Auto elettriche? Batterie con le ruote

In un sistema elettrico completamente decarbonizzato, cioè alimentato solo da fonti rinnovabili, i veicoli elettrici diventano parte del sistema. Se, come prevede il Piano nazionale integrato energia prima del Covid, si vuole arrivare al 2030 con le rinnovabili al 30% della fornitura di energia primaria e al 55,4% di quella elettrica, in Italia serviranno non soltanto 30mila ettari di pannelli fotovoltaici e 10mila pale eoliche aggiuntive, ma anche tanti sistemi di accumulo. C’è infatti da risolvere il problema di fondo delle fonti rinnovabili: la loro imprevedibilità e non programmabilità. Cioè serve poter stoccare l’energia quando se ne produce in eccesso, come spesso succede in estate, e rilasciarla con la massima efficienza quando sole e vento non coprono il fabbisogno (per esempio sempre nelle ore notturne).

Qui entrano in gioco le batterie a quattro ruote dei veicoli elettrici. Un tema che Vaielettrico.it ha approfondito molto bene. Nel 2030 le auto elettriche in circolazione in Italia potrebbero essere 6 milioni. Alimentare tante batterie con le ruote richiederà un surplus di produzione elettrica trascurabile: se anche tutto il parco auto italiano di 38 milioni fosse elettrico, la domanda annua di elettricità aumenterebbe solo del 15%. Ma se tutte fossero in carica contemporaneamente, per esempio alle 8 di sera, la richiesta di picco salirebbe già nel 2030 di circa 4 GW. Soddisfarla diventerebbe un problema avendo oggi una disponibilità programmabile (centrali termoelettriche) di appena 7 GW contro i 25 GW del 2013. Una delle soluzioni sarà giocoforza la collaborazione fra EV e rete elettrica. Per modulare, e a tratti interrompere la ricarica, o addirittura per prelevarla dalle batterie a quattro ruote nei momenti di massima richiesta del sistema.

Le rinnovabili e il Covid

Secondo i dati del Renewable Energy Report del Politecnico di Milano, nel 2019 le rinnovabili elettriche hanno contribuito alla copertura del 40,1% della produzione e del 35,6% della domanda elettrica nazionale, che ha raggiunto circa i 319,5 TWh. La produzione da rinnovabili ha segnato un +0,7% rispetto al 2018 con 113,7 TWh prodotti. In particolare si è registrata una crescita del 15% della generazione eolica e del 5% della generazione fotovoltaica, a fronte di un calo del 4,5% sia per la produzione da bioenergie che idroelettrica.

Da non sottovalutare anche il ruolo delle rinnovabili termiche, soprattutto le pompe di calore (da considerare per effetto del vettore di funzionamento che è elettrico e in diversi casi accoppiato a fonti rinnovabili) delle quali si contano oltre 19,6 milioni di unità installate, per una capacità complessiva installata pari a circa 124 GW, di poco in crescita anno su anno.

Il punto è che, anche prima del Covid, non eravamo in linea con le attese. Per la generazione da fonte solare era previsto un tasso medio annuo di crescita, tra il 2017 e il 2025, pari a 1,96 TWh, accompagnato da circa 1.100 MW di nuove installazioni ogni anno. La situazione purtroppo è molto diversa e il Covid ha causato una battuta d’arresto significativa nel corso del 2020.

In questo momento, ipotizzando che le installazioni di rinnovabili nel 2020, per effetto del Covid, saranno inferiori a quelle degli anni precedenti, si ottiene che tra il 2021 e il 2025 sarà necessario incrementare la capacità installata al ritmo di 1,48 GW/anno, in media, per raggiungere 28,55 GW al 2025. Per la generazione da fonte eolica era previsto un tasso medio annuo di crescita, tra il 2017 e il 2025, pari a 1,7 TWh, accompagnato da circa 770 MW di nuove installazioni ogni anno. Anche qui la situazione reale è differente, soprattutto per quanto riguarda l’installato, con una forte contrazione nel 2020. Ipotizzando anche qui che le installazioni nel corso del 2020 (per effetto del Covid) saranno il 50% di quelle dell’anno precedente, si ottiene che tra il 2021 e il 2025 sarà necessario incrementare la capacità installata al ritmo di 1GW/anno, in media, per raggiungere 15,95 GW al 2025.

Nello scenario tendenziale costruito dai curatori del Renewable Report sulla base del confronto con gli operatori, ipotizzando che, dopo il calo del 2020, dal 2021 riprendano le installazioni ma a un tasso di crescita normale della capacità installata, sostanzialmente pari a quello registrato nel 2019, al 2030 si avrebbe un gap rispetto all’obiettivo pari a oltre 23 GW per il fotovoltaico e di 3,5 GW per l’eolico.

A tutto questo si aggiunge il comparto dei sistemi di accumulo, per i quali bisognerà installare 3 GW di impianti centralizzati nei prossimi 5 anni e 4,5 GW di installazioni distribuite entro il 2030

Alla ricerca dell’equilibrio

Tornando alla collaborazione tra veicoli elettrici e rete elettrica, V1G è il tipo di tecnologia che consente di modulare la ricarica. Il rapporto veicolo-rete è unidirezionale, ma una gestione intelligente e programmata consente assorbimenti modulati o interrompibili, compatibili con la stabilità complessiva della rete. Non si ha capacità di stoccaggio aggiuntiva, ma si possono ottimizzare i prelievi limando i picchi di domanda.

Tutti i veicoli sono abilitati a ricaricare in questa modalità, a condizione di adottare caricatori capaci di dialogare con la rete e avendo preventivamente contrattualizzato tempi e modi per l’interruzione della ricarica. In pratica l’automobilista concede alla rete la possibilità di centellinare la fornitura di energia per la ricarica, entro un arco temporale predefinito e salvaguardando un minimo garantito.In cambio avrà dalla rete elettrica tariffe particolarmente vantaggiose e, in certe fasce orarie, perfino la fornitura gratuita.

NelV2G, la connessione fra veicolo e rete è bidirezionale. In caso di necessità, quindi, la batteria con le ruote può anche cedere energia alla rete, fungendo da accumulo supplementare diffuso. I prelievi vengono concordati, nelle quantità, nella frequenza massima, nelle fasce orarie. E ovviamente retribuiti secondo un tariffario. A oggi, però, solo un modello di auto, la Nissan Leaf,è abilitata alla bidirezionalità.

Questo grazie al sistema di ricarica CHAdeMO, lo standard adottato in Asia. L’altro standard europeo, CCS Combo, invece, non lo consente.

Stimare i possibili vantaggi per il possessore di un’auto elettrica collegata in modalità V2G è molto complesso, praticamente impossibile senza conoscere tutte le variabili in campo. Tra queste c’è sicuramente il costo delle infrastrutture di ricarica e l’abilitazione al V2G delle auto che adottano il sistema di ricarica CCS Combo. Ma la principale riguarda la vita delle batterie, che potrebbero degradarsi più rapidamente dovendo aggiungere ai cicli di ricarica-scarica per la trazione anche quelli richiesti dalle forniture alla rete. Indicazioni più precise verranno dai test in corso presso gli impianti del CESIcon il progetto diRSE(Ricerca Sistema Elettrico), Nissan che ha fornito due Leaf, Enel Xche ha installato due impianti di ricarica bidirezionali in DC da 15 kW. I test sono in corso: uno dei due veicoli simula un uso privato, l’altro quello di un’auto aziendale. L’obiettivo è raccogliere i dati che serviranno a elaborare gli algoritmi di gestione del dialogo fra auto e rete elettrica.

Un ulteriore passo avanti sarà l’adozione della modalitàV2H, che prevede l’integrazione del veicolo con l’ecosistema domestico, compresa l’autoproduzione di energia da fotovoltaico, e con la rete elettrica. Nel concreto la batteria dell’auto funge nel contempo da accumulo dell’energia autoprodotta per massimizzare l’autoconsumo, e da accumulo al servizio della rete.

Regolamenti e UVAM

Agli esperti di Vaielettrico.it non sfugge che ai problemi elettrici si aggiungono problemi regolamentari. È in vista un disegno di legge che autorizza il V2H e lo regolamenta. Ma anche l’avvio di V1G e il V2G richiede l’adozione di specifiche normative. Il complesso sistema elettrico italiano, infatti, è stato costruito su uno schema che vedeva pochi grandi produttori di energia con capacità minima installata di 10 MW, rapportarsi con gli organismi di regolazione e con gli operatori pubblici e privati del dispacciamento e della distribuzione. In una nuova realtà fatta di produzione distribuita, dove i nuovi protagonisti diventano i milioni di prosumer (produttori-consumatori, ciascuno con capacità inferiori ai 100 kW) lo schema deve cambiare. Serviranno soggetti terzi che, aggregando i prosumer, si presentino sul mercato con una massa critica sufficiente a garantire flessibilità e prontezza nella risposta.

La sperimentazione ha già portato alla nascita dei primi aggregatori, definiti UVAM(Unità Virtuali Abilitate Miste), ciascuno con una potenza minima da offrire al mercato di1 MW. In termini di ‘batterie con le ruote’, stima il CESI, si tratterebbe di aggregare almeno 150 punti di ricarica. Troppi per ipotizzare UVAM di condominio o di vicinato, ma non per immaginare chele grandi flotte aziendali si costituiscano autonomamente in UVAM. Una più dettagliata simulazione dello stesso CESIha preso in considerazione una mini aggregazione da 0,2 MW, con circa 30 veicoli collegati ad altrettanti punti di ricarica AC da 7 kW dalle 20 alle 8, e una percorrenza media di 20.000 km annui.

Le flotte aziendali si stanno già muovendo. Operando in modalità V1G, cioè garantendo alla rete solo la possibilità di modulare i prelievi, un’aggregazione del genere arriverebbe a ridurre i costi di ricarica del 40% circa. Il prossimo passo, dunque, potrebbe essere la diffusione della Vehicle-grid integration nelle nuove flotte aziendali elettriche. RSE, dando il buon esempio, si è già impegnato a convertire in elettrico e in ibrido plug in la totalità della sua flotta aziendale entro il prossimo anno.

Traffico e inquinamento

Scusate, colpa del traffico. Pare sia questa la scusa più gettonata di chi arriva in ritardo. E qualcosa di vero c’è. Secondo i numeri del Global card scorecard di Inrix, analisi dei trend della mobilità e della congestione urbana in 200 città di 38 Paesi, la città di Roma è seconda sul pianeta Terra per ore perse nel traffico. Al primo posto Bogotà, al terzo Dublino. Altre città italiane sono messe male: Milano è al settimo posto di questa triste classifica mondiale, a ridosso di Londra, Firenze al quindicesimo, subito dopo Rio de Janeiro. Poi Napoli (17) e Torino (22).

Sconcertante è dir poco. Nella capitale se ne vanno mediamente 254 ore l’anno a testa imbottigliati da qualche parte, a Milano 226. Firenze a quota 195 se la gioca con Napoli a 186, segue il capoluogo del Piemonte con 167. “La congestione delle città – dicono i ricercatori della Inrix – è un fenomeno globale indiscriminato che è drammaticamente influenzato dalla popolazione, dall’economia, dalle infrastrutture e dalla proliferazione di rideshare e servizi di consegna. Implica anche costi enormi sia dal punto di vista economico sia dal punto di vista sociale”.

Poi c’è l’aria inquinata. Anche il tempo perso è una forma di inquinamento, intendiamoci, ma meno grave dello smog. Perché capita anche di ascoltare chi sul serio non si lamenta del tempo trascorso in auto o sull’autobus – uno strano omaggio alla filosofia slow life – però sull’inquinamento dell’aria ha poco da obiettare.

Nelle zone più densamente popolate e trafficate si respira per molti giorni all’anno una quantità di sostanze tossiche che il nostro organismo non sopporta. Il problema è serio. Vero che la colpa è anche del riscaldamento degli edifici – sotto accusa soprattutto gli impianti a biomassa – ma neanche si può nascondere un problema puntando il dito contro gli altri.

Trasporti pecora nera nelle emissioni

Il settore dei trasporti, a partire dall’auto, è l’unico che non dà segni di rallentamento delle emissioni di CO2. Lo dice l’ultimo rapporto annuale del Global Carbon Project (globalcarbonproject.org) presentato a Madrid nell’ambito dei lavori del COP25. Rispetto a un anno fa oggi nel mondo si brucia meno carbone, ma più petrolio e più gas. Così le emissioni globali di CO2 rallentano la corsa, ma non smettono di aumentare. Toccando il nuovo massimo storico di 36,8 miliardi di tonnellate.

In sostanza succede che il settore della generazione elettrica continua a dismettere centrali a carbone, ma le rimpiazza principalmente con più sostenibili centrali a gas naturale anziché con fonti rinnovabili. Nei trasporti invece continua l’impennata del petrolio e questo settore resta quello più indietro nel contenimento delle emissioni clima alteranti. Il settore dei trasporti non ha mai interrotto il suo trend di crescita nelle emissioni di CO2.

Gli EV miglioreranno la qualità dell’aria

Oggi le automobili, da sole, sono responsabili di circa il 12% delle emissioni di gas serra dell’Unione Europea. E noi cosa stiamo facendo? Dall’ultimo report di RSE, la società di ricerca che fa capo al Gestore dei Servizi Energetici controllato dal Ministero dell’economia, emerge una posizione chiara e netta a favore di una mobilità più elettrica: “È opinione comune che la diffusione degli Electric Vehicle contribuirà a migliorare la qualità dell’aria nelle nostre città. Tale convinzione si basa sull’assenza di emissioni allo scarico delle auto elettriche. Inoltre, l’auto elettrica, o meglio la sua progressiva penetrazione nel mercato automobilistico, viene anche considerata uno strumento efficace per la de-carbonizzazione dei trasporti. Le stesse case automobilistiche, per ridurre le emissioni medie di CO2 della loro gamma, puntano su una elettrificazione dell’offerta. Come ulteriore evidenza, la maggior parte dei modelli che a oggi possono usufruire dell’ecobonus ministeriale ha una motorizzazione esclusivamente elettrica. La quasi totalità delle rimanenti sono ibride plug-in, ovvero auto dotate di motore endotermico e motore elettrico, con una batteria elettrica ricaricabile dalla rete che permette un’autonomia solitamente intorno ai 50 km. Quindi, ragionando solo in termini di inquinamento locale, non servono analisi quantitative per concludere che i veicoli elettrici sono una soluzione indubbiamente superiore rispetto ai veicoli dotati di motore a combustione interna”.

Dal pozzo alla ruota vince l’auto elettrica

Le conclusioni del Report RSE derivano da analisi well-to-well (dal pozzo alla ruota) paragonando le diverse tecnologie propulsive sulla totalità delle emissioni sia nella produzione del veicolo sia dell’energia propulsiva. “Sulla base di analisi well-to-wheel, i risultati di letteratura sono abbastanza uniformi nel confermare che i veicoli elettrici, in ragione anche di una maggiore efficienza, emettono meno CO2eq dei corrispondenti veicoli a combustione interna. Questo è tanto più vero quanto più alta è la penetrazione delle fonti rinnovabili e quanto minore è la presenza di carbone nel mix energetico utilizzato per ricaricare la batteria. Nel caso italiano, questo vantaggio è piuttosto evidente”.

Un’analisi well-to-wheel è ancora più chiara se la si scompone in well-to-tank (dal pozzo al serbatoio, in pratica il carburante) e tank-to-wheel (dal serbatoio alla ruota, cioè la tecnologia di propulsione). RSE è molto precisa nel giustificare l’approccio metodologico: “È lecito chiedersi, ed in molti se lo sono chiesti, se le emissioni legate alla produzione di energia elettrica per caricare le batterie non siano superiori a quelle causate dalla combustione di diesel o benzina nei motori endotermici tradizionali. Per caricare la batteria, infatti, occorre dell’energia elettrica che, nel suo ciclo produttivo, comporta delle emissioni di gas clima-alteranti (principalmente anidride carbonica). È chiaro che anche nella produzione e distribuzione di carburanti di origine fossile si generano emissioni di gas a effetto serra. Quindi, per una corretta valutazione degli effetti delle auto elettriche sulla riduzione delle emissioni clima-alteranti, bisogna considerare anche le emissioni che avvengono prima dell’utilizzo del veicolo, come quelle che derivano dalla produzione del diesel, della benzina o dell’elettricità. In altri termini, quando si confrontano le emissioni clima-alteranti di veicoli elettrici e di veicoli tradizionali, serve adottare un approccio well-to-wheel. Per completare un simile approccio, occorre valutare le emissioni di tutti i gas che contribuiscono al cambiamento climatico, anidride carbonica in primis, ma anche metano ed N2O tra i principali, pesati come anidride carbonica equivalente (CO2eq). Infine, poiché i veicoli elettrici sono profondamente diversi dai veicoli tradizionali, si pensi solo alla batteria di circa 300 kg di cui è dotato un veicolo elettrico medio, occorre anche considerare gli effetti legati alla produzione e alla dismissione di veicoli e batterie. È opportuno quindi adottare un approccio di analisi del ciclo di vita o Life Cycle Assessment (LCA) così come standardizzato dalla norma ISO 14040”.

Blockchain per la mobilità elettrica

Un aiuto alla Vehicle-grid-integration arriva dalla Blockchain. Secondo il Digital Energy Report del Politecnico di Milano, la blockchain permetterebbe di diminuire l’impatto negativo della mobilità elettrica sulla rete di trasmissione e distribuzione elettrica abilitando la ricarica V2G/V2X.

Non tutte le batterie sono cinesi

La batteria può nascondere un mix energetico sfavorevole soprattutto se è prodotta in Cina (tanto carbone e poche rinnovabili), ma le cose stanno cambiando. Uno perché anche la Cina sta migliorando nella produzione di elettricità da FER, due perché si stanno diffondendo stabilimenti produttivi anche in Europa e America, vedi la Gigafactory di Tesla, dove il mix è più favorevole. Inoltre nuove tecnologie stanno riducendo il consumo di energia in fase di produzione. Tanto che oggi le emissioni sono molto diverse da produttore a produttore:spaziano da 250 kg di CO2eq a kWh a meno di 50 kg (fonte: Vaielettrico.it).

Considerati tutti i fattori “i veicoli elettrici hanno emissioni di CO2eq sempre sostanzialmente inferiori a quelli degli omologhi veicoli a combustione interna a parità di modello e di potenza” (fonte: Report RSE).