Auto ibride ed elettriche e biocombustibili: standard tecnici e impatto ambientale | Ingegneri.info

Auto ibride ed elettriche e biocombustibili: standard tecnici e impatto ambientale

Normazione tecnica e stato dell’arte della mobilità ibrida ed elettrica, tra effetti reali e dati standard di riferimento. Dal dossier Uni

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di Gian Maurizio Rodella – Direttore CUNA – Commissione tecnica di Unificazione nell’Autoveicolo

L’esigenza sempre più pressante di riduzione delle emissioni gassose “effettive” sta portando a una vera e propria rivoluzione nelle strategie delle municipalità (che devono ottemperare alle direttive legate alla salute pubblica) e, conseguentemente, delle case costruttrici di autoveicoli. Le principali esigenze legate alla riduzione delle emissioni gassose riguardano, in particolare, l’anidride carbonica (CO2), il particolato (pm particelle sottili). Per l’anidride carbonica l’esigenza è globale (è infatti necessario diminuire la quantità totale a livello mondiale ed è necessaria per limitare l’effetto serra (principale responsabile delle modifiche climatiche) e si realizza utilizzando autoveicoli ad alto rendimento; la produzione di anidride carbonica, infatti, è direttamente proporzionale al consumo. Per il particolato l’esigenza è legata alla riduzione delle emissioni di particelle in particolare nei centri urbani ad alta densità abitativa (come sappiamo le particelle sottili sono responsabili di molte affezioni respiratorie).
Qui di seguito si riporta una piccola panoramica dei prodotti disponibili per migliorare queste problematiche, segnalando però alcune “incongruenze”, che nascono come conseguenza di decisioni talvolta un po’ “affrettate”: per ridurre le emissioni di particolato è iniziata la guerra ai motori diesel (anche a quelli moderni ed ecologici, muniti di trappola del particolato), che però, va sempre ricordato, sono ad oggi i motori più efficienti e pertanto quelli che emettono meno anidride carbonica. Un’altra importante considerazione da fare riguarda la densità energetica (che si definisce come la quantità di energia immagazzinata per unità di massa) e si misura in Wh/kg; rappresenta l’energia incamerata in un determinato sistema. Confrontando i normali combustibili con le batterie di varie tipologie la situazione è la seguente:
• gasolio 12.000 [Wh/kg]
• benzina 12.200 “
• Metano (CNG) (250 bar) 12,100 “
• Gas di petrolio liquefatto (GPL) 13.400 “
• batteria agli ioni di litio 150 “
• batteria al nickel 90 “
• batteria al piombo 40 “
Come si vede le differenze sono enormi (a favore dei combustibili tradizionali) e saranno necessari anni e investimenti molto corposi per avvicinare questi valori; la situazione riportata, inoltre, è anche la spiegazione immediata del motivo per il quale le vetture elettriche sono costrette a trascinare pesi molto superiori alle vetture tradizionali.

Tabella 2

Veicoli ibridi

I veicoli elettrici sono a emissioni “zero” nella zona di funzionamento; per valutare però l’impatto complessivo sull’ambiente, è necessario verificare con quali sistemi è prodotta l’energia elettrica per la loro ricarica: se immaginiamo che una grande città utilizzi esclusivamente veicoli elettrici, l’impatto ambientale locale sarà praticamente zero ma, se l’energia elettrica fosse prodotta con centrali a carbone, l’impatto complessivo sarebbe molto pesante. Sono inoltre da considerare le problematiche del fine vita di questi veicoli, con particolare riferimento agli accumulatori (decisamente più impattanti rispetto ai veicoli ibridi).

Utilizzo di combustibili naturali e dei biocombustibili gassosi

Si definiscono biocombustibili (gassosi e liquidi) quei prodotti realizzati mediante l’impego di risorse rinnovabili (agricoltura) o mediante fermentazione anaerobica di sostanze organiche. Rappresentano un grande aiuto per ridurre l’impiego di prodotti derivati dal petrolio. L’utilizzo di gas naturale (sia allo stato gassoso sia allo stato liquido) e biogas rappresenta un’importante alternativa ai combustibili derivati dal petrolio. L’Italia è leader europeo relativamente alle tecnologie e ai componenti per l’utilizzo di veicoli alimentati a gas e ciò consente e consentirà sempre di più di sostituire veicoli pesanti diesel con veicoli a gas ad alto rendimento, con basso impatto ambientale e anche più silenziosi. L’utilizzo del metano liquido, inoltre, risolve il problema della limitata autonomia dei veicoli alimentati a metano gassoso, limitazione importante per i trasporti sul medio-lungo raggio. Uno dei vantaggi di questi combustibili è che vengono direttamente estratti dal terreno o prodotti da utilizzo di vegetali o residui urbani, non ha pertanto bisogno di raffinazione, come succede nei combustibili tradizionali.

Utilizzo di biocombustibili liquidi

Rappresentano una buona opportunità per limitare i prodotti derivati dal petrolio; oggi sia i combustibili per motori ad accensione comandata (quelli con la candela d’accensione) che quelli ad accensione spontanea (diesel) sono realizzati mescolando nei derivati di petrolio quantità di biocombustibile che arrivano fino al 10% per i motori a benzina e fino al 7% per i motori diesel.

Impatto ambientale globale

Per valutare in modo razionale il reale impatto che un veicolo causa, è necessario valutare ciò che accade durante tutto il ciclo di vita, ivi compreso il fine vita. Esiste un importante e voluminoso studio “Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles” pubblicato sul Journal of Industrial Ecology, che mette in relazione la produzione di CO2 equivalente (espressa in g/km) per le diverse tipologie di veicoli, analizzando nei diversi Paesi come viene prodotta l’energia elettrica. Le conclusioni sono talvolta sorprendenti: i Paesi in cui i veicoli elettrici hanno un impatto più basso sono Paraguay, Islanda, Svezia, Brasile e Francia (con un livello di CO2 equivalente che va da 70 g/km a 93 g/km), mentre in Italia siamo intorno a 170 g/km. I Paesi dove il veicolo elettrico ha un impatto maggiore sono Cina, Australia, Sudafrica, India (a causa dell’energia elettrica prodotta ancora sostanzialmente mediante centrali a carbone) e il valore della CO2 equivalente va da 258 g/km a 370 g/km! Tali valori sono sensibilmente superiori ai valori dei veicoli tradizionali a benzina o diesel moderni. In conclusione una considerazione di tipo generale: la diminuzione dell’impatto ambientale si deve realizzare con il contributo di tutte le tecnologie disponibili e con i comportamenti adeguati, qui di seguito alcuni esempi:
• utilizzo di veicoli ibridi alimentati a metano (e biometano);
• veicoli per la mobilità urbana pubblica che utilizzino anche sistemi di ibridizzazione realizzati “ad hoc” in funzione delle mission e degli specifici profili altimetrici di ogni città;
• corsi di addestramento per gli autisti, tendenti a massimizzare il risparmio ottenibile con le varie tipologie di veicoli. Bisogna considerare che per limitare l’inquinamento e la produzione di CO2 sono necessarie più azioni sinergiche che portano a risultati interessanti: non esiste la soluzione che da sola raggiunge l’obiettivo. Qui di seguito si riportano due tabelle che contengono rispettivamente:
gli standard e i progetti di norma ISO relativi ai veicoli ibridi ed elettrici (sviluppati dall’ISO/TC 22/SC 37 con il contributo CUNA);
gli standard CEN con le caratteristiche dei combustibili.

Standard e i progetti di norma ISO relativi ai veicoli ibridi ed elettrici

ISO 6469-1:2009
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 1: On-board rechargeable energy storage system (RESS)
ISO/DIS 6469-1 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 1: Rechargeable energy storage system (RESS)
ISO 6469-2:2018
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 2: Vehicle operational safety
ISO 6469-3:2011
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 3: Protection of persons against electric shock
ISO/FDIS 6469-3 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 3: Electrical safety
ISO 6469-4:2015
Electrically propelled road vehicles – Safety specifications – Part 4: Post crash electrical safety
ISO/TR 8713:2012
Electrically propelled road vehicles – Vocabulary
ISO 8714:2002
Electric road vehicles – Reference energy consumption and range – Test procedures for passenger cars and light commercial vehicles
ISO 8715:2001
Electric road vehicles – Road operating characteristics
ISO/TR 11954:2008
Fuel cell road vehicles – Maximum speed measurement
ISO/TR 11955:2008
Hybrid-electric road vehicles – Guidelines for charge balance measurement
ISO 12405-1:2011
Electrically propelled road vehicles – Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems – Part 1: High-power applications
ISO 12405-2:2012
Electrically propelled road vehicles – Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems – Part 2: High-energy applications
ISO 12405-3:2014
Electrically propelled road vehicles – Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems – Part 3: Safety performance requirements
ISO/FDIS 12405-4 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems – Part 4: Performance testing
ISO/PAS 16898:2012
Electrically propelled road vehicles – Dimensions and designation of secondary lithium-ion cells
ISO 17409:2015
Electrically propelled road vehicles – Connection to an external electric power supply – Safety requirements
ISO/AWI 17409 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Conductive power transfer – Safety requirements
ISO 18300:2016
Electrically propelled vehicles – Test specifications for lithium-ion battery systems combined with lead acid battery or capacitor
ISO/PAS 19295:2016
Electrically propelled road vehicles – Specification of voltage sub-classes for voltage class B
ISO/PAS 19363:2017
Electrically propelled road vehicles – Magnetic field wireless power transfer – Safety and interoperability requirements
ISO/FDIS 20762 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Determination of power for propulsion of hybrid electric vehicle
ISO/CD 21498 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Electrical tests for voltage class B components
ISO/CD 21782-1 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Test specification for components for electric propulsion – Part 1: General
ISO/CD 21782-2 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Test specification for components for electric propulsion – Part 2: Testing performance of systems
ISO/CD 21782-3 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Test specification for components for electric propulsion – Part 3: Testing performance of motor and inverter
ISO/CD 21782-6 [Under development]
Electrically propelled road vehicles – Test specification for components for electric propulsion – Part 6: Testing reliability of motor and inverter
ISO 23273:2013
Fuel cell road vehicles – Safety specifications – Protection against hydrogen hazards for vehicles fuelled with compressed hydrogen
ISO 23274-1:2013
Hybrid-electric road vehicles – Exhaust emissions and fuel consumption measurements – Part 1: Non-externally chargeable vehicles
ISO 23274-2:2012
Hybrid-electric road vehicles – Exhaust emissions and fuel consumption measurements – Part 2: Externally chargeable vehicles
ISO 23828:2013
Fuel cell road vehicles – Energy consumption measurement – Vehicles fuelled with compressed hydrogen
IEC 62752:2016
In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)

“Estratto dal Dossier – Un’Europa sempre più verde entro il 2050 – tratto da U&C 5/2018″ pubblicato su U&C 5/2018”.

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