A causa della diminuzione delle riserve di petrolio, dell'aumento dei livelli di inquinamento e dei pericoli legati al surriscaldamento globale, la mobilità elettrica è divenuta uno degli obiettivi di primaria importanza per la maggior parte dei Governi.

Introduzione

Un recente rapporto stilato dal Comitato sul Clima evidenzia che per raggiungere l'obiettivo di eliminare le emissioni dei gas a effetto serra entro il 2050, tutti i nuovi veicoli prodotti dovrebbero essere alimentati esclusivamente a batteria (escludendo quindi anche i veicoli ibridi) a partire al più tardi dal 2035. I più importanti Paesi europei e asiatici hanno già annunciato il divieto di utilizzare motori a combustione interna nei nuovi veicoli (sia a benzina sia a gasolio) entro il 2030.

Alcuni Governi si sono impegnati a dare l'esempio creando piattaforme di collaborazione per diffondere una maggiore consapevolezza circa la mobilità elettrica e accelerare lo sviluppo di soluzioni di e-mobility. L'alleanza stipulata a Katowice tra Polonia e Gran Bretagna per la mobilità elettrica è appunto una di queste iniziative. La Commissione Europea, dal canto suo, ha annunciato norme di standardizzazione per le interfacce di ricarica nel quadro della Direttiva 98/34/EC22. L'obiettivo è ovviamente garantire la connettività e l'interoperabilità tra i punti di alimentazione elettrica e il caricabatteria dei veicoli elettrici (EV- Electrical Vehicle).

Tecnologia delle batterie

L'adozione dei veicoli elettrici è fortemente influenzata dall'introduzione di batterie più efficienti. Attualmente la maggior parte delle auto elettriche è alimentata mediante batterie a ioni di litio (Li-Ion). Si tratta di batterie di peso contenuto, ad alta densità di energia e che possono essere ricaricate molte volte. Fondamentalmente, le batterie a ioni di litio sono sistemi di immagazzinamento dell'energia che sfruttano reazioni di inserzione e di estrazione (degli ioni Li+) tra i due elettrodi, dove gli ioni di litio agiscono come portatori di carica. La chimica delle celle delle batterie è in continua evoluzione, grazie alla scoperta di sempre nuove formulazioni che prevedono l'impiego di differenti materiali. Questi progressi contribuiscono a stabilire nuovi punti di riferimento in termini di scalabilità, densità, velocità di ricarica e durata operativa. Ricercatori che operano presso le Università, produttori di batterie e costruttori di automobili sono costantemente alla ricerca della combinazione ottimale dei materiali che costituiscono gli elettrodi positivo e negativo che permetta la realizzazione di batterie leggere, economiche e caratterizzate da capacità sempre più elevate.

Innolith, una start-up con sede in Svizzera, ha recentemente dichiarato di aver ideato una batteria a ioni di litio che consentirebbe alle auto elettriche di percorrere 1.000 km con una singola carica. Si tratta di un risultato senza dubbio importante, considerando che con le batterie attualmente utilizzate dalla maggior parte degli OEM è possibile percorre, nella migliore delle ipotesi, circa 530 km. Il progetto sviluppato dall'azienda elvetica si basa essenzialmente sulla sostituzione dei solventi organici (che sono intrinsecamente infiammabili) con una sostanza inorganica, meno infiammabile e molto più stabile. I materiali organici sono caratterizzati da un'elevata reattività e, col trascorrere del tempo, contribuiscono al decadimento delle prestazioni delle batterie. Con materiali inorganici come il sale il sistema è in grado di accumulare più energia senza dar luogo a fenomeni di instabilità. La società intende introdurre questa tecnologia sul mercato avviando una produzione pilota in Germania. Tuttavia, per espletare tutte le pratiche per le licenze e la commercializzazione saranno necessari ancora un paio d'anni.

Figura 1: La tecnologia per le batterie sviluppata da Innolith.

Mentre il progetto appena sopra esposto prevede la sostituzione del solvente, alcuni ricercatori stanno valutando la possibilità di sostituire la grafite nell'anodo con un materiale a semiconduttore, più precisamente il silicio. Rispetto ai tradizionali anodi in grafite, il silicio è in grado di legarsi con una quantità di ioni di litio 25 volte superiore rispetto alla grafite, il che comporta un aumento della densità di energia della batteria in misura del 30% (o anche superiore). I progetti delle attuali batterie prevedono un contenuto di silicio compreso tra l'1 e il 5%. Viste le potenzialità offerte dal silicio come materiale per la realizzazione dell'anodo, i produttori stanno cercando di utilizzarlo in misura sempre maggiore per la realizzazione delle loro batterie. Purtroppo esiste anche il rovescio della medaglia: quando il silicio accumula così tanti ioni di litio, il volume dell'anodo aumenta e nel momento in cui l'energia viene consumata (processo di scarica) si restringe e questo ciclo di espansione/restringimento causa la polverizzazione del silicio, degradando in tal modo la capacità della batteria. Gli esperti nel campo dei materiali stanno cercando di mettere a punto meccanismi in grado di ovviare a questo problema e, in realtà, alcune delle innovazioni che sfruttano gli anodi basati su silicio sono state introdotte sul mercato. Queste soluzioni sono state collaudate e hanno evidenziato numerosi vantaggi tra cui elevata densità di energia e prestazioni nettamente migliori in termini di velocità di ricarica, oltre a un'ampia tolleranza in temperatura. Con batterie di questo tipo sarebbe possibile ricaricare un veicolo in 5 minuti con una carica sufficiente per coprire distanza di circa 400 km. Si tratterebbe, quindi, di una carica circa 8 volte più veloce rispetto a quella consentita dalla maggior parte delle batterie al momento disponibili.

Batterie a stato solido

Attualmente la maggior parte dei veicoli elettrici è alimentato per mezzo di batterie a ioni di litio con elettrolita liquido (wet) come ad esempio l'acido solforico. Il movimento di elettroliti liquidi altamente corrosivi può generare una grande quantità di calore, con conseguente surriscaldamento e pericolo di incendio. Per questo motivo, alcune società automobilistiche stanno concentrando la loro attenzione sulle batterie a stato solido che, come dice il nome stesso, utilizzano un elettrolita solido al posto di un elettrolita liquido. Una batteria di questo tipo potrebbe assicurare una maggiore densità di energia ed elevati livelli di sicurezza. La potenza in surplus generata dal movimento (lento) degli ioni attraverso l'elettrolita solido può essere estratta in modo sicuro dalla batteria e successivamente reintrodotta, con riflessi favorevoli sui tempi di ricarica. Grazie a questa configurazione, lo spazio richiesto per i sistemi di controllo della temperatura e altri dispositivi di sicurezza è inferiore, per cui le batterie risultano più semplici da sviluppare. Nonostante tutti questi vantaggi, le batterie a stato solido non sono state ancora commercializzate. Per renderle competitive e ancora necessario migliorare la tecnologia e, soprattutto, ridurre sensibilmente i costi di produzione.

Le opportunità dell'idrogeno

Un'altra tecnologia per la realizzazione di veicoli elettrici prevede l'uso dell'idrogeno come combustibile unitamente alle batterie. Auto di questo tipo hanno un'autonomia dell'ordine dei 5.000 km e devono fermarsi solamente per fare rifornimento di idrogeno (invece di effettuare la ricarica). Il sistema è molto simile a quello utilizzato dalle batterie a flusso, che crea elettricità attraverso un singolo fluido. L'idrogeno può essere immagazzinato in modo sicuro a pressioni comprese tra 20 e 30 psi. Finora il sistema è stato collaudato solamente su scooter e auto da golf. Un suo eventuale utilizzo su vasta scala per i veicoli elettrici avrebbe un impatto sicuramente dirompente. Invece di costruire imponenti infrastrutture per le stazioni di ricarica, sarebbe sufficiente convertire le attuali stazioni di rifornimento per consentire loro di erogare elettroliti e trasformare gli impianti per il cambio dell'olio in stazioni per la sostituzione degli anodi. Dal punto di vista ambientale l'impatto sarebbe senza dubbio molto inferiore rispetto a quello prodotto dagli attuali sistemi a batteria.

Infrastrutture e stazioni di ricarica

Possedere una vettura alimentata a batteria, quasi un sogno solo pochi anni fa, si è tramutata in una concreta realtà. Sulle strade urbane circoleranno sempre veicoli elettrici alimentati a batteria, dalle classiche autovetture ai veicoli commerciali ai camion. All'aumento del numero di veicoli elettrici circolante dovrà necessariamente corrispondere un incremento del numero di infrastrutture per la ricarica. Ciò si traduce ovviamente in nuove opportunità di business per le società operanti nel settore della distribuzione e dell'erogazione  di servizi (utilities), oltre che per le aziende che operano nel campo dell'ingegneria civile e per le Case automobilistiche.

Con il diffondersi dei veicoli elettrici, quella che viene comunemente definita "range anxiety" (ovvero l'ansia da autonomia) ha iniziato a essere soppiantata da un'altra sindrome, ovvero la "charging anxiety" (ovvero l'ansia da rifornimento). Le infrastrutture di ricarica devono adottare un modello di business in grado di assicurare operazioni di ricarica rapide e convenienti. La topologia di un'area geografica ha una forte influenza su queste stazioni di ricarica. Una cittadina di piccole dimensioni, tipicamente formate da edifici bassi e con ampia disponibilità di parcheggio e un insediamento urbano densamente popolato formato per lo più da grattacieli richiederanno infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici molto differenti tra di loro.

A differenza dei tradizionali veicoli alimentati a benzina/gasolio, che possono fare rifornimento solamente presso le stazioni di servizio, i veicoli elettrici possono essere ricaricati in molti modi e in più postazioni. I caricabatteria cablati di tipo plug-in per veicoli elettrici possono essere usati a casa, in ufficio, nei posti pubblici o sulle autostrade nel caso di lunghi viaggi. Dal punto di vista economico, la ricarica domestica è leggermente più conveniente rispetto a quella fatta nei luoghi pubblici (ad esempio nelle colonnine di ricarica) e anche più semplice, perchè un veicolo può essere parcheggiato nello stesso posto durante la notte per un periodo solitamente compreso tra 8 e 10 ore.

I Paesi in cui è più alta la percentuale di veicoli elettrici in circolazione devono essere in grado di soddisfare le esigenze di ricarica di tali veicoli. Secondo un recente rapporto diffuso Statista, il numero di stazioni di ricarica in Europa ha subito una brusca impennata, passando dalle 3.200 del 2010 alle circa 1,5 milioni del 2018. In questo contesto, le agenzie di coordinamento rivestono un ruolo essenziale. Esse dovrebbero assumersi il compito di creare un database affidabile delle infrastrutture esistenti, fornire informazioni dettagliate relative ai programmi di finanziamento, nonchè sviluppare approcci efficienti finalizzati a incoraggiare ulteriori attività legate alla diffusione di queste stazioni. Aziende come Bosch, Siemens e ABB stanno attivamente lavorando per fornire servizi scalabili, flessibili e orientati al cliente attraverso le loro infrastrutture di ricarica e l'adozione di sistemi di pagamento adeguati.

Considerazioni economiche

Per i produttori, la mobilità elettrica sta iniziando a divenire redditizia sotto il profilo economico. Grazie alle loro doti di scalabilità, i gruppi propulsori (powertrain) risultano relativamente semplici da integrare e possono essere sfruttati in maniera flessibile in differenti modelli di veicoli: ciò non solo contribuisce a ridurre i tempi di sviluppo e i costi associati, ma consente anche di introdurre in tempi più brevi nuovi veicoli sul mercato. I produttori, e in particolar modo le start-up, possono tradurre in pratica le loro idee nel più breve tempo possibile.

Gli studi condotti da Bloomberg hanno evidenziato che il prezzo delle batterie a ioni di litio è diminuito in modo significativo nel momento in cui sono aumentati i volumi produttivi e i costruttori hanno messo a punto processi di produzioni più efficienti dal punto di vista economico. Nel 2010, anno in cui sono state introdotte le prime gamme di veicoli elettrici destinate al mercato di massa, il costo di una batteria si aggirava intorno ai 1.000 dollari/kWh, mentre al giorno d'oggi il prezzo della più diffusa batteria per auto elettriche (il Mod. 3 di Tesla) è pari a 190 dollari/kWh: a conti fatti, si tratta di una riduzione del 75%. Questa discesa dei prezzi è destinata a protrarsi nei prossimi anni. Quando si parla di proliferazione di veicoli elettrici, non bisogna dimenticare che gli oneri maggiori dal punto di vista economico sono imputabili alla struttura di ricarica e alla loro gestione. Secondo un recente rapporto di McKinsey sarà necessario un investimento di 17 miliardi di dollari per la realizzazione di 15 milioni di stazioni di ricarica entro il 2030.

Mobilità "intelligente"

Con i veicoli elettrici la mobilità diventa anche più "intelligente". Oggigiorno questi veicoli sono collegati ai guidatori, alle app dei cellulari, ai punti di ricarica e così via. Per le aziende che operano nel settore IoT esiste quindi l'opportunità di realizzare una rete capillare e di grandi dimensioni che colleghi fornitori di energia, costruttori di automobili e tutte le attività associate. Potenzialmente, i veicoli possono essere connessi alla rete di distribuzione dell'energia elettrica (grid), ponendo le basi per lo sviluppo della tecnologia V2G (vehicle-to-grid). Grazie a pannelli fotovoltaici posti sul tetto di un veicolo elettrico sarebbe possibile generare energia elettrica che verrebbe successivamente reintrodotta nella rete. Questa potrebbe essere utilizzata nei periodi di picco dei consumi e ridistribuita in base alle necessità.

In definitiva si può affermare che il futuro dei trasporti sarà elettrico e connesso. La risoluzione (o perlomeno l'attenuazione) delle problematiche legate alla ricarica, l'identificazione di possibili tecnologie alternative per le batterie, la standardizzazione delle infrastrutture di ricarica e l'emergere della mobilità "intelligente" sono tutti fattori che hanno contribuito al progresso tecnologico e alla sostenibilità di quella che sarà la mobilità del futuro.

A cura di, Mark Patrick, Mouser Electronics

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