EMISSIONI DI GAS SERRA DA TRASPORTO AUTOVEICOLARE, SITUAZIONE ITALIANA E PROSPETTIVE SULLE NUOVE TECNOLOGIE MOTORISTICHE

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1 EMISSIONI DI GAS SERRA DA TRASPORTO AUTOVEICOLARE, SITUAZIONE ITALIANA E PROSPETTIVE SULLE NUOVE TECNOLOGIE MOTORISTICHE Ing. Simone Casadei Ing. Silvia Bertagna Gruppo Ambiente - SSC casadei@ssc.it bertagna@ssc.it

2 EMISSIONI DI GAS SERRA DA TRASPORTO AUTOVEICOLARE, SITUAZIONE ITALIANA E PROSPETTIVE SULLE NUOVE TECNOLOGIE MOTORISTICHE 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia (x12) 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto ibride ed elettriche (x6) 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare (x5) 4. Autoveicoli elettrici ed ibridi: scenari di diffusione in Italia (x2) 5. Prospettive per le altre tecnologie motoristiche (x3) 2

3 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Quasi ¼ delle emissioni totali di GHG in Italia derivano dai trasporti [EEA, 2009] 3

4 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Focus: la CO 2 [Italian Greenhouse Gas Inventory ISPRA, 2010] 4

5 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Focus: la CO 2 [Italian Greenhouse Gas Inventory ISPRA, 2010] Dal 1990 al 2006 le emissioni nazionali di gas serra, espresse in CO 2 eq., sono aumentate del 9,9%. I trasporti risultano, dopo le industrie energetiche, il settore maggiormente responsabile delle emissioni, nonché quello con il tasso di crescita più elevato nel periodo considerato. Questa situazione è attribuibile soprattutto alla continua crescita della domanda di trasporto, sia per i passeggeri sia per le merci, e in particolare all aumento del trasporto su gomma; tali tendenze hanno controbilanciato il miglioramento conseguito nell efficienza energetica dei mezzi di trasporto e l incremento nell uso di carburanti a minori emissioni. 5

6 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Ripartizione delle emissioni di CO 2 nel Macrosettore Trasporti nel % 0.2% 4.2% 0.7% 1.9% Altro [ISPRA, 2010] 6

7 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia L emissione totale di CO 2 dal Settore Trasporto su Strada [ISPRA, 2010] % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Emissione di CO 2 [Gg]

8 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia L emissione totale di CH 4 dal Settore Trasporto su Strada [ISPRA, 2010] % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Emissione di CH 4 [Gg]

9 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia L emissione totale di N 2 O dal Settore Trasporto su Strada [ISPRA, 2010] % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Emissione di N 2O [Gg]

10 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia 10

11 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Il parco autoveicolare italiano al 2009 era costituito da circa 48 milioni di autoveicoli, di cui le autovetture erano 36 milioni (il 76 % circa del totale). 50,000,000 45,000,000 40,000,000 35,000,000 30,000,000 25,000,000 20,000,000 15,000,000 10,000,000 5,000,000 0 Autovetture TOTALE (compresi motocicli, motocarri, autobus, HD) [ACI, 2010] Confronto tra parco circolante autovetture e parco circolante complessivo in Italia: aumento del divario tra i due andamenti dovuto principalmente all incremento significativo del numero di motocicli nell ultimo decennio. 11

12 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Gasolio Benzina Benzina + GPL Benzina + Metano Altro Elettriche 40,000,000 35,000, milioni di autovetture a benzina 30,000,000 25,000,000 13,4 milioni di autovetture a gasolio 20,000,000 15,000,000 10,000,000 5,000, (dati ACI al 31/12/2009) Gasolio Benzina Benzina + GPL Benzina + Metano Elettriche Altro 10 anni fa più dell 80% del parco circolante era costituito da auto a benzina (nel 2009 quasi 40% a gasolio) Costo del gasolio mantenuto decisamente inferiore a quello della benzina e consumi inferiori 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

13 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia % Gasolio Benzina Benzina + GPL Benzina + Metano 10,3 8,8 5,8 13,1 17,4 4,2 23,4 17,3 Variazione relativa annuale della composizione del parco circolante: netto aumento delle autovetture bifuel (benzina/metano benzina/gpl) Costi inferiori rispetto alla benzina e recente incentivazione statale ,1-3,3-2,4-3,5 2007/ / /2008 n. autovetture Benzina + GPL Benzina + Metano Ipotesi di crescita significativa al 2020 (trend basato su incremento tra 2008/2007) anno 13

14 1. Il parco autoveicolare e le emissioni di GHG in Italia Anno 2000 EURO 2 29% EURO 1 20% EURO 0 51% Anno 2006 EURO 3 25% EURO 4 16% Evoluzione della composizione del parco autovetture italiano in funzione del livello di omologazione EURO 0 18% EURO 2 29% EURO 1 12% Anno 2009 EURO 4 33% EURO 0 EURO 5 13% 1% EURO 1 7% EURO 3 23% EURO 2 23% 14

15 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto elettrica I primi prototipi realizzati nel 1830 e alla fine del 1800 venivano prodotti in serie in Europa e U.S.A. tecnologia consolidata riscoperta di recente per problemi energetici (costi e disponibilità combustibili fossili) e ambientali (qualità dell aria, cambiamenti climatici). = Batteria Convertitore Motore Ruote Trasmissione a rapporto fisso (monomarcia) perché la coppia del motore elettrico è costante e massima a tutti i regimi di velocità dell autovettura. Vantaggi maggiore efficienza vs motore termico zero emissioni inquinanti e gas serra possibilità uso energia da fonti rinnovabili netta riduzione inquinamento sonoro Svantaggi prezzo elevato autonomia limitata tempi lunghi di ricarica numero limitato di punti di ricarica 15

16 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto elettrica: prestazioni [Rizzo, 2010] Roadster Tesla Motors Autonomia: 340 km Tempo di ricarica: 3 4 h con ricarica rapida, h domestica Accelerazione km/h: 3,9 s Potenza max: 215 kw a giri/min Coppia max: 371 Nm Velocità max: 212 km/h Ampera Opel(plug-in range extended) Autonomia: regime elettrico 65 km, totale 480 km Tempo di ricarica: 3 h a 120 V, 8 h a 240 V Accelerazione km/h: 9 s Potenza max: 111 kw Coppia max: 370 Nm Velocità max: 161 km/h ion Peugeot Autonomia: 130 km Tempo di ricarica: 30 min a 330 V, 6 h a 220 V Accelerazione km/h: 15,9 s Potenza max: 47 kw da 3500 a 8000 giri/min Coppia max: 180 Nm da 0 a 2500 giri/min Velocità max: 130 km/h 16

17 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto ibrida: struttura e principio di funzionamento L autoveicolo ibrido è caratterizzato dalla presenza a bordo di due o più sorgenti di energia, un convertitore di energia primaria (es. motore a combustione interna) ed uno o più sistemi di accumulo (es. batterie). Grado di ibridazione di un veicolo = Potenza motore elettrico Potenza motore termico Più il coefficiente sale, più l autoveicolo si avvicina all auto elettrica [Ceraolo, 2010] Gestione elettronica complessa 17

18 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto ibrida: configurazioni possibili [ERSE, 2009] Le tipologie di ibrido sono tante perché sono possibili molte combinazioni dei due motori, sia come collegamenti meccanici sia per le potenze e le energie installate 18

19 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto ibrida: terminologia ibrido parallelo micro hybrid : spegnimento automatico del motore in fermata e riavvio in ripartenza ibrido parallelo mild hybrid : come il micro hybrid + recupero di energia anche in fase di frenata ibrido parallelo strong hybrid : miglior recupero in frenata, possibile la modalità di marcia in esclusiva alimentazione elettrica ibrido serie: con un generatore distinto dal motore di trazione, impiegato negli autobus e negli autoveicoli pesanti ibrido plug in : un ibrido qualsiasi che consente la ricarica delle batterie direttamente dalla rete elettrica. 19

20 2. Nuove tecnologie motoristiche: le auto elettriche ed ibride L auto ibrida: terminologia ibrido parallelo micro hybrid : spegnimento automatico del motore in fermata e riavvio in ripartenza ibrido parallelo mild hybrid : come il micro hybrid + recupero di energia anche in fase di frenata ibrido parallelo strong hybrid : miglior recupero in frenata, possibile la modalità di marcia in esclusiva alimentazione elettrica ibrido serie: con un generatore distinto dal motore di trazione, impiegato negli autobus e negli autoveicoli pesanti ibrido plug in : un ibrido qualsiasi che consente la ricarica delle batterie direttamente dalla rete elettrica. 20

21 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare World Energy Outlook - IEA Scenario di Riferimento (BAU, Business As Usual): nessuna implementazione di politiche climatiche da parte dei governi. Scenario 450 ppm: implementazione di iniziative da parte dei governi mondiali finalizzate a contenere la concentrazione massima di CO 2eq. in atmosfera a 450 ppm (la concentrazione attuale di CO 2 eq. in atmosfera è prossima a 390 ppm) aumento massimo della temperatura media globale < 2 C rispetto all era preindustriale (stima modellistica) Scenario 450 ppm VS. Scenario di Riferimento Limite emissivo autoveicoli (in U.E) Esempio Utilizzo biocombustibili 90 g CO2 /km -111Mtdi CO 2 al 2020 (settore trasporto su strada) - 57 Mt di CO 2 21

22 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare Percentuale di autovetture vendute (market share) distinte per tipologia motoristica nei due scenari 50% scenario Veicoli a comb. interna Veicoli ibridi Veicoli ibridi plug-in scenario BAU scenario 450 scenario BAU Veicoli elettrici 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% [IEA, 2009] 22

23 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare Scenario 450 ppm diffusione autoveicoli elettrici/plug in maggiori consumi di elettricità emissioni di CO 2 Emissioni di CO 2 per km distinte per tipologia motoristica e fuel mix per generazione di E.E. al 2030 Veicoli ibridi Veicoli ibridi plug-in Veicoli elettrici Veicoli elettrici Veicoli elettrici Veicoli a comb. Int. [IEA, 2009] (mix energetico) (mix energetico) (en.elettr. da gas, no CCS) (en.elettr. da carbone, no CCS) Scenario 450 ppm Scenario BAU Anno g/km Fuel mix: tutte le tipologie di combustibili utilizzati per la generazione elettrica di un Paese NO CCS = senza tecniche di cattura e sequestro della CO 2 23

24 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare Consumi energetici globali del settore trasporti per fonte ed emissioni di CO 2 (scenario 450 ppm) Scenario 450 ppm Andamento rispetto allo scenario BAU Totale (Mtep) % -10% Petrolio % -18% Gas % -15% Elettricità % 165% Biocombustibili % 109% Altri % -19% Emissioni di CO 2 (Mt) % -18% [IEA, 2009] Lo spostamento dai combustibili fossili tradizionali nella generazione di energia per il trasporto su strada dipenderà dalla diversa caratterizzazione socioeconomica locale. Si prevede, ad esempio, che il Brasile punterà su un ulteriore incremento dell uso di biocombustibili nel 2030, mentre in aree urbane densamente popolate negli U.S.A., in Cina e nell U.E. sarà favorita la diffusione di autoveicoli ibridi plug-in e autoveicoli elettrici. 24

25 3. Proiezioni delle emissioni di CO 2 da trasporto autoveicolare Evoluzione prevista nel market share delle autovetture nel mondo e nell U.E. distinte per tipologia motoristica ed intensità di CO 2 nello scenario 450 ppm miglioramento tecnologia motoristica + aumento dell impiego di biocombustibili + introduzione sul mercato di autoveicoli elettrici e ibridi plug-in netto calo dell intensità emissiva di CO 2 per ogni nuovo autoveicolo venduto sia a livello mondiale che europeo % Scenario 450 ppm GLOBALE Scenario 450 ppm EUROPEO 70 Veicoli elettrici Veicoli ibridi plug-in Veicoli ibridi Veicoli a comb. interna Intensità di CO 2 (g/km) Nell U.E. soprattutto i primi due fattori, porteranno al 2030 a un emissione media di CO 2 per ogni nuovo autoveicolo venduto pari a 70 g/km. [IEA, 2009] 25

26 4. Autoveicoli elettrici ed ibridi: scenari di diffusione in Italia Principali fattori di incertezza dell evoluzione del mercato dell automobile in Italia: evoluzione tecnologica politiche di incentivazione italiane ed europee andamento dell economia e dei settori energetici Uno studio dedicato dell ERSE (Enea Ricerca sul Sistema Elettrico S.p.A.) ha individuato due scenari evolutivi del parco autoveicolare circolante in Italia al 2030: scenario base: riduzione delle emissioni inquinanti a fronte dello svecchiamento del parco autoveicolare, ma contemporaneo aumento delle percorrenze totali degli autoveicoli, aumento del consumo di carburanti e aumento sostanziale delle emissioni di CO 2 scenario diffusione mobilità elettrica/ibrida: riduzione del consumo di carburanti e delle emissioni di CO 2 rispetto alle emissioni del 2005 (pari a circa Gg CO 2 ) 26

27 4. Autoveicoli elettrici ed ibridi: scenari di diffusione in Italia Anno Gg CO 2 Composizione parco auto al % Anno ) Scenario 1 (base): base: GgCO2 2 Anno 2030 Scenario 2 (elettrico/ibrido): Gg CO 2 Scenario 2: % autovetture elettriche, ibride, ibride plug in ( ): 10% 37% In calo mercato degli autoveicoli con motore C.I. (incremento relativo del GPL) Composizione parco auto al % Benzina 14% 7% 41% Die sel GPL Ibride 7% 17% 23% Elettriche plug in 35% Ibride plug in 13% 20% 20% Elaborazione SSC da dati ERSE, 2010 Elaborazione SSC da dati ERSE,

28 5. Prospettive per le altre tecnologie motoristiche Celle a combustibile (Fuel Cell) L auto a idrogeno [Rizzo, 2010] Sono autoveicoli elettrici: l H 2 è iniettato nelle celle a combustibile, dove, reagendo con l O 2 dell aria, viene prodotta elettricità senza alcuna emissione inquinante Pro: le celle a membrana polimerica raggiungono rendimenti tra 50 60%, il tempo di rifornimento (ricarica bombole) è di pochi minuti, occupano poco spazio, zero emissioni dirette (ma emissioni indirette in funzione di come viene prodotto l H 2 ) Contro: applicazioni non ancora mature, solo di tipo sperimentale (fragilità, costi elevati, comportamento a basse temperature, durata limitata delle celle) Motore a combustione interna alimentato con idrogeno l H 2 viene bruciato all interno di un motore a combustione Contro: tutti gli svantaggi delle fuel cell + rendimenti inferiori + emissione di NO x 28

29 5. Prospettive per le altre tecnologie motoristiche Idrometano [Rizzo, 2010] Miscela CH 4 -H 2 composta ad es. dal 70% vol. di CH 4 e dal 30% vol. di H 2 utilizzabile con poche modifiche dagli autoveicoli a metano Combustione più completa e pulita (es. < emissione di NO x ) rispetto alla sola alimentazione a metano Migliori prestazioni (velocità, accelerazione) rispetto all alimentazione a metano (?) Stessi aspetti negativi dell idrogeno + problemi per la sicurezza 29

30 5. Prospettive per le altre tecnologie motoristiche Altre forme di propulsione [Rizzo, 2010] Auto elettrica a pannelli solari prototipi di autovetture elettriche alimentate dall elettricità prodotta da pannelli sui tetti delle auto (scarse prestazioni legate ai bassi rendimenti dei pannelli) applicazioni di pannelli fotovoltaici sui tetti di nuovi modelli di autovetture elettriche o ibride che permettano risparmio energetico (es. alimentazione impianto di condizionamento dell autovettura) Aria compressa prototipi di autovetture il cui moto è generato da un pistone (mosso a sua volta dall aria compressa contenuta in bombole) collegato alle ruote dell auto scarsa efficienza vs auto elettrica, grossi problemi tecnici (formazione ghiaccio) Motore magnetico (ipotesi realizzazione moto perpetuo) assenza di riscontri scientifici teorici e applicazioni pratiche e/o prototipi funzionanti 30

31 Grazie per l attenzione! Domande? 31

32 Bibliografia (1) [1] World Energy Outlook 2009, International Energy Agency (IEA) [2] [3] Climate Stabilization Targets: Emissions, Concentrations, and Impacts over Decades to Millennia. Committee on Stabilization Targets for Atmospheric Greenhouse Gas Concentrations (2010). National Research Council, USA [4] Greenhouse gas emission trends and projections in Europe Tracking progress towards Kyoto targets. EEA Report No 9/2009 [5] Dati tratti dall Annuario Statistico 2010, Automobile Club d Italia [6] Trasporti, analisi e proposte di intervento per la sostenibilità, a cura di G. Messina, ENEA, [7] Dati tratti dall Italian Greenhouse Gas Inventory , ISPRA - Institute for Environmental Protection and Research [8] Valutazione dell impatto dell inserimento di autoveicoli elettrici stradali plug-in sull ambiente (qualità dell aria) alla scala locale ed a quella regionale. ERSE,

33 Bibliografia (2) [9] Stato dell arte sui autoveicoli elettrici: prestazioni dei autoveicoli, progetto di e-mobility, tecnologie di comunicazione, infrastrutture di ricarica, standardizzazione dei componenti. ERSE, [10] Hybrids for road transport. Status and prospects of hybrid technology and the regeneration of energy in road vehicles. European Commission, Joint Research Centre (DG JRC). Institute for Prospective Technological Studies - [11] Scenari di mobilità connessi alla diffusione dei autoveicoli PEV/PHEV. ERSE, [12] Guida all auto ecologica. I prodotti di oggi e le idee per il futuro. Roberto Rizzo. Edizioni Ambiente, [13] Strategie di gestione e controllo dell energia nei veicoli a propulsione ibrida. Massimo Ceraolo, Intervento al Convegno Veicoli elettrici: in Italia a che punto siamo? Rho FieraMilano, novembre [14] Emissioni di GHG da trasporto autoveicolare: proiezioni globali, situazione italiana. S. Bertagna, S. Casadei. La Rivista dei Combustibili e dell Industria Chimica, 2010 volume 64 n.3. Stazione Sperimentale per i Combustibili. 33

34 Fuel cell e motore a idrogeno Celle a combustibile (Fuel Cell) Motore a combustione interna a idrogeno: 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) kj/mol 34