 2000 di incentivi, quest'auto potrebbe realisticamente diventare un prodotto competitivo. Ci sono ancora ampi margini per un ulteriore abbassamento dei costi, passando dalla produzione di a macchine all anno. Nel gruppo dell' elettro-mobilità sono da menzionare anche quelle piccole macchine elettriche la cui velocità è limitata per legge a 45 km/h. Tali veicoli sono un esempio ad extremis della filosofia di riduzione di peso, delle batterie, dell autonomia, ma anche del prezzo. Un esempio è dato dalla Birò dell azienda Italiana Estrima (vedi Tab. 2) in vendita a circa 8.328, senza incentivi. Fa male strappare il cuore della macchina Il design e la produzione del motore a combustione interna con il suo sistema di trazione è considerato una competenza chiave dell azienda, e costituisce circa il 30% del valore aggiunto della macchina. Il motore non è da considerarsi come una componente qualsiasi di una macchina. Nella sua progettazione, produzione, assemblaggio ed installazione sono coinvolti ingegneri, operai, e macchine speciali. Secondo una stima dei sindacati, solo in Germania sono direttamente impiegate ca persone nella realizzazione dei motori. Una rapida sostituzione del motore a combustione con un motore elettrico avrebbe effetti disastrosi sia in termini economici, sia in termini umani per gli operai e gli impiegati coinvolti. Le case automobilistiche non hanno competenze particolari nel campo dei motori elettrici, e non sono più leader nella produzione di batterie. Quindi, batterie, motori e invertitori sarebbero acquisiti da aziende esterne. Il valore aggiunto della batteria e del motore elettrico costituiscono fino al 50% della macchina elettrica. Tale valore non resterebbe all'interno dell'azienda produttrice dell'auto ma sarebbe incassato dai produttori di batterie come la Panasonic o la Sanyo. Producendo meno macchine a petrolio, il know-how, in termini di brevetti, accumulato dalle aziende automobilistiche non viene ad essere più valorizzato, e gli investimenti elevati effettuati nei processi di produzione non si possono ammortizzare. 24 Filo Diretto Dirigenti Febbraio 2011

5 In quest ottica appare più comprensibile il comportamento delle case automobilistiche nei confronti dello sviluppo delle auto elettriche: cercano di evitare una loro rapida introduzione, pur lavorando costantemente all'appropriarsi di nuove competenze strategiche da sostituire a quelle raggiunte nell'ambito dei motori a petrolio. Sotto quest'ottica si spiega come mai hanno cominciato ad investire nell idrogeno nel 2003, oppure, recentemente, in macchine futuristiche come quelle del EN-V concept car. Invece, una macchina elettrica a basso costo non è interessante da produrre in massa in quanto rappresenterebbe un serio concorrente per le macchine convenzionali a fronte comunque di guadagni molto bassi. Tabella 2 - Caratteristiche di macchine elettriche leggere Ciò che però probabilmente i produttori di automobili temono ancora di più è il devastante effetto di una macchina modulare a basso costo, dove le componenti chiave della macchina, come ad esempio il motore, diventano interscambiabili. In un mercato simile a quello dei personal computer, si potrebbe scegliere il motore elettrico e la batteria più potente. La carrozzeria diventerebbe allora un argomento secondario, così come il processore e il disco rigido di un PC sono più importanti dell'involucro. Un mercato di questo genere lascerebbe più libertà nella scelta dei componenti, ma diminuirebbe ulteriormente il know-how delle case produttrici di macchine. Numero porte/passeggeri 3 / 4 2 / 2+ piccolo bagaglio Lunghezza /larghezza [m] 3,28 / 1,52 1,74 / 1,03 Velocità massima [km/h] Potenza [kw] 25 4 Autonomia? / 160? / 70 (ciclo combinato/city) [km] Efficienza [kwh/km] Peso totale [kg] 850 (Li-io) 370 (Pb) Peso batterie [kg] ca.175 (Li-io) 125 (Pb) 53 (Li-io) 5 Energia batterie [kwh] 14 4,8 Una piccola previsione Le grandi aziende continueranno a sviluppare automobili elettriche e ibride, con il comfort delle macchine di oggi, ma ad un prezzo intorno ai Contemporaneamente nuovi produttori emergeranno con la loro produzione di piccole macchine elettriche con accessori ridotti. Questi nuovi produttori cercheranno di aumentare la produzione e di abbassare i costi, e alcuni collaboreranno con le grandi case automobilistiche. Il prezzo per una macchina come la Reva potrebbe scendere ben sotto i , batterie incluse. Tuttavia la velocità con cui si passerà alla produzione di massa dipenderà sia dalle trattative con le grande industrie, sia dagli eventuali incentivi o dalle barriere alle importazione imposte dai governi dei paesi sviluppati. Lo sviluppo di nuove tecnologie per batterie, come quella della azienda Dbm, potrebbero potenzialmente dare una spinta decisiva verso la produzione di massa del motore elettrico. Una conseguente più larga diffusione delle macchine elettriche limiterebbe in modo significativo gli effetti negativi del traffico sulle città. Per concludere, la macchina elettrica a basso costo di Edison, forse è più vicina di quanto si pensi e l industria automobilistica sarà dunque costretta a riciclarsi rapidamente. Costo batterie [ ] 5250 (Li-io) 1616 (Li-io) 5 con 375,0 /kwh 1 Prezzo di vendita 2 [ ] (Li-io) (Pb) (Pb) 4 1 Stima del costo per batterie al litio basata sul prezzo di un ricambio di batterie della Nissan Leaf 2 Prezzo di vendita in Europa previsto senza incentivi statali 3 Versione Intercity prezzo con batterie (o più una quota mensile per le batterie) 4 Versione City con 80 km di autonomia, 80km/h e batteria al piombo 5 Stima (al momento Estrima Birò non viene offerta con batterie al litio) (Li-io) = Batterie al litio, (Pb) = Batterie al piombo Filo Diretto Dirigenti Febbraio