SEB-V: Analisi LCA-WtW 1 Veicoli a propulsione elettrica e ibrida Valutazione di impatto ambientale.

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1 SEB-V: Analisi LCA-WtW 1 Veicoli a propulsione elettrica e ibrida Valutazione di impatto ambientale

2 2 Analisi del ciclo di vita (LCA: Life-cycle analysis) (1/2) 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). SEB-V: Analisi LCA-WtW La natura ha un funzionamento circolare: i materiali morti del bosco vengono processati da forze naturali e convertiti in humus 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

3 SEB-V: Analisi LCA-WtW 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.

4 Gli studi concordano nell’attribuire, per i veicoli, alla vita utile il contributo di impatto ambientale di gran lunga più significativo. Accanto le emissioni di gas serra (CO 2 e altro) nel caso di veicolo ibrido secondo [1]. Da notare come il riciclaggio venga considerato come un valore negativo, in quanto è un risparmio di emissioni per future costruzioni [1]Boureima et al: “Comparative LCA of electric, hybrid, LPG and gasoline cars in Belgian context”, Simposio EVS 24, Stavanger 2009 LCA dei sistemi veicolari

5 Ancora uno studio che mostra come la vita utile sia determinante. Il punto di vista dei gas serra [1]. [1] Messagie M., et al: “Life Cycle Assessment of conventional and alternative small passenger vehicles in Belgium”, VPPC 2010 LCA dei sistemi veicolari

6 SEB-V: Analisi LCA-WtW 6 Analisi energetica del ciclo di vita di veicoli stradali Essendo l’emissione di CO 2 strettamente legata al consumo di energia (quando essa è prelevata da combustibili fossili) non è difficile convincersi che anche dal punto di vista dei gas serra la fase di gran lunga più importante del ciclo di vita di un veicolo stradale è quella della vita utile.

7 SEB-V: Analisi LCA-WtW 7 Analisi dal pozzo alle ruote L’energia serve ai veicoli per produrre moto. L’energia utile è quindi quella disponibile alle ruote. E’ importante confrontare il dispendio energetico globale di diversi veicoli: l’energia dispersa fra quella disponibile dalla fonte primaria e quella utile, quindi alle ruote. Si fa quindi un’analisi detta dal pozzo alle ruote (well-to-wheels). Naturalmente questa terminologia fa riferimento all’utilizzo del petrolio come fonte primaria, ma in generale l’analisi va fatta a partire dalla fonte primaria dove essa è disponibile in natura fino alle ruote. Anche per valutare le emissioni di gas serra occorre considerare l’intero percorso dal pozzo alle ruote. Molti veicoli comportano consumi energetici (e emissioni di CO 2 ) prevalentemente durante l’uso del veicolo (veicoli a MCI), altri durante la preparazione dell’energia da fornire al veicoli (veicoli elettrici a batteria) Pertanto è opportuno dividere il percorso dal pozzo alle ruote in due fasi: dal pozzo al serbatoio (well-to-tank) dal serbatoio alle ruote (tank–to-wheels)

8 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

9 Parametri di confronto Effetti globali Effetto serra (CO 2, CH 4, N 2 O, SF 6 ) Acidificazione (SO 2, NOx, NH 3 ) Consumo di materie prime Impegno del territorio Effetti locali Emissioni tossiche (particolato, NO x, CO, HC) Altre emissioni (rumore, vibrazioni) (impegno del territorio)

10 SEB-V: Analisi LCA-WtW 10 I gas serra(1/2) g CO 2 equivalenti SAR (1995)AR4 (2007) CH 4 2125 N2ON2O310298 SF 6 2390022800 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: Secondo l’AR4, va quindi usata la seguente formula: (e = emissioni in g) GWP=e(CO 2 )+25e(CH 4 )+298 e(N 2 O)+22800(SF 6 ) (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.

11 SEB-V: Analisi LCA-WtW 11 I gas serra(2/2) Effetto serra: di origine antropica? I principali gas serra sono rimasti pressoché costanti per 10000 anni, e sono improvvisamente variati a partire dalla rivoluzione industriale. In particolare la CO 2 + stata fra 260 e 280 ppm per 10000 anni ed è aumentata a 380 ppm in pochi secoli. CO 2 CH 4 N2ON2O ppm 2000coeffGWP% 3801 71 1,72542,58 0,3729811021 533100

12 SEB-V: Analisi LCA-WtW 12 Generazione di gas serra con la combustione Il consumo di energia proveniente da idrocarburi comporta inevitabilmente sviluppo di CO 2. Per fare la corrispondenza basta fare riferimento all’entalpia della reazione di combustione dell’idrocarburo: C n H m +(n+m/4)O 2  nCO 2 +(m/2)H 2 O ΔH=-??? kJ/mol Alcuni risultati nella seguente tabella (l’idrogeno, riportato per confronto, non è un idrocarburo): Combust.g(CO 2 )/MJCombust.g(CO 2 )/MJ Benzina73,4Etanolo71,3 Gasolio72,8Metanolo68,6 Gas metano56,4Idrogeno0,0

13 SEB-V: Analisi LCA-WtW 13 Analisi UNIPEDE/CIVES dal pozzo alle ruote Emissioni gas serra fortemente inferiori nel caso del veicolo elettrico Risultato fortemente dipendente dal mix di centrali considerato Anche considerando il mix italiano la soluzione elettrica è di gran lunga avvantaggiata dal punto di vista dell’emissione di gas serra Emissioni di anidride carbonica nel ciclo standard Europa

14 SEB-V: Analisi LCA-WtW 14 Analisi UNIPEDE dal pozzo alle ruote: mix produttivo europeo La presenza di una forte componente nucleare favorisce notevolmente la propulsione elettrica Fonti energetiche per la produzione dell’energia elettrica in Europa – Anno 2000

15 SEB-V: Analisi LCA-WtW 15 Inquinanti - Analisi dal pozzo alle ruote (UNIPEDE) I valori qui riportati non tengono conto del fatto importante che le emissioni in ambito cittadino contribuiscono molto di più alle concentrazioni nell’atmosfera che in città si respira rispetto a quelle nelle centrali di produzione dell’energia. Se si tenesse conto delle concentrazioni degli inquinanti in ambito urbano (in luogo delle emissioni globalmente valutate del tipo di quelle dei grafici sopra riportati), evidentemente i veicoli elettrici, che hanno emissioni nulle TtW, risulterebbero molto più vantaggiosi. Per analisi semplificate, ma comunque significative, si può considerare trascurabile l’impatto delle emissioni inquinanti in atmosfera provenienti dalle centrali di produzione; resta invece fondamentale valutare questi contributi remoti ai fenomeni realmente globali, quali l’effetto serra e la produzione di piogge acide

16 SEB-V: Analisi LCA-WtW 16 Utilità dell’auto a batteria oggi Incidenze percentuali delle percorrenze medie giornaliere in Europa Le percorrenze medie giornaliere in Europa sono per ampie percentuali (95% compatibili con l’autonomia di un’auto a batteria moderna (150 km). Le situazioni di conflitto in ambito familiare sono però severe in caso di necessità di effettuazione di un viaggio. Se si considera però l’auto elettrica come seconda auto familiare le situazioni di conflitto risultano rarissime e ben risolvibili. Resta molto serio il problema di poter disporre di una presa di corrente per la ricarica notturna, essendo la maggior parte delle auto parcheggiate in suoli pubblici. Questo comporta il problema infrastrutturale non secondario di dotare i punti di parcheggio di punti di ricarica e contabilizzazione dell’energia. Inoltre andrebbero fortemente incentivate le ricariche notturne, le quali sono molto convenienti in quanto non implicano necessità di costruire nuove centrali e consentono di prelevare energia da centrali “di base” ad altissimo rendimento

17 SEB-V: Analisi LCA-WtW 17 Procedura per analisi energetica comparata WtW per diverse tipologie di veicolo (fonte primaria: gas naturale)

18 SEB-VT: Analisi LCA-WtW 18 Stima efficienza dell’azionamento ComponenteEfficienza massima Efficienza media Trasmissione-97% Inverter97%94% Macchina elettrica 97%96% TOTALE87,5% Ma in condizioni reali il veicolo non è semplicemente scaricato: al flusso principale di scarica si sovrappongono scariche/ricariche parziali, corrispondenti ad accelerazioni/frenature a recupero. Da simulazioni numeriche si vedrà come su ciclo NEDC questo determina un degrado sensibile dell’efficienza. Sulla base delle nostre simulazioni assumiamo un rapporto fra efficienza di semplice ciclo e di ciclo NEDC pari al 94%, pertanto l’efficienza dell’azionamento su NEDC diviene 0.94*87,5=82% Assumiamo 80%. (=Rapporto fra energia netta uscente dalla batteria e erogata alle ruote) Esempio di efficienza di macchina elettrica moderna da 40 kW (formula SAE elettrica?

19 SEB-VT: Analisi LCA-WtW 19 Stima efficienza della batteria Il rendimento delle batterie è spesso valutato in cicli si carica completa / scarica completa Per le batterie al litio di buona qualità assumiamo i seguenti valori di esempio (da *) Fatt. di Corr. in carica (A/Ah) (°) 0,5 1111 Fatt. di corr. In scarica (A/Ah) (°) 0,5125 125 Efficienza %94,594,392,38793,693,291,186,1 (*) Dati da catalogo Kokam di batterie Litio di tipo NMC (°) Rapporto fra la corrente di carica e scarica e la capacità nominale, per scariche in 1h Nel normale funzionamento del veicolo, da batteria piena a piena non vi è però un’unica carica seguita da scarica, ma vi sono molte microcariche nelle fasi di frenatura e la corrente è fortemente variabile. Pertanto dell’efficienza di ciclo della batteria va inevitabilmente fatta sulla base di simulazioni del funzionamento. A velocità costante le correnti sono basse e l’efficienza alta, in accelerazione e frenatura a recupero le efficienze si riducono. Nella nostra simulazione si osserva un’efficienza del 84% Per l’esempio numerico della pagina seguente si utilizza un’efficienza media del 82%

20 SEB-V: Analisi LCA-WtW 20 Esempio numerico (i valori di efficienza da valutare caso per caso!!)

21 SEB-V: Analisi LCA-WtW 21 Analisi energetica comparata WtW per diverse tipologie di veicolo (fonte primaria: gas naturale) I veicoli più favorevoli all’ambiente oggi considerati sono: - veicoli a batteria - ibridi di tipo plug-in - veicoli a FC e idrogeno Il grafico riporta valori usualmente considerati come ragionevoli per le varie perdite energetiche di conversione. Il principale risultato è che globalmente i veicoli a batteria sono vincenti, mentre appare non confermata allo stato attuale della tecnologia la competitività energetica dei veicoli a idrogeno. I veicoli ibridi di tipo plug-in si trovano in una situazione intermedia. Però non presentano i problemi di autonomia e tempi di ricarica tipici dei veicoli a batteria. Il grafico è effettuato con valori di efficienza realistici ma non assoluti, e relativi alle migliori tecnologie esistenti. Valutazioni di precisione vanno effettuate inevitabilmente caso per caso. Perdite rete da centrale: Fino AAT, 0,9%; fino AT: 2,9%, fino MT: 5,1%, fino BT; 10% Poi ci va messo l’inverter: altro 3%

22 Alcune difficoltà Il confronto fra veicoli elettrici e convenzionali è difficile perché: Gli elettrici hanno emissioni prevalentemente locali, i convenzionali prevalentemente globali E’ difficile “sommare” elementi così diversi quali l’effetto serra, le emissioni tossiche o il rumore Le emissioni vanno valutate in condizioni equivalenti ripetibili e significative Occorre definire una scala di pesi La regolamentazione degli effetti globali richiede un coordinamento internazionale (globale) Se si pianifica un territorio molto inurbato si darà maggiore accento agli effetti locali La coscienza collettiva del valore delle risorse si evolve nel tempo (es. consumo del territorio)

23 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Impatto ambientale Consumo delle risorse Consumo delle materie prime Consumo di energia Danneggiamento della qualità dell’eco-sistema Emissione di gas serra Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide Danneggiamento della salute umana Dispersione nell’ambiente di rifiuti solidi dannosi Emissione di gas inquinanti Le presenti slides descrivono i contenuti dell’articolo scientifico “An Evaluation of global environmental and energy value of vehicle technologies”, di P. Menga (CEI-CIVES) e M. Ceraolo (DSEA)

24 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Scenario Anno 2010-2015 Cicli di riferimento: NEDC, Artemis Veicoli considerati ICE Spark ignition (fed by Petrol, Ethanol E85, Natural gas) Compressed ignition (fed by Diesel, Soybean Biodiesel) BEV (Battery Electric Vehicles) Lithium-based battery vehicle HEV (Hybrid Electric Vehicles) Mild hybrid vehicle Plug-in hybrid vehicle FCEV (Fuel Cell Vehicles) PEM-FC Hydrogen vehicle Dati di emissione considerati Emissioni TtW dei veicoli: per i veicoli dotati di ICE, si è ipotizzato che essi emettano esattamente nelle concentrazioni limite stabilite dalla norma EURO5; per gli altri (es. veicoli a biocombustibile) si sono presi dati dalla letteratura Emissioni di tipo WtT: si sono assunti valori ricavabili da studi bibliografici

25 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Criterio di analisi: distinzione tra effetti locali ed effetti globali Effetti locali Emissione di gas inquinanti: CO, HC, NO x, PM Effetti globali Consumo di materie prime: petrolio, gas naturale Consumo di energia Emissione di gas serra: CO 2, CH 4, N 2 O Il potenziale di produzione dell’effetto serra viene calcolato attraverso l’espressione: e eq =e(CO 2 )+21e(CH 4 )+310 e(N 2 O) Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide: SO 2, NO x, NH 3 Il potenziale di produzione delle piogge acide viene calcolato attraverso l’espressione: p ar =(1/32)e(SO 2 )+(1/46)e(NO x )+(1/17)e(NH 3 ) Effetti locali e globali sono valutati nel ciclo Artemis attraverso l’impiego di coefficienti correttivi, prendendo a riferimento i dati ottenuti nel ciclo NEDC

26 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Cicli a confronto Ciclo NEDC In NEDC è il ciclo correntemente usato per le omologazioni. I veicoli elettrici traggono vantaggio dalla frenatura a recupero e sono meno influenzati nelle emissioni dalle alte dinamiche: cicli più realistici (tipo Artemis) sono in grado di valutarne meglio i benefici

27 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Effetti locali, ciclo reale Vehicle CO [g/km] HC [mg/km] NOx [mg/km] PM [mg/km] ClassTypeFuel ICE CI diesel0.50-6002.0 soybean diesel 0.25-7201.0 SI petrol3.0015060- NG 1.505060- E85 3.004820- mild HEV CI diesel0.30-3601.2 SI petrol1.805035- NG0.901535- PHEV (50-50) SI petrol and electricity 0.904518- BEVLielectricity  0 00 00 00 FCPEM hydrogen  0 00 00 00

28 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Effetti globali, ciclo reale Vehicle CO 2eq [g/km] Primary Energy [Wh/km] Oil & Gas consumption [%] (*) NOx [mg/km] SO 2 [mg/km] Classtypefuel ICE CI diesel 216770 801410 74,3 soybean diesel 47220 (°)241611 13,5 SI petrol 23079783519 81,0 NG 20390594168 6,8 E85-Corn 171625 (°)651166 27,0 E85-SugarCane 68186 (°)19758 8,1 mild HEV CIdiesel 18265869780 77,0 SI petrol 19674277294 84,0 NG 1687007398 7,0 PHEV (50-50) SI petrol and electricity 133632 55 (13 oil and 42 gas) 16689,2 BEV Lielectricity 85547 37 (9 oil and 28 gas) 48108,2 FCPEMelectricity 2001195 62 (14 oil and 46 gas) 79179,9 FCPEMNG 1254095011915,3 (°) excluding sun energy used to grow crops (*) comparison in energy with typical Euro 3 petrol vehicles

29 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un metodo globale di analisi di impatto ambientale WtW Definizione di un indicatore di impatto ambientale  Scelta di un veicolo di riferimento vettura a benzina EURO3  Introduzione di coefficienti di ponderazione per i diversi effetti considerati  Calcolo dell’impatto ambientale relativo  Definizione di un ECO-score Impatto relativo del veicolo considerato = Impatto totale del veicolo considerato Impatto totale del veicolo di riferimento Impatto relativo del veicolo considerato 1 ECO-score = La difficoltà legata alla presenza di grandezze dimensionalmente diverse è superata grazie al calcolo dell’impatto ambientale relativo, nonché all’introduzione di specifiche funzioni di costo (si consiglia di consultare l’articolo per ulteriori dettagli)

30 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un esempio di risultati con il metodo globale Risultati Vehicle Relative Impact Eco-Score Improvement % ClassTypeFuel ICE SI Reference Euro 3 petrol 1,00// CI diesel1,030.970 soybean diesel0,681.4747 % SI petrol0,741.3535 % NG0,601.6767 % E85-Corn0,631.5858 % E85-SugarCane0,323.12212 % mild HEV CI diesel0,761.3232 % SI petrol0,601.6767 % NG0,511.9696 % PHEV (50-50) SI petrol and electricity 0,462.17117 % BEV Li electricity0,323.13213 % FCPEM electricity0,601.6767 % FCPEM NG0,372.70170 %

31 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Analisi ambientale con il metodo globale: Indicatore normalizzato per le tipologie analizzate 31

32 SEB-VT: Analisi LCA-WtW Un esempio di analisi con il metodo globale Conclusioni La soluzione elettrica appare vantaggiosa, in proporzione al grado di elettrificazione impiegato (mild HEV, PHEV, BEV) Un’autovettura Diesel EURO5 ha, globalmente, lo stesso impatto ambientale di un’autovettura a benzina EURO3 La validità della soluzione a idrogeno è fortemente influenzata dal metodo di produzione del combustibile; la soluzione che prevede il reforming da gas naturale appare interessante I veicoli a canna da zucchero hanno un impatto molto modesto. Occorre però rilevare che l’analisi andrebbe integrata con una valutazione quantitativa dell’impatto dovuto all’impegno di territorio per la produzione della energia primaria; è facile convincersi che questo renderebbe le soluzioni basate su biocombustibile molto meno competitive di quanto riportato nelle slides precedenti. (*) (*) Analisi quantitative mostrano ad esempio come la coltivazione più promettente, quella di canna da zucchero, richiederebbe un impegno, in Italia, di 30000 m 2 per alimentare un’autovettura media che percorresse in un anno 15000 km