Il lavoro di ricerca di Francesco Antonio Tiano,ingegnere energetico e nucleare e dottorando in Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Salerno
Il paradosso della crescita
La crescita economica causerà, secondo quanto previsto dalla U.S. Energy Information Administration nel 2017, un aumento dei consumi energetici del 28% tra il 2015 e il 2040. Il PIL mondiale aumenterà del 3% annuo tra il 2015 e il 2040, mentre il prezzo del petrolio subirà un aumento fino a 109 $ al barile.
Sebbene sia previsto un aumento dello sfruttamento delle fonti rinnovabili, i combustibili fossili continueranno a coprire la maggior parte della richiesta energetica mondiale. Il settore dei trasporti rimarrà il più grande consumatore di petrolio raffinato e altri combustibili liquidi, con un incremento dal 54% del 2015 al 56% del 2040.
La migliore possibilità per ridurre l’impatto ambientale consiste nella penetrazione di veicoli ibridi e veicoli elettrici. I benefici delle auto ibride ed elettriche durante la fase d’uso del veicolo, sono evidenti, ma il loro impatto nella fase di produzione e nella fornitura dell’energia elettrica (il cosiddetto Well-to-Wheel) può essere addirittura peggiore rispetto ai veicoli convenzionali. Infatti, solo se l’energia elettrica per ricaricare i veicoli elettrici e i veicoli ibridi plug-in ha una bassa emissione di anidride carbonica CO2, questi possono raggiungere il loro pieno potenziale nella mitigazione dell’impatto ambientale.
L’uso dei veicoli ibridi ed elettrici
La penetrazione dei veicoli elettrici e ibridi plug-in nella vita di tutti i giorni ha diversi problemi. La loro necessità di una ricarica rapida mal si concilia con l’attuale infrastruttura e topologia della rete elettrica nazionale. Inoltre, una larga diffusione di tali veicoli ha un grande impatto sulla rete elettrica, particolarmente nel caso di errata coordinazione dei tempi di ricarica. Infine, i veicoli elettrici e ibridi hanno ancora dei costi elevati rispetto a quelli convenzionali.
La costruzione di un veicolo comporta l’utilizzo di risorse energetiche cui sono anche associate delle emissioni di inquinanti e di gas serra. L’energia spesa e queste emissioni sono quindi incorporate nel veicolo stesso. Di conseguenza, una rottamazione anticipata di un veicolo per sostituirlo con uno elettrico o ibridi comporta spreco di energia e di emissioni.
Appare, quindi, evidente che bisogna tener conto dei processi di produzione dei veicoli, dei processi di produzione dei combustibili e dell’energia elettrica e dell’uso dei veicoli. Questo tipo di approccio, che valuta gli impatti ambientali associati a tutte le fasi della vita di un prodotto, è denominato Analisi del Ciclo di Vita, in inglese Life Cycle Assessment o LCA.
Gli studi LCA applicati al settore automotive concordano sul fatto che la fase d’uso di un veicolo è la più critica per quanto riguarda le emissioni e i consumi energetici per i veicoli convenzionali, mentre per i veicoli elettrici la fase più critica è quella della generazione dell’energia elettrica necessaria per la ricarica delle batterie legata al mix energetico nazionale. Inoltre, si dà attenzione anche al fine vita di veicolo perché circa il 75% dei materiali di un veicolo è riciclabile in Europa. Di conseguenza, ciò che rimane del veicolo è considerato scarto ed è destinato alle discariche.
Nell’ottica di riduzione degli sprechi e del riuso e riciclo dei materiali, la conversione dei veicoli circolanti in auto a minor impatto ambientale permette di evitare la rottamazione anticipata. Inoltre, la conversione dei veicoli può rappresentare una adeguata soluzione a breve e medio termine, in modo da consentire gli opportuni adeguamenti alle reti di distribuzione dell’energia elettrica e l’incremento del contributo rinnovabile al mix energetico verso la futura transizione verso la mobilità totalmente elettrica. In particolare, la trasformazione di un veicolo convenzionale in uno ibrido consente anche di superare gli attuali limiti delle vetture elettriche in termini di autonomia e di ricarica. La trasformazione si può realizzare attraverso l’inserimento di motori elettrici nelle ruote posteriori (per veicoli a trazione anteriore), l’uso di una batteria addizionale e di un sistema di controllo; è anche possibile prevedere una parziale ricarica solare, applicando dei pannelli fotovoltaici flessibili. Il vantaggio in termini di riduzione di consumi ed emissioni è paragonabile a quello di un buon ibrido, nel tipico utilizzo urbano, e può andare dal 10% al 20%, con possibilità di guida in modalità elettrica.
Una possibile soluzione
La startup eProInn dell’Università degli Studi di Salerno ha sviluppato un prototipo funzionante di veicolo ibrido solare trasformando una FIAT Punto. Il progetto di trasformazione dei veicoli in ibridi solari è stato finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito di un progetto LIFE-SAVE Solar Aided Vehicle Electrification (LIFE16 ENV/IT/000442). Il progetto vede la cooperazione di un partenariato di aziende: eProInn, Landi Renzo, Mecaprom e Solbian.
L’obiettivo del progetto è quello di giungere ad un prodotto TRL 9 (Technology Readiness Level), la dimostrazione con 4 prototipi a Malta e la creazione di una New-Co per la vendita e commercializzazione del kit di trasformazione.
Un recente studio presentato a settembre 2018 alla 5th IFAC Conference on Engine and Powertrain Control, Simulation and Modeling a Changchun, in Cina, ha visto l’applicazione del metodo LCA su diverse soluzioni di mobilità sostenibile tra cui la trasformazione in ibrido-solare di un veicolo convenzionale. Lo studio ha dimostrato che la trasformazione in ibrido di un veicolo convenzionale che non viene anticipatamente rottamato rappresenta una delle migliori scelte in termini di sostenibilità ambientale ed energetica. È proprio l’evitata rottamazione del veicolo che consente ad un veicolo trasformato in ibrido di avere un’incidenza in termini energetici e ambientali paragonabile, e in alcuni casi migliore, rispetto a nuovi veicoli ibridi e ibridi plug-in. Alla sostenibilità energetico-ambientale si associa poi la sostenibilità economica da parte dell’acquirente, che potrà convertire il proprio veicolo con un costo nettamente inferiore a quello richiesto per l’acquisto di un nuovo veicolo ibrido o elettrico.
Il solare per le auto
L’uso del fotovoltaico direttamente sulle auto rappresenta l’unico caso in cui si riesce a utilizzare direttamente l’energia primaria proveniente dalla natura. In tutti gli altri casi di alimentazione delle vetture si ricorre ad un “vettore energetico”: l’energia primaria viene “incorporata” in un “vettore” (combustibile fossile, bio-combustibile, elettricità, idrogeno), trasportata, distribuita, venduta e tassata. Questa differenza è rilevante: infatti, il vettoriamento comporta sempre un consumo energetico e, in molti casi, delle emissioni di CO2.
Sebbene la potenza di un pannello solare ospitabile su un’automobile di dimensioni normali sia dell’ordine dei 300 W ed inferiore alla potenza di una vettura di media cilindrata, dell’ordine dei 50-60 kW, circa il 50% degli automobilisti usa l’auto prevalentemente in città, per non più di un’ora al giorno. In queste condizioni, l’energia giornaliera necessaria alla trazione è pari quindi a 8 kWh. La stima dell’energia giornaliera media ottenibile dal pannello fotovoltaico è pari a 2 kWh. Il solare può fornire quindi circa il 25% dell’energia giornaliera richiesta per la trazione.
Tale stima è corroborata da quanto ricavabile dal database PVWatts, sviluppato dalla NREL (National Renewable Energy Laboratory) del governo U.S.A.. Il database fornisce i valori massimi e medi dell’energia netta calcolati per l’anno medio TMY (Typical Metereological Year).
Uno studio presentato a luglio 2018 al 14th International Symposium on Advanced Vehicle Control a Pechino ha mostrato i risultati di un modello termico per pannelli fotovoltaici installati su un veicolo. L’obiettivo del modello è quello di calcolare la temperatura e l’efficienza dei pannelli fotovoltaici sul veicolo in modo da poter determinare con più precisione la quantità di energia estraibile dai pannelli.
L’aumento di temperatura e la conseguente diminuzione del rendimento del pannello è più marcata durante le fasi di sosta del veicolo. Considerando una tipica giornata estiva, si è calcolato che il rendimento del pannello subisce un drastico calo. La sua efficienza si riduce del 21.5% rispetto alla condizione di riferimento.
La corretta stima del contributo solare per le auto è quindi necessaria sia per la progettazione sia per il controllo del veicolo. Tenendo conto degli effetti termici sul rendimento dei pannelli è possibile fare le opportune valutazioni per la progettazione dei materiali isolanti del veicolo e per il controllo del raffreddamento dell’aria nell’abitacolo durante le fasi di parcheggio, evitando così un eccessivo calo di efficienza.