Sviluppare la mobilità elettrica

Sviluppare la mobilità elettrica Tecnologie, ambiente, infrastrutture, mercato e regole Realizzato in collaborazione con gli Esperti Soci della Fondazione EnergyLab a cura di Lanfranco Senn Settembre 2011 Gieedizioni

GieEdizioni, Roma 2011 Fondazione EnergyLab, Milano 2011 Gestione del progetto Silvio Bosetti Editing Alessandro Seregni Segreteria di redazione Donato Lombardi Coordinamento editoriale Mauro Bozzola e Alessia Guadalupi Grafica copertina e interni Alessandro Tonet Stampa Grafica Metelliana - Cava dei Tirreni (SA) Fondazione EnergyLab Piazza Trento, 13 20135 Milano Tel. +39 02 7720.5265 Fax. +39 02 7720.5060 info@energylabfoundation.org www.energylabfoundation.org GieEdizioni è un marchio Gruppo Italia Energia Via Piave, 7 00187 Roma Tel. +39 06 4547.9150 Fax. +39 06 4547.9172 info@gruppoitaliaenergia.it www.gruppoitaliaenergia.it ISBN 978-88-97342-07-6 Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta in qualsiasi forma e con qualsiasi mezzo elettronico, meccanico o altro, senza l autorizzazione scritta dei proprietari dei diritti e dell editore.

A cura di: Lanfranco Senn Università Commerciale Luigi Bocconi Autori Ugo Arrigo Moris Brenna Stefano Campanari Allegra Canepa Silvia Celaschi Lucia Dal Negro Giacomo Di Foggia Federica Foiadelli Iva Gianinoni Pierpaolo Girardi Gabriele Grea Giuseppe Maurizio Riva Dario Zaninelli Roberto Zoboli Università degli Studi di Milano-Bicocca Politecnico di Milano Politecnico di Milano Università degli Studi di Milano Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA Università Cattolica del Sacro Cuore Università Carlo Cattaneo LIUC Politecnico di Milano Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA Università Commerciale Luigi Bocconi Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA Politecnico di Milano Università Cattolica del Sacro Cuore

Le competenze: gli Esperti Soci di EnergyLab Università Commerciale Luigi Bocconi Università Cattolica del Sacro Cuore Politecnico di Milano Università degli Studi di Milano-Bicocca Università degli Studi di Milano Ricerca Sistema Energetico RSE SpA

INDICE Le questioni affrontate e le principali conclusioni (Executive Summary) 11 CAPITOLO 1. Modelli di mobilità sostenibile 23 24 1.1.1 Introduzione 24 1.1.2 Veicoli elettrici (BEV) e ibridi elettrici (HEV, PHEV) 25 1.1.3 Veicoli elettrici a fuel cell (FCEV) 26 1.1.4 Veicoli a motore a combustione interna (ICE) 28 31 1.2.1 La strategia energetica europea e la conseguente revisione delle politiche dei trasporti 31 34 1.3.1 Considerazioni generali 34 35 1.4.1 Premessa 35 1.4.2 Cenni alle determinanti teoriche dei sistemi di mobilità 35 1.4.3 Le caratteristiche dei modelli di mobilità urbana 37 1.4.4 Alcuni esempi virtuosi 38 1.4.5 Il contesto lombardo 40 1.4.6 Elementi caratteristici della mobilità lombarda 42 1.4.7 Sviluppare modelli innovativi e sostenibili 43 45 CAPITOLO 2. Stato dell arte delle tecnologie dei veicoli elettrici e sviluppi attesi 47 2.2.1 Tipologie di veicoli e applicazioni nel trasporto su strada 49 2.2.2 Grado di sviluppo ed evoluzione del mercato 54 2.2.3 Aree critiche e necessità di ricerca e sviluppo 58 2.3.1 Dimensionamento e parametri caratteristici 60 2.3.2 Opzioni tecnologiche e recenti sviluppi per applicazioni veicolari 64 2.4.1 La tecnologia delle fuel cells PEM 78 2.4.2 Tecnologie di stoccaggio dell idrogeno 81 48 49 60 70 87 91 CAPITOLO 3. Analisi della domanda ed accettazione sociale 99 100 100 7

Sviluppare la mobilità elettrica 3.3.1 Stati Uniti 104 3.3.2 Europa 108 3.3.3 Scala globale 111 104 115 118 123 127 129 CAPITOLO 4. Introduzione dei veicoli elettrici nel sistema elettrico 133 4.3.1 Impatto dei veicoli elettrici sul sistema di distribuzione 143 4.3.2 Dalle reti di distribuzione alle Smart Grid 145 4.3.3 Connessione dei veicoli elettrici alla rete elettrica 153 4.3.4 Standard per veicoli elettrici 161 134 135 142 164 170 CAPITOLO 5. Analisi di sistema 171 172 5.1.1 LCO 2 : Analisi delle emissioni di anidride carbonica lungo il ciclo di vita (LCA) 172 5.1.2 Bilanci WTW di veicoli a fuel cells e confronto con veicoli BEV 181 5.1.3 La qualità dell aria, i veicoli elettrici, la produzione termoelettrica 184 190 5.2.1 La filiera produttiva 190 5.2.2 Focus: la produzione di batterie 192 5.2.3 I nuovi modelli di business 192 5.2.4 Prospettive e opportunità 195 5.2.5 Focus: la filiera dell auto elettrica e il tessuto produttivo lombardo 197 199 5.3.1 Le determinanti di scelta delle caratteristiche della rete di infrastrutture di ricarica 200 5.3.2 La ricarica in luoghi privati 201 5.3.3 La ricarica in luoghi pubblici 202 5.3.4 Infrastrutture di ricarica e servizi di mobilità collettiva sostenibile 203 204 5.4.1 Il quadro normativo europeo 204 5.4.2 La proposta di applicazione obbligatoria del Regolamento n. 100 205 5.4.3 Il meccanismo dei c.d. supercrediti 205 5.4.4 Gli aspetti per i quali è in corso di valutazione l introduzione di una disciplina specifica 206 5.4.5 La situazione italiana 208 217 8

Indice CAPITOLO 6. Rassegna di esperienze e casi pilota internazionali 221 6.2.1 I costi dell infrastruttura e della ricarica dei veicoli elettrici 227 6.2.2 Esperienze di progetti dimostrativi europei 229 6.2.3 Analogie e differenze tra i progetti dimostrativi in Europa 242 6.2.4 Il progetto europeo Green e-motion 244 222 6.3.1 L infrastruttura di distribuzione del progetto europeo ZeroRegio 247 6.3.2 L infrastruttura di distribuzione del progetto europeo HyFleet: Cute 248 ABBREVIAZIONI e SIGLE 253 246 250 9

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Executive Summary Le questioni affrontate e le principali conclusioni Il tema della Mobilità Sostenibile è oggetto di uno dei Laboratori della Fondazione EnergyLab. Come ognuno degli altri Laboratori (sul Nucleare, sulle Energie Rinnovabili, sulle Smart Grid, sull Accesso all Energia), anche quello sulla Mobilità Sostenibile svolge una serie di attività che variano dalla ricerca alla realizzazione di seminari e convegni e a una serie di incontri con esperti e operatori. Scopo di tutti i Laboratori è quello di coinvolgere studiosi, protagonisti e decisori nella promozione scientifica, culturale e professionale di temi energetici di assoluta preminenza per lo sviluppo del Paese. In questo quadro si motiva anche la scelta di dare avvio a un Laboratorio sulla Mobilità Sostenibile. Infatti la mobilità, specie nelle aree urbane e metropolitane a grande concentrazione demografica e produttiva, è talmente intensa da generare, per chi vi abita e vi lavora, particolari categorie di costi economici e sociali (le cosiddette esternalità negative ) di cui non è ricostruibile una responsabilità diretta e individuale, ma che abbassano significativamente la qualità della vita: congestione e inquinamento. Come mostrano alcuni dati riportati di seguito il quadro della mobilità urbana negli ultimi anni, rivela alcune criticità nella sua evoluzione. A) Gli indicatori strutturali della domanda (Figure 1-2) B) La mobilità privata (Figure 3-4) 11

Sviluppare la mobilità elettrica C) La mobilità pubblica (Figure 5-6) D) Le performance delle aziende di Tpl (Figure 7-8) Fonte: ISFORT-Asstra, Osservatorio permanente sulla Mobilità Urbana Sostenibile, edizione 2010 I grafici riportati segnalano che la domanda di mobilità, nel suo complesso, è in costante crescita tendenziale, sia in termini di spostamenti che di percorrenze totali. La domanda di mobilità viene soddisfatta in grande misura dalla motorizzazione privata, in costante crescita, soprattutto nei grandi agglomerati urbani. Al contrario, la quota degli spostamenti pubblici rivela trend decrescenti anche se ovviamente soprattutto nelle grandi città si assiste a una lieve crescita del trasporto su ferro. Dal lato dell offerta è da notare un miglioramento delle performance delle aziende di trasporto pubblico locale, frutto dell auspicata e peraltro inevitabile razionalizzazione del settore. Le conseguenze ambientali di questa situazione sono ben illustrate dal VI Rapporto annuale sulla Qualità dell ambiente urbano, dell Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale (ISPRA) che ha evidenziato come alcuni obiettivi di qualità dell aria sono stati raggiunti su tutto il territorio nazionale per alcuni inquinanti primari, ovvero quelli emessi direttamente dalle sorgenti (es.: SO 2, CO, Pb). Per questi inquinanti la riduzione delle emissioni deriva direttamente dalla eliminazione/riduzione dell inquinante nei combustibili e/o dall introduzione di dispositivi di abbattimento. Al contrario, altri obiettivi di qualità dell aria posti per inquinanti sia primari che secondari (che si formano in atmosfera attraverso reazioni chimiche, es.: PM10, NO 2, O 3 ) non sono stati raggiunti. Sempre il Rapporto sulla qualità dell ambiente urbano osserva che la maggior parte delle emissioni di inquinanti in atmosfera è in diminuzione soprattutto per quanto riguarda gli inquinanti primari, grazie, come è già stato detto, alla eliminazione diretta degli inquinanti nei combustibili e/o all adozione di tecniche di abbattimento. Per altri inquinanti la riduzione delle emissioni è stata finora meno efficace. Si veda ad esempio la figura seguente, dove sono presentati gli 12

Executive Summary andamenti nel tempo delle emissioni annuali relativi all utilizzo delle automobili, unitamente ad alcuni indicatori significativi. Per gli autoveicoli le emissioni di CO 2 sono cresciute con un trend più lento rispetto ai chilometri percorsi, grazie all aumento di rendimento dei motori a combustione e in particolare dei motori a gasolio. La drastica riduzione del contenuto di zolfo nella benzina e nel gasolio ha portato pressoché alla scomparsa delle emissioni di SO 2 e l adozione di normative sempre più stringenti sulle emissioni dei veicoli a motore ha portato a una significativa riduzione delle emissioni di ossidi di azoto e particolato fine, che attualmente si attestano attorno al 50% dei relativi valori del 1990. Figura 9. Trend dei chilometri percorsi dagli autoveicoli e relative emissioni inquinanti Fonte: Elaborazione RSE su dati ISPRA Ogni tentativo di intervenire sulla mobilità per ridurre congestione e inquinamento in modo da rendere la vita qualitativamente migliore fa dunque parte di quelle politiche che aspirano a rendere sostenibile la mobilità, nello spazio e nel tempo. I tentativi sono molteplici, a conferma di una consapevolezza diffusa della serietà del problema, ma anche della complessità delle soluzioni da implementare per conseguire risultati efficaci. Si va dall impegno di molte case automobilistiche nel pensare a veicoli mossi da fonti energetiche diverse dalla benzina a quello dei produttori di carburanti e di dispositivi per ridurre emissioni nocive nell aria; dallo sviluppo delle tecnologie di infomobilità ai materiali con cui sono realizzate alcune infrastrutture (per l assorbimento delle polveri e del rumore); dai tentativi di riequilibrio modale del trasporto su gomma e su ferro (oltre che sull acqua) di passeggeri e merci alla riorganizzazione del trasporto pubblico e privato. Si impostano persino politiche di assetto urbanistico e territoriale che rendano la mobilità più fluida. Parlare di mobilità sostenibile, ma soprattutto cercare di realizzarla, è dunque una sfida di grande complessità e grande rilievo. Il Laboratorio per la Mobilità Sostenibile della Fondazione EnergyLab ha l ambizione di contribuire a cogliere questa sfida, ma al tempo stesso ha la coscienza che non si può affrontare il problema contemporaneamente sotto tutti i punti di vista. 13

Sviluppare la mobilità elettrica Ha perciò scelto, per iniziare la sua attività di promozione culturale e tecnica, di affrontare almeno una delle soluzioni possibili: quella dell introduzione e diffusione della mobilità elettrica. Già questa è una sfida di grande complessità per l interdipendenza tra i numerosi fattori in gioco. Il primo Rapporto sulla Mobilità Sostenibile, frutto del lavoro iniziale del Laboratorio, ha cercato di affrontare, in un ottica fortemente multidisciplinare, tutti questi fattori. È per questo che esso è stato organizzato in sette capitoli, che hanno cercato di toccare i vari temi, valorizzando tutte le competenze tecnico-scientifiche presenti nelle Università e nei Centri di Ricerca milanesi che aderiscono al Laboratorio. Il Capitolo 1 (Modelli di mobilità sostenibile) mostra in modo sintetico quali esiti possano emergere dalle numerose combinazioni delle tecnologie elettriche adottate, dal contesto giuridico-regolatorio, dagli orientamenti e comportamenti della domanda dei potenziali utilizzatori di mobilità elettrica. Il Capitolo 2 (Stato dell arte delle tecnologie dei veicoli elettrici e sviluppi attesi) passa in rassegna le tecnologie più mature dei veicoli elettrici, alcune già in produzione e altre avviate in via sperimentale, nonché i sistemi di accumulo dell energia nelle varie forme e caratteristiche delle batterie; senza rinunciare ad aprire lo sguardo sulle tecnologie a celle a combustibile e le problematiche ancora aperte delle loro applicazioni. Il Capitolo 3 (Analisi della domanda e accettazione sociale) rivela, anche attraverso l analisi di alcune indagini empiriche, che neppure la domanda dei veicoli elettrici è univoca. Esistono titubanze, sospetti, oggettivi problemi di costo e aspettative incerte sugli effetti di eventuali incentivi. Ciò non contribuisce a dare certezze di mercato ai produttori e ai decisori politico-amministrativi. Il Capitolo 4 (Introduzione dei veicoli elettrici nel sistema elettrico) mostra che la mobilità elettrica è inevitabilmente legata alla produzione e alla distribuzione dell energia elettrica alla quale deve attingere; analizza quali siano le connessioni possibili dei veicoli elettrici alla rete (problema delle ricariche ); esamina alcune soluzioni adottate dai costruttori e valuta quali siano ad oggi i benefici e le opportunità (incentivi e regolazione) del consumo di energia elettrica da parte dei veicoli che ne fanno uso. Il Capitolo 5 (Analisi di sistema) allarga la visione degli interessi dei produttori e degli utilizzatori di veicoli elettrici per verificare quali siano le principali implicazioni dello sviluppo della mobilità elettrica: dai benefici ambientali ed energetici all impatto sull indotto di tutta la filiera automotive connessa, alle implicazioni di natura urbanistica è più in generale di organizzazione del territorio, alla necessità di intervento di adattamento e incentivazione della normativa perché la mobilità elettrica possa svilupparsi. Infine, il Capitolo 6 (Rassegna di esperienze e casi pilota internazionali) esamina alcune esperienze pilota già avviate in altri Paesi per mettere in luce non solo la fattibilità della mobilità sostenibile, ma anche le prassi più virtuose da cui apprendere per incentivare la diffusione della mobilità elettrica. In questa prima edizione del Rapporto si è scelto di non analizzare analoghi casi pilota in Italia perché ancora assai iniziali e in fase di consolidamento. 14

Executive Summary Figura 10. Panoramica dei piani di incentivazione della mobilità elettrica in Europa Fonte: Menga, 2010 Trarre conclusioni da un Rapporto che si è posto l obiettivo di iniziare a passare in rassegna i vari problemi concernenti la diffusione della mobilità elettrica in Italia sarebbe indubbiamente ambizioso e presuntuoso. D altro canto, su una questione in particolare gli studi svolti dagli studiosi del Laboratorio convengono in modo condiviso: la sfida della diffusione della mobilità elettrica dipende essenzialmente dal modo e dai tempi con cui si riuscirà a innescare in modo irreversibile il processo di avvio. È indubbio infatti che, a fronte di una radicata convinzione che la mobilità elettrica avrà un futuro, che questo futuro ne vedrà una larga diffusione e che questa diffusione porterà a rilevanti benefici per la società sul piano ambientale, economico, sociale e trasportistico esistono alcuni fattori ostativi, o quantomeno problematici, a un rapido sviluppo della mobilità elettrica. Tali fattori sono riconducibili: a) alla percezione da parte dei vari produttori di veicoli, batterie, tecnologie associate, ecc. del potenziale di business rappresentato dalla mobilità elettrica e quindi dalla grande competizione in essere, con scarsa propensione ad alleanze, in particolare in questa fase pioneristica; 15

Sviluppare la mobilità elettrica b) alla difficoltà culturale della domanda, la cui reazione di fronte a stimoli di mercato (prezzi, qualità, prestazioni) non è ancora capace di guardare lontano ed è pertanto (anche comprensibilmente) condizionata dalle caratteristiche dell offerta di oggi (costi, ricariche, difficoltà logistiche, ecc.); c) alla lentezza (e complessità) decisionale delle Pubbliche Amministrazioni implicate, che se da una parte devono guardare a un ampia varietà di problemi (salvaguardia dei mercati alternativi, politiche energetiche complessive, interventi urbanistici, tariffazioni e incentivazioni) che pongono una complessa sfida regolatoria, dall altra sono comunque sensibili a una serie di interessi in conflitto e quindi non sono sufficientemente convergenti e determinate delle loro scelte; d) alle resistenze, espresse in varia forma e decisione, da parte degli attori di altri mercati e filiere della mobilità: dai produttori di veicoli a quelli di carburanti, dagli erogatori di servizi di mobilità ai sindacati; e) ad alcuni problemi tecnici e tecnologici che ancora caratterizzano il settore (o la filiera), soprattutto in termini di convenienza economica nell adottare nel breve, medio e lungo periodo- soluzioni alternative. Meno costringenti sembrano invece le tecnologie in quanto tali, per la gran parte oggi già disponibili e sufficientemente testate. In termini generali, si potrebbe affermare che il problema più grosso per una sollecita diffusione della mobilità elettrica (non solo nel nostro Paese), è rappresentato dalla necessità di favorire soluzioni (comunque efficaci) che consentano l incontro contestuale dei diversi interessi in gioco. Domanda e offerta non riescono ancora a fidarsi sufficientemente l una dell altra per scommettere insieme sull attivazione di un processo irreversibile di introduzione della mobilità elettrica. I consumatori attendono che i prezzi scendano, ma i produttori non sono in grado di annunciarne (e realizzarne) la discesa senza che la domanda si pronunci più esplicitamente. Le amministrazioni locali d altra parte attendono di capire la soglia dimensionale stabile alla quale si attesterà la mobilità elettrica per provvedere alle necessarie infrastrutture. La circolarità delle scelte va innescata tentativamente in modo simultaneo per non giustificare gli alibi e le resistenze dei vari interessi in gioco. Se queste sono le conclusioni generali, ogni parte della ricerca ha offerto stimoli di riflessione anche assai puntuali, che si cerca in queste conclusioni di esaminare in modo trasversale (e non necessariamente suddivise per capitoli). Queste conclusioni evidenziano alcuni aspetti ormai condivisi e una serie di criticità ancora aperte. Nella circolarità tra evoluzione dell offerta ed evoluzione della domanda di mobilità elettrica, è indubbio che la prima sia più matura, abbia avviato e in gran parte consolidato gli investimenti in ricerca e innovazione tecnologica realizzando ormai fasi anche avanzate di produzione sperimentale. Infatti, i veicoli con propulsione elettrica sono caratterizzati dalla più alta efficienza del motore tra i sistemi di propulsione oggi esistenti e da emissioni zero allo scarico. In effetti, dopo decenni di fasi alterne di abbandono e di rinnovato interesse, oggi tutte le grandi case automobilistiche paiono cogliere questa interessante opportunità di rilancio di un settore in crisi offrendo nei loro 16

Executive Summary listini, attuali o a uno-due anni, una o più opzioni elettriche, a batteria e/o di tipo ibrido ricaricabile da rete. Gli esperti del settore hanno riconosciuto nel 2010 la maturità della tecnologia, attribuendo per la prima volta il premio di Auto dell Anno a modelli elettrici o ibridi plug-in in fase di uscita sul mercato. Per l accumulo di energia a bordo auto le batterie più utilizzate sono quelle agli ioni di Litio, caratterizzate da densità di energia sufficienti a garantire un autonomia di oltre 150 chilometri (più che idonea in particolare per gli utilizzi in ambito urbano) e da un numero di cicli di carica/scarica in grado di consentire alle auto elettriche percorrenze dell ordine di quelle tipiche delle auto convenzionali. Alcune previsioni comunitarie individuano il potenziale di mercato dei veicoli elettrici da un 1-2% delle vendite nel 2020 a un range compreso tra l 11% e il 30% nel 2030. Per il medio-lungo termine l impiego di veicoli elettrici con celle a combustibile, alimentate a idrogeno, rappresenta una delle alternative più promettenti per affiancare la tecnologia dei veicoli elettrici a batteria: la loro potenzialità in termini di bassi consumi e di emissioni inquinanti nulle e la possibilità di operare su veicoli anche di media e grande taglia o su veicoli pesanti ne promuove la candidatura come elemento fondamentale della propulsione veicolare per il trasporto del prossimo futuro. Ampi programmi di ricerca e sviluppo sono condotti in Nord America, Europa e Giappone, da parte di diversi costruttori, che hanno portato a provare in campo vetture a fuel cell che offrono prestazioni, abitabilità e comfort paragonabili a quelle di un veicolo tradizionale. A partire da questi risultati l attenzione si è spostata verso la possibilità di un effettiva commercializzazione dei veicoli, che possa beneficiare dei vantaggi dati dalle economie di scala e da una produzione di massa. Le applicazioni più recenti hanno spaziato dalle automobili di vari segmenti (principalmente medio-piccole), agli autobus o agli scooter. Perché l idrogeno possa diventare un combustibile diffuso, in aggiunta a individuare le tecnologie di stoccaggio più idonee, si dovrà realizzare una rete efficace di trasporto e distribuzione, con i requisiti ai quali l utenza è abituata con i combustibili tradizionali. La transizione a un ampio uso dell idrogeno potrà presumibilmente avvenire solo gradualmente nel medio-lungo termine, a partire da una sperimentazione in prossimità di aree urbane sviluppando dei punti di distribuzione per flotte di veicoli circolanti entro un raggio di chilometri limitato; eventualmente utilizzando nel frattempo veicoli a fuel cell dotati di sistemi di produzione di idrogeno a bordo, a partire da altri combustibili liquidi (biocombustibili, metanolo, GPL) o gassosi (gas naturale o miscele con idrogeno) più facilmente inseribili o già presenti nell attuale rete di distribuzione. Sul piano della domanda, allo stato attuale, nonostante una diffusa e crescente sensibilità dei consumatori verso l ambiente, la disponibilità dei consumatori a cambiare comportamenti di mobilità e di guida muovendo verso la mobilità elettrica rimane un incognita. Le informazioni sui profili degli early adopters e dei consumatori mainstream nei diversi mercati potenziali rimangono limitate, sia per la novità della tecnologia elettrica sia perché le scelte generali dei consumatori in tema di auto e mobilità sono complesse e poco prevedibili. Il profilo dell acquirente potenziale di veicoli elettrici in Europa è quello di un/una giovane di reddito medio-alto, di elevata istruzione e residente in area urbana. A fronte degli early adopter con tali caratteristiche, emergono sia categorie che non saranno acquirenti di veicoli elettrici (rurali, basso reddito, bassa istruzione) sia una certa propensione ad attendere che i veicoli elettrici diventino più maturi e affidabili. Ciò caratterizza al presente il mercato delle elettriche come una 17

Sviluppare la mobilità elettrica nicchia. Il decollo dell auto elettrica presso i consumatori deve superare ostacoli di costo e comparabilità sia rispetto alla mobilità tradizionale sia rispetto alle alternative costituite da veicoli a basso impatto. Il fattore costo rimane significativo insieme al problema della ricarica e dell autonomia di percorrenza. Solo con adeguate combinazioni dei tre fattori, che eliminino lo svantaggio percepito dei veicoli elettrici, si aprirebbe una maggiore disponibilità da parte dei consumatori. Per quanto riguarda i driver della domanda di mobilità elettrica e il loro contributo alla definizione di modelli di mobilità futuri, è ad oggi difficile isolare le motivazioni ambientali in quanto tali, dal momento che esse risultano fortemente connesse ai contesti sociale e localizzativo di riferimento. L indicazione principale che traspare dall analisi è che la motivazione ambientale non sia sufficiente laddove non sostenuta da miglioramenti di carattere tecnologico (autonomia, affidabilità), di convenienza economica (costi, incentivi) e di carattere psicologico (i nuovi veicoli devono trovare una contestazione di nicchia quali prodotti ad elevato tasso di innovazione e in qualche modo divenire elemento distintivo di uno stile di vita, almeno nelle fasi iniziali). Domanda e offerta, peraltro, non potranno che incontrarsi in contesti complessivi, caratterizzati dal quadro normativo-istituzionale, dagli assetti territoriali, dall interfacciamento con il sistema elettrico, dagli impatti che genererà la mobilità elettrica e quindi del grado della sua accettazione sociale. Per quanto riguarda le questioni normative, la disciplina delle questioni relative allo sviluppo e all affermazione dell auto elettrica appare ancora in itinere, con un avanzamento differente fra livello europeo e nazionale. In particolare, l Unione Europea, oltre ad alcune direttive e piani di azione volti a delineare una strategia per i mezzi elettrici, sta lavorando per l introduzione di parametri europei per la circolazione e la diffusione dei veicoli elettrici. Esempi interessanti in questo senso sono offerti dalla proposta di applicazione obbligatoria del regolamento sull omologazione dei veicoli a motore ai fini di una semplificazione amministrativa o dall introduzione del meccanismo dei supercrediti per incentivare la messa in circolazione di veicoli elettrici. Sempre a livello europeo è stata più volte sottolineata l importanza che i veicoli elettrici possono avere nella riduzione delle emissioni prodotte nel settore dei trasporti contribuendo così al raggiungimento degli obiettivi prefissati per il 2020. In questo quadro si inserisce anche la riflessione sull opportunità di valutare il legame fra produzione di energie rinnovabili e soddisfazione dell incremento di fabbisogno energetico a seguito della diffusione su larga scala dei veicoli elettrici. Coerentemente agli aspetti giuridici e regolatori, le indicazioni di policy fornite a livello comunitario sono volte alla promozione di una mobilità privata a basse emissioni di carbonio, basata su un elevata efficienza energetica e su un crescente utilizzo delle fonti rinnovabili per la produzione energetica. La strategia comunitaria sottolinea la necessità di perseguire tali obiettivi attraverso un pacchetto di misure, fra le quali lo sviluppo di una rete infrastrutturale a supporto della mobilità elettrica e il varo dell iniziativa Green cars per la promozione di nuove tecnologie attraverso la combinazione di ricerca, definizione di standard comuni e politiche infrastrutturali. Sul piano nazionale la situazione appare più complessa. Attualmente infatti sono in discussione in Parlamento due proposte di legge sul tema, la cui sorte appare ancora incerta sia nei tempi 18

Executive Summary che nell esito. In particolare soprattutto una delle due (la c.d. proposta Ghiglia) ha il merito di tentate di affrontare in modo organico il tema auto elettrica disciplinando aspetti di incentivazione, edilizi, infrastrutturali, ecc., ma presenta anche delle criticità, fra le quali principalmente la mancanza di copertura finanziaria per gli interventi previsti. Di notevole interesse appaiono nello scenario italiano gli interventi finora adottati dall AEEG, sia perché risolvono alcuni problemi tecnici (es. possibilità di introduzione di più punti di ricarica negli edifici privati) sia perché cercano di delineare possibili soluzioni per alcune delle principali questioni da risolvere per arrivare a una piena diffusione dei veicoli elettrici (es. organizzazione del servizio di ricarica, questioni tariffarie, rete di ricarica, possibile ricorso alle Smart Grid, ecc.). Sul piano locale, infine, è utile segnalare il ruolo importante che sono destinati a rivestire gli strumenti di pianificazione comunale, specialmente nel momento in cui dagli attuali progetti pilota si passerà a una piena diffusione dei veicoli elettrici. La localizzazione delle stazioni di ricarica pubbliche avrà infatti un ruolo centrale anche per orientare le scelte dei consumatori verso i veicoli elettrici. Anche il contesto ambientale e territoriale in cui domanda e offerta potranno e dovranno incontrarsi è rilevante sotto una molteplicità di aspetti. Innanzitutto, se la capacità dei veicoli elettrici di eliminare dalle aree abitate una delle principali fonti di inquinamento atmosferico è un vantaggio certo, la possibilità di contenere il contributo del trasporto privato all effetto serra dipende fortemente da scelte strategiche sul settore elettrico che vanno operate sin da ora. Dal punto di vista delle emissioni complessive di anidride carbonica, sotto un mix di ipotesi applicabili al contesto nazionale, quelle dei veicoli elettrici risulterebbero quasi dimezzate rispetto ai veicoli a sola combustione interna a benzina (ICE). Rispetto invece ai veicoli ibridi non plug-in (HEV), i veicoli ricaricabili dalla rete offriranno l opportunità di ridurre le emissioni inquinanti dalle città senza, a meno di scenari estremi ad alta intensità di carbonio, aumentare le emissioni di CO 2, ma senza neanche riuscire a migliorarle sensibilmente. Guardando all efficienza energetica, i veicoli elettrici (BEV) risultano perciò la soluzione più competitiva in un range di autonomia compresa fra i 100 e i 200 chilometri, mentre per le autonomie maggiori la soluzione più promettente è quella dei fuel cells a idrogeno (FCEV). Per quanto riguarda l interfacciamento dei veicoli elettrici al sistema elettrico, le problematiche e le opportunità riguardano diversi aspetti legati alla generazione, distribuzione e automazione della rete. Dagli studi effettuati è emerso che il sistema di generazione è in grado già oggi di far fronte alla maggior richiesta di energia elettrica necessaria al funzionamento dei veicoli. Analizzando le previsioni di vendita dei veicoli elettrici e comparandole con i profili di crescita delle fonti rinnovabili, si nota infatti come la maggior richiesta di energia possa essere interamente soddisfatta da queste ultime. Le maggiori problematiche da affrontare sono invece relative al sistema di distribuzione, in quanto attualmente esso non è pienamente dimensionato per far fronte alla ricarica di un consistente numero di veicoli elettrici che prevedibilmente verranno allacciati nel prossimo futuro. Difatti, se non verranno presi provvedimenti per incentivare la ricarica in periodi di minori consumi (ad esempio nelle ore notturne), si rischia il sovraccarico della rete nei momenti di maggior prelievo. Un alternativa è l applicazione dei sistemi di automazione e di telecomunicazione sia alle reti di distribu- 19

Sviluppare la mobilità elettrica zione che alle colonnine di ricarica intelligenti, che consentono un uso razionale dell energia in funzione della potenza disponibile. A tale riguardo sono presenti già molti studi, sia a livello nazionale che internazionale, che definiscono le varie funzioni che questi sistemi di automazione dovranno attuare. Rimane invece ancora aperta la questione della definizione di standard comuni per la comunicazione fra i vari dispositivi. Accanto alle problematiche di connessione, i veicoli elettrici possono però apportare benefici alla rete elettrica. Infatti, le batterie installate a bordo costituiscono una riserva di energia che può essere utilizzata per sopperire a piccoli buchi di tensione o microinterruzioni, nonché per attenuare i disturbi introdotti dall aleatorietà delle fonti rinnovabili. Infine, l accettazione sociale della mobilità nei diversi contesti e scale territoriali- deriverà dagli impatti attesi che essa genererà su vari aspetti indotti. Innanzitutto le prospettive di crescita del ruolo delle energie rinnovabili, che troveranno ampia allocazione anche nell ambito della mobilità elettrica, potranno avere ampie ricadute sull economia; dal punto di vista occupazionale i comparti maggiormente coinvolti saranno le bio-energie, l industria eolica e quella delle tecnologie solari, fotovoltaiche e a concentrazione. Per quanto concerne nello specifico l auto elettrica, tutta la filiera entra in gioco; i produttori di batterie dovranno abbattere i costi di produzione e vendita, manutentori e produttori di motori vedranno formarsi nuove competenze che soppianteranno quelle ora richieste; ciò significa riconversione del lavoro, perdita di posti e nascita di nuovi. Dal punto di vista della rete, con lo sviluppo delle Smart Grid si prevede la necessità di un ridisegno dei ruoli di fornitura di energia e gestione delle reti, alla luce di possibilità di autoproduzione sempre più diffuse e di crescente complessità. L importanza delle politiche a supporto dello sviluppo del mercato e delle infrastrutture di ricarica sarà grandissima e determinerà differenziazioni significative di carattere geografico e geopolitico nella diffusione dei veicoli elettrici. Infine, determinante sarà il ruolo di ricerca e sviluppo per perseguire la strada dell indipendenza da risorse non completamente rinnovabili. In merito alle implicazioni organizzative e territoriali, il primo elemento da considerare è quello delle caratteristiche della domanda di mobilità privata che viene soddisfatta attraverso l utilizzo di veicoli elettrici. Se è vero che l elemento prevalente è rappresentato dalla ricarica domestica, quanto più il traffico è polarizzato verso grandi attrattori tantopiù la ricarica in luogo pubblico potrà essere concentrata intorno ai poli con evidenti economie attivabili. Allo stesso modo, il mix tra opzioni di ricarica lenta e veloce e le potenzialità di sviluppo di veicoli che prevedono lo switch delle batterie contribuiscono al disegno della rete aggiungendo elementi di complessità ulteriore. Le conclusioni del Primo Rapporto sulla Mobilità Sostenibile, che ha tentato di fare un primo punto organico sulle prospettive di diffusione della mobilità elettrica, a partire dall odierno stato dell arte, confermano una visione prospetticamente positiva, senza peraltro nascondere alcune fondamentali criticità. Fondamentale per le previsioni positive sullo sviluppo della mobilità elettrica sarà infatti il ruolo delle azioni di indirizzo comune da implementare, tra le quali la diminuzione del costo dei veicoli, lo sviluppo di misure di incentivazione coordinate, il supporto per le infrastrutture di rica- 20

Executive Summary rica, l integrazione fra sistemi di trasporto sostenibili e produzione di energie rinnovabili, il riesame della legislazione sulle emissioni di CO 2. Parallelamente le preoccupazioni, prevalentemente a livello comunitario, riguardano la definizione di uno schema di governance comune in grado di mettere a sistema e coordinare le iniziative a livello nazionale nell ambito di una strategia comune che garantisca il mantenimento dei vantaggi competitivi tecnologici minacciati dal rischio di frammentazione del mercato interno. Si segnala come la strategia delineata a livello comunitario non si limiti infatti a considerare i veicoli elettrici ma comprenda le altre tipologie di alimentazione innovative (biocarburanti, combustibili gassosi...) in grado di contribuire agli obiettivi ambientali comuni; questo fornisce l idea dell approccio strategico e integrato adottato e della relativa complessità dei modelli di mobilità da esso derivabili. Sul piano della creazione e del consolidamento del mercato il problema attuale più evidente è quello del costo di acquisto, dovuto soprattutto alla batteria, che porta le auto elettriche a posizionarsi, in particolare in Europa, a circa il doppio del costo delle equivalenti auto con motore a combustione interna. Per questo, la sfida tecnologica unanimemente riconosciuta come più importante rimane lo sviluppo di batterie di elevata potenza ed elevata energia, affidabili e robuste, di costo almeno dimezzato rispetto ai valori attuali (come peraltro ottenibile sfruttando le economie di scala). Le ulteriori necessità considerate fondamentali per la diffusione della mobilità elettrica sono da una parte lo sviluppo dell infrastruttura di ricarica pubblica, che metta a disposizione punti di ricarica facilmente accessibili e standardizzati, in particolare per la ricerca rapida, dall altra la realizzazione di progetti dimostrativi e test di flotte, per generare conoscenza, esperienza e fiducia da parte dei consumatori sull uso quotidiano dei veicoli elettrici. Infine, l analisi di alcune delle principali esperienze pilota europee, condotta con particolare riguardo allo sviluppo dell infrastruttura di ricarica e alle incentivazioni previste, ha messo in luce la mancanza di linee guida coordinate, sia a livello dei singoli stati che sovranazionale, per favorirne la diffusione. È da notare l eterogeneità dei modelli di mobilità elettrica introdotti dal punto di vista della struttura, dei modelli di business attualmente solo ipotizzabile a causa della momentanea gratuità nelle strutture ad accesso pubblico della fornitura di energia elettrica degli obiettivi in termini di diffusione di auto elettriche e della localizzazione geografica, nazionale o urbana. Non si può certo dire che il contenuto di questo primo Rapporto possa considerarsi esaustivo, né per l ampiezza dell analisi (ad esempio estendibile ad altre forme di mobilità sostenibile), né per la completezza di esperienze e politiche pilota. In futuro, le relazioni di interdipendenza tra i vari aspetti potranno inoltre essere rafforzate: nonostante il lavoro sia stato condotto in modo fortemente interdisciplinare, infatti, alcune relazioni potranno essere ulteriormente approfondite nelle prossime edizioni del Rapporto, ma il risultato di questo primo tentativo 1 pare assai apprezzabile, se non altro per il tentativo di passare in rassegna tutte le problematiche in discussione. La verifica fatta in varie occasioni seminariali e il confronto con operatori del settore anche di altri Paesi hanno condotto a questo primo Rapporto che per quanto perfettibile è sicuramente un primo passo per la promozione di una mobilità più sostenibile nelle nostre città e nei nostri territori. 1 Il Rapporto fotografa la realtà al 31 marzo 2011. L evoluzione tecnologica, progettuale ed esperienziale è talmente rapida che si è dovuto scegliere una data, affidando gli aggiornamenti, inevitabili dopo quella data, a prossimi Rapporti. 21

Capitolo 1 Modelli di mobilità sostenibile di Stefano Campanari, Allegra Canepa, Iva Gianinoni, Gabriele Grea, Roberto Zoboli

Sviluppare la mobilità elettrica 1.1 Le tecnologie 1.1.1 Introduzione In questo capitolo si intende fornire una sintetica rassegna delle principali tecnologie in fase di sviluppo per il miglioramento delle prestazioni energetiche e ambientali dei veicoli, con particolare riferimento allo sviluppo di powertrain per veicoli per trasporto su strada, articolata in una breve spiegazione dei principi di funzionamento e in una discussione dei pro e contro delle diverse opzioni (considerando efficienza, consumi, emissioni, diversificazione di sorgenti di energia primaria, costi, autonomia, ecc.). In particolare, la rassegna riguarda i seguenti tipi di tecnologie: Veicoli elettrici puri (Battery Electric Vehicle, BEV) e ibridi elettrici (Hybrid Electric Vehicle, HEV e Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV basati su motori a combustione interna); Veicoli elettrici a fuel cell (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV). In parallelo vengono riassunte le più rilevanti tendenze di sviluppo dei veicoli con motore a combustione interna (Internal Combustion Engine, ICE), all interno dei quali si posizionano i veicoli convenzionali a basso impatto ambientale alimentati a combustibili alternativi liquidi (ad es. biofuels, combustibili sintetici) e gassosi (ad es. metano, metano-idrogeno). Maggiori approfondimenti sui veicoli elettrici e a fuel cell sono discussi nel Capitolo 2. Le diverse categorie di veicoli elettrici saranno possibili candidati per la mobilità del futuro, grazie alla possibilità di funzionare con un ampia varietà di fonti di energia primaria, riducendo la dipendenza dal petrolio e migliorando la sicurezza degli approvvigionamenti energetici, e grazie alla possibilità di ottenere rilevanti vantaggi ambientali e di efficienza energetica rispetto agli ICE, sia pure con diverse possibili applicazioni [Edwards et al., 2007; Kalhammer et al., 2007; Owen, 2009; McKinsey,2010]: i BEV, in relazione ai limiti di autonomia e di capacità delle batterie (con limiti di percorrenza prossimi a 100-200 chilometri per automobili di piccola e media taglia) e agli attuali tempi di ricarica dell ordine di diverse ore, si propongono come una soluzione particolarmente idonea per le automobili più piccole e per gli utilizzi nei viaggi più brevi, quindi per la guida urbana. Rappresentano una possibile soluzione al problema dell abbattimento delle emissioni locali da veicoli leggeri in aree urbane, poiché consentono di realizzare veicoli con zero emissioni allo scarico, spostando tutte le emissioni alle centrali elettriche che forniscono energia alla rete; gli FCEV, con autonomia e prestazioni paragonabili a quelle degli ICE, sono la soluzione quantomeno in prospettiva di medio-lungo termine che può garantire l abbattimento delle emissioni anche per automobili di media-grande taglia e per autonomie di viaggio più lunghe; questo è particolarmente importante a livello di emissioni globali, poiché i veicoli di questo segmento di mercato rappresentano oltre il 50% delle automobili e il 75% delle emissioni di CO 2 da autoveicoli per trasporto di persone [McKinsey, 2010]. Sempre in prospettiva, sono una soluzione possibile anche nel settore del trasporto pesante. Se alimentati a idrogeno, consentono di realizzare veicoli con zero emissioni allo scarico (solo vapore d acqua), spostando tutte le emissioni ai futuri impianti (ad esempio centralizzati) di produzione idrogeno. 24

Modelli di mobilità sostenibile I veicoli PHEV rappresentano viceversa una soluzione di breve e medio termine per la riduzione delle emissioni su veicoli, in particolare di media-grande taglia; sono caratterizzati da un powertrain che vede sommarsi ai componenti tradizionali (motore a c.i. o ICE) la parte elettrica di un BEV, sia pure con accumulo di dimensioni più ridotte, mantenendo l alimentazione a combustibili tradizionali; consentono di ridurre ma non di eliminare le emissioni del veicolo durante il funzionamento del motore a combustione interna. Infine, anche nel settore dei veicoli ICE si assiste a una continua evoluzione verso soluzioni tecnologiche a basso impatto ambientale, a partire dal prossimo raggiungimento dei limiti di emissione Euro 6 e in relazione allo sviluppo di tecniche di alimentazione, combustione e controllo dei motori sempre più sofisticate, oltre che a sistemi di abbattimento degli inquinanti più raffinati; dal punto di vista dell ottenimento di ulteriori e drastiche riduzioni di emissioni, tuttavia, le linee di sviluppo più promettenti richiedono varianti radicali, quali la parziale elettrificazione del veicolo (si vedano veicoli ibridi) o l utilizzo di carburanti diversi quali i biocombustibili e, in prospettiva, l idrogeno [Edwards et al., 2007]. 1.1.2 Veicoli elettrici (BEV) e ibridi elettrici (HEV, PHEV) In un veicolo a trazione elettrica (Electric Drive) la coppia è fornita alle ruote da un motore elettrico, che può essere alimentato solo da una batteria o anche da un motore a combustione interna (ICE). Un veicolo elettrico che utilizza solo una batteria per alimentare il motore elettrico di propulsione viene detto usualmente EV (Electric Vehicle), ma sono diffuse anche le denominazioni di PEV (Plug-in EV), BEV (Battery EV) e ZEV (Zero-emission, EV). La batteria è ricaricata dalla rete (da cui il termine plug-in) e dal sistema di frenata rigenerativo. Un veicolo ibrido (HEV) combina invece una propulsione convenzionale basata su un motore a combustione interna con una qualche forma di trazione elettrica. Un ibrido è progettato per catturare l energia che viene normalmente persa in frenata e in marcia libera per ricaricare le batterie, che a loro volta alimentano il motore elettrico. In commercio sono ormai disponibili diversi tipi di veicoli ibridi, a partire dal modello pioniere costituito dalla Toyota Prius (sul mercato dal 1997, venduta in oltre 2 milioni di unità in tutto il mondo) e da vari modelli di fascia alta (in particolare SUV) cui si sono aggiunti più recentemente altri modelli di taglia medio-piccola proposti da Honda, dalla stessa Toyota e da altri costruttori; si tratta prevalentemente di veicoli non plug-in, nei quali cioè non è possibile ricaricare il veicolo da prese di rete ma soltanto tramite il motore di bordo, mentre l opzione di ricarica esterna (Plug-in Hybrid EV, PHEV) è prevista per modelli che saranno disponibili tra il 2011 e il 2014. Nel campo dei BEV si registrano viceversa numerose proposte commerciali molto recenti, prevalentemente nel campo delle city-car e basate sull impiego delle più avanzate batterie al Litio (si vedano i Capitoli 2 e 6), alcune già in vendita e altre previste per i prossimi due-tre anni, limitate per ora soprattutto da costi piuttosto elevati e dalla problematica dell autonomia ridotta e dello stato embrionale dell infrastruttura pubblica di ricarica. I veicoli elettrici BEV e gli HEV di tipo plug-in sono gli unici a rappresentare un cambiamento fondamentale rispetto ai sistemi di propulsione convenzionali (con l uso dell elettricità di rete come 25

Sviluppare la mobilità elettrica fonte energetica singola o addizionale) e sono quelli che offrono maggiori potenzialità di riduzione delle emissioni. Oltre ad azzerare le emissioni di inquinanti classici (polveri, NOx, idrocarburi incombusti, CO) allo scarico dei veicoli (per gli HEV quantomeno durante il funzionamento solo elettrico), tutte le tipologie di veicoli elettrici offrono infatti la possibilità di ottenere significative riduzioni nelle emissioni di CO 2 anche a livello globale, a seconda della loro efficienza e dell origine dell energia elettrica consumata. Una delle principali spinte verso lo sviluppo dei veicoli elettrici è d altronde proprio l efficienza del veicolo. L efficienza energetica media di un motore a propulsione convenzionale varia dal 15% al 20% [EABEV 2009, WWF 2008, CONC 2007, MIT 2000, DEBA 2008], poiché la maggior parte dell energia consumata è persa nel calore dissipato e nelle perdite legate all attrito del sistema meccanico di trasmissione. Il sistema di trazione elettrico si avvantaggia invece del motore elettrico, molto efficiente e capace di convertire l elettricità in energia meccanica di movimento del veicolo con rendimento fino al 90% [EABEV 2009, ILEA 2005, MIT 2000]. In letteratura l efficienza tank-to-wheel (dal serbatoio alle ruote) viene dichiarata essere nell intervallo 60-80%, considerando ulteriori perdite di energia, tra cui le perdite di ricarica e l autoscarica della batteria di trazione. Tale efficienza supera quella dei sistemi di trazione tradizionali fino a quattro volte [EURE 2008], anche se, riguardo alla tecnologia delle batterie, le perdite devono essere considerate con attenzione, dato che sono disponibili solo poche osservazioni di lungo termine, e aumenti di perdite rilevanti potrebbero verificarsi nella pratica, peggiorando così l efficienza globale dei veicoli elettrici. Bisogna inoltre ricordare che la valutazione globale dell efficienza energetica deve considerare anche la fornitura di energia a monte del veicolo (e quindi la cosiddetta efficienza well-to-wheel o WTW, dal pozzo alle ruote). Il tipo di impianto che fornisce energia elettrica ai veicoli influisce in modo significativo sull efficienza well-to-wheel e potrebbe al limite ridurre i benefici di efficienza ai livelli dei veicoli alimentati da combustibili convenzionali. A questo proposito, il tema dei bilanci energetici e ambientali derivanti dall utilizzo di veicoli elettrici è discusso ai Capitoli 2 e 5 di questo volume. 1.1.3 Veicoli elettrici a fuel cell (FCEV) I veicoli a cella a combustibile (FCEV) sono un altro tipo di veicolo elettrico nel quale la coppia è fornita alle ruote da un motore elettrico, che può essere alimentato da una cella a combustibile (fuel cell, FC) eventualmente combinata con una batteria. Rappresentano una delle opzioni tecnologiche per la mobilità sostenibile del futuro, il cui sviluppo è correlato alle attività di R&S che più in generale riguardano le tecnologie dell idrogeno [DOE, 2009], il combustibile di elezione per le fuel cells, le cui principali utilizzazioni di medio e lungo termine riguardano infatti l impiego nella generazione di energia elettrica e per il trasporto [Owen, 2009; Macchi, 2003]. Lo strumento principale il cui sviluppo condizionerà la reale affermazione dell idrogeno come vettore energetico pulito, in particolare nel settore trasporti, è in ogni caso proprio la cella a combustibile. Rimandando al Capitolo 2 per una discussione più dettagliata, ricordiamo qui che la 26

Modelli di mobilità sostenibile cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l energia di un combustibile in elettricità e calore, senza passare attraverso cicli termici, e senza necessità di bruciare il combustibile con un tradizionale processo di combustione. Per questo motivo le celle a combustibile possono: operare senza risentire delle limitazioni imposte ai cicli termici dalla termodinamica, e conseguire quindi una maggiore efficienza; operare senza produrre i classici inquinanti da combustione (NOx, CO, idrocarburi incombusti, polveri). Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; a differenza di quest ultima, tuttavia, consuma sostanze reagenti provenienti dall esterno (il combustibile e l ossigeno prelevato dall aria) ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, fintanto che al sistema vengono forniti combustibile e ossidante. I tipi di celle a combustibile più studiati e sperimentati per applicazioni su veicoli sono le PEM (Proton Exchange Membrane fuel cell), caratterizzate dall utilizzo di un elettrolita costituito da una membrana polimerica umidificata, conduttiva di ioni tipo H+ (protoni) e di elettrodi metallici a base carbonio. I pregi di questo tipo di FC discendono dalle basse temperature di funzionamento (circa 70 C) e dalla capacità di sostenere elevate densità di corrente, che consentono accensioni e salite di carico veloci e la possibilità di costruire celle leggere e compatte, con potenza specifica più elevata rispetto alle altre FC [Anon, 2004]. Le basse temperature di funzionamento comportano però allo stato attuale anche delle limitazioni: il combustibile dev essere ricco in idrogeno e praticamente privo di contaminanti tra cui il CO, pena l avvelenamento dei catalizzatori. Una volta prodotta energia elettrica a bordo del veicolo, questo ha tutte le caratteristiche di un veicolo elettrico, in quanto il sistema di generazione produce corrente continua e sul veicolo si troveranno tutti i sistemi di regolazione e controllo della trazione propri dei veicoli a batteria. A seconda delle proposte di sviluppo, il ruolo della fuel cell nel veicolo potrà essere di unico generatore elettrico di bordo, o più probabilmente simile a quello del motore a c.i. di un veicolo ibrido (HEV), fortemente integrato con un rilevante accumulo elettrico a batterie, anche di tipo plug-in (PHEV). In altri casi la fuel cell assumerà il ruolo di range extender di un veicolo a batteria tipo BEV. In tutti i casi potrà essere sfruttata la presenza di un motore elettrico e di un sistema di accumulo che consenta il recupero in frenata, opzione che, soprattutto in cicli caratterizzati da molte accelerazioni e frenate, come quelli urbani, può portare a notevoli risparmi di combustibile. È da sottolineare quindi che lo sviluppo degli FCEV non deve essere inteso come alternativo, ma più plausibilmente come complementare a quello dei BEV. Sebbene le celle a combustibile siano già fattibili sulla base delle tecnologie esistenti, e consentano di realizzare veicoli con buone prestazioni ed emissioni sostanzialmente nulle (di fatto quasi tutti i costruttori hanno sperimentato o hanno in corso di sperimentazione flotte dimostrative di veicoli a fuel cell), è necessario ridurre considerevolmente i costi dei veicoli con fuel cells, oltre che migliorarne la durata. 27