Veicoli a propulsione elettrica e ibrida. Valutazione di impatto ambientale

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1 Veicoli a propulsione elettrica e ibrida Valutazione di impatto ambientale 1

2 Analisi del ciclo di vita (LCA: Life-cycle analysis) (1/2) Estrazione materiali grezzi Costruzione 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). Distribuzione La natura ha un funzionamento circolare: i materiali morti del bosco vengono processati da forze naturali e convertiti in humus riciclaggio e riutilizzo materiali Utilizzo L uomo ha avuto sempre un modello lineare: dalla risorsa primaria al rifiuto. Con la LCA oggi si sta cercando di avvicinarsi al modello circolare della natura 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 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 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. 3

4 Emissioni gas serra intera vita veicolo LCA dei sistemi veicolari costruzione batteria costruzione veicolo estrazione materiali Per confrontare la vita utile dei sistemi veicolari occorre ricorrere ad un'analisi denominata Well-To-Wheels (WTW). vita utile riciclaggio Qui accanto un esempio si LCA avente come unico indicatore le emissioni di gas serra. L'argomento verrà approfondito nel seguito. Dettagli nelle slides seguenti. [1] Boureima et al: Comparative LCA of electric, hybrid, LPG and gasoline cars in Belgian context, Simposio EVS 24, Stavanger

5 Vita utile dei sistemi veicolari Dal pozzo al serbatoio (Well-to-Tank) Dal serbatoio alle ruote (Tank-to-Wheel) La distinzione WtW=WtT + TtW è cruciale: i veicoli elettrici emettono essenzialmente nella WtW, mentre quelli convenzionali soprattutto nella TtW Le emissioni tossiche hanno un impatto differente se emesse in città o in aperta campagna 5

6 Vita utile dei sistemi veicolari Well-to-Tank Tank-to-Wheels % Italia % EU fonti carbone gas petrolio nucleare rinnov. naturale altre fonti Per l'elettrico la parte WtW richiede la considerazione del mix energetico! Il forte contributo di rinnovabile (Italia) e nucleare (Europa) favorisce l'auto elettrica. Per la ricarica notturna andrebbe però considerato il mix notturno (*) Per l'italia il nucleare è esclusivamente di importazione 6

7 Principali indicatori impatto ambientale - acidificazione Acidificazione dell'atmosfera Acid gases that are released into the air or resulting from the reaction of non-acid components of the emissions are taken up by atmospheric precipitations and the falling acid rain forms an acid input which is absorbed by plants, soil and surface waters leading to leaf damage and superacidity of the soil, which in turn affects the solubility and hence availability of plant nutrients plants can take in. This may lead to an increased take up of heavy metals or reduced take up of some plant nutrients and hence negatively affect the growth of plants. Potenziale di acidificazione: metodo dell'so2 ( ) equivalente (in aria) Peq pk mk k Sostanza SO2 NO N2O NO2 H2S pk 1 1,07 0,7 0, Sostanza NH4 NH3 HF pk 0,89 0,93 1,6 Peq è il potenziale in kg di SO2 equivalenti. pk sono i pesi relativi dei vari composti acidificanti ( ) diossido di zolfo 7

8 Principali indicatori impatto ambientale eutrofizzazione Eutrofizzazione Eutrophication (Greek: eutrophia healthy, adequate nutrition, development; German: Eutrophie) or more precisely hypertrophication, is the ecosystem response to the addition of artificial or natural substances, such as nitrates and phosphates, through fertilizers or sewage, to an aquatic system. One example is the "bloom" or great increase of phytoplankton in a water body as a response to increased levels of nutrients. Negative environmental effects include hypoxia, the depletion of oxygen in the water, which induces reductions in specific fish and other animal populations. Potenziale di eutrofizzazione: metodo dell'po 3-4 ( ) equivalente, in acqua Peq pk mk k Peq è il potenziale in kg di PO4 pk sono i pesi relativi Sostanza PO3-4 NOx N2 (*) P4 (*) NH3 pk 1 0,13 0,7 3,07 0,35 ( ) ione fosfato (*) disciolto in acqua 8

9 Principali indicatori impatto ambientale salute umana Human health (secondo Impact 2002+) Unità di misura Livello intermedio Livello danno Livello normalizzato Tossicità kgeq di cloroetilene in aria DALY POINTS Effetti respiratori kgeq PM2.5 in aria DALY POINTS Radiazioni ionizzanti Bqeq carbonio-14 in aria DALY POINTS Svuotamento ozono kgeq CFC-11 in aria DALY POINTS Livello intermedio: come nelle slides precedenti si riportano gli effetti delle varie sostanze in kg di una sostanza equivalente. Livello danno: Disability-Adjusted Life Years Ad esempio un DALY=3 implica perdita di tre anni di vita della popolazione globale (da disabilità è riportata a frazioni di vita) Livello normalizzato: i punti sono persone-anno, e rappresentano il danno ambientale prodotto in un anno da un cittadino europeo medio CFC11=freon 11 9

10 Principali indicatori impatto ambientale effetto serra Global Warming Potential (GWP) 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 CO2 equivalenti SAR (1995) AR4 (2007) CH N2O SF Secondo l AR4, va quindi usata la seguente formula: GWP=e(CO2)+25e(CH4)+298 e(n2o)+22800(sf6) (e = emissioni in g) (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. 10

11 Uno studio di esempio (1) (dati relativi al Belgio) Principali Indicatori di impatto ambientale: Acidificazione dell'atmosfera Eutrofizzazione Tossicità Effetto serra (1) Messagie M., et al: Life Cycle Assessment of conventional and alternative small passenger vehicles in Belgium, Vehicular Propulsion and Power Conference - VPPC

12 Uno studio di esempio - Acidificazione NOTE 1. la riga nera rappresenta i valori al netto del recupero a fine vita 2. In questo studio invece che i kg SO2eq sono usati i kg H+ eq 3. i veicoli BEV sono dotati di batt. Litio, l'hybrid di NiMH 4. Le batterie al Piombo sono solo per i veicoli convenzionali 5. La parte vita utile è la più significativa eccetto che per i BEV, ma anche la costruzione ha notevole rilevanza 6. i dati sono importanti in termini relativi; comunque in termini assoluti sono dovuti all'intera vita del veicolo stimata in km 7. elettricità: mix Belgio 12

13 Uno studio di esempio Acidificazione (2) Risultati notevoli 1. I BEV risultano di gran lunga i più vantaggiosi sull'acidificazione, almeno nel caso belga 2. I veicoli a benzina sono equivalenti ai diesel: il maggior potenziale di acidificazione dovuto alla produzione della benzina è compensato da minori emissioni TTW 3. Sui BEV, per i quali l'impatto durante la vita utile è modesto, ha un'incidenza maggiore la fase di costruzione 13

14 Uno studio di esempio Eutrofizzazione Risultati notevoli 1. Anche sull'eutrofizzazione sussiste un notevole vantaggio dei BEV 2. I veicoli a benzina sono avvantaggiati rispetto ai diesel 14

15 Uno studio di esempio Salute umana Risultati notevoli 1. Anche in questo caso i BEV vincono, con ampio margine. 2. Anche i BEV hanno emissioni TTW dovuti a particolato prodotto da pneumatici e freni 3. Fondamentale per i BEV un efficace riciclaggio, specialmente della batteria 4. Ricordiamo sempre che siamo nel caso Belgio 15

16 Uno studio di esempio (Belgio) Effetto serra (GWP) Risultati notevoli 1. Questo è il settore in cui il BEV ha il maggior margine di vantaggio. 2. Fra i veicoli convenzionali, come è noto, i più svantaggiati sono quelli a benzina Nota Il confronto sul GWP dipende fortemente dal mix produttivo dell'energia elettrica. E' stato osservato come in caso di produzione esclusivamente da carbone il BEV può risultare più impattante di un ICEV. Nei casi di Italia ed Europa, comunque il GWP di BEV è sempre molto inferiore a quello degli ICEV. 16

17 Attenzione al mix per la produzione di energia elettrica! Applicabilità al caso italiano 60 % Italia EU Belgio 10 0 fonti rinnov. carbone gas petrolio nucleare naturale altre fonti Il Belgio si caratterizza per un'elevata presenza di produzione nucleare, a GWP quasi nullo. Sommando però nucleare e rinnovabili la differenza non è molto marcata. (*) Per l'italia il nucleare è esclusivamente di importazione 17

18 Uno altro studio (Caso Italia) Effetto serra 18

19 Effetto serra: di origine antropica? CO2 CH4 I principali gas serra sono rimasti pressoché costanti per anni, e sono improvvisamente variati a partire dalla rivoluzione industriale. N2O ppm 2005 coeff GWP % , ,5 8 0, In particolare la CO2 + stata fra 260 e 280 ppm per anni ed è aumentata a 380 ppm in pochi secoli. Questo porta ad elevata affidabilità della conclusione che gli incrementi siano di origine antropica (grafici e questa conclusione: IPCC-policy makers) 19

20 Verso un confronto globale dei sistemi veicolari Principali Indicatori di impatto ambientale: Acidificazione dell'atmosfera Eutrofizzazione Tossicità Effetto serra Ulteriori indicatori: Emissioni acustiche Sostenibilità di lungo termine. Come mettere insieme tutti questi indicatori per stilare una classifica globale? => Metodo dell'eco-score 20

21 Il metodo globale dell'eco-score 1) elencazione indicatori di impatto ambientale Acidificazione dell'atmosfera Eutrofizzazione Tossicità Effetto serra Emissioni acustiche. 2) scelta di un veicolo di riferimento es. Benzina Euro 4 o Benzina Euro 5 3) individuazione di un sistema di pesi un funzione delle necessità (policy-maker, costruttore, utente finale) V. esempio pag. seguente 4) calcolo dell'eco-score: impatto totale del veicolo di riferimento ECO score impatto totale del veicolo considerato 21

22 Il metodo globale dell'eco-score (2) Esempio di applicazione con pesi esemplificativi pesatura Acidif. Eutrofizz. Salute umana GWP Emissioni acustiche (db) Potenziale Petrol E5 3,95 10,70 2,36 48,59 75 (*) Potenziale BEV 1,78 5,74 1,34 11,87 68 (*) Eco-score parziale 2,22 1,86 1,76 4,09 1,10 Pesi 0,10 0,10 0,30 0,45 0,05 Eco-score Bev/Rif (con i pesi considerati): 2,83 Questo equivale a dire che nelle ipotesi fatte un veicolo di riferimento ha un impatto ambientale triplo rispetto a quello di un BEV. Rif: benzina EURO5 (*) Valori mediati da quanto riportato nello studio: P. Menga, M. Ceraolo: An evaluation of global environmental and energuy value of vehicle technologies, 3 rd European EleDrive Transportation Conference, March 1113, 2008, Geneva-Switzerland 22

23 Attenzione al mix per la produzione di energia elettrica (ancora...) Eco-score Bev/Rif (con i pesi considerati): 2,83 Questo equivale a dire che nelle ipotesi fatte un veicolo di riferimento ha un impatto ambientale triplo rispetto a quello di un BEV. 60 % Italia EU Belgio 10 0 fonti rinnov. carbone gas petrolio nucleare naturale altre fonti Applicabilità al caso italiano Il Belgio si caratterizza per un'elevata presenza di produzione nucleare, a GWP quasi nullo. L'Italia ha però più rinnovabili. Ci si può attendere per il caso italiano un eco-score intorno a 2 (con i pesi usati). (*) Per l'italia il nucleare è esclusivamente di importazione 23

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