La prospettiva di una sempre crescente diffusione dei veicoli elettrici è motivo di studi e valutazioni sia tecnici che ambientali. Un confronto tecnico-economico tra PHEV e BEV (a batteria “puri”) nei prodotti che offrono le Case insieme ad uno guardo attento agli studi mirati che danno risposte in “dati” al problema dell’inquinamento nei centri urbani, nonché alla ricarica con i suoi riflessi sulla rete elettrica, mettono in luce i risvolti più significativi del tema “mobilità elettrica”
In Europa, la grandissima maggioranza dei veicoli si muove su motori a combustione interna, anche se il numero di quelli elettrici è aumentato negli ultimi anni. Secondo l’Agenzia Europea per l’Ambiente (EEA), i trasporti sono responsabili di circa un quarto delle emissioni di gas serra dell’Unione Europea. Di questo 25%, i tre quarti provengono dal trasporto stradale. I trasporti sono poi l’unico settore economico significativo in Europa in cui le emissioni di gas serra sono cresciute dal 1990, ed è il principale contributore alle emissioni di ossidi di azoto. Il settore dei trasporti italiano consuma ben 28,98 milioni di tonnellate di petrolio equivalente (Mtep) all’anno, di cui i combustibili fossili rappresentano circa il 94% della domanda finale di energia.
Questa dipendenza rappresenta una sfida significativa in termini del raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità. Fortunatamente, i progressi in campo tecnologico offrono oggi soluzioni promettenti.
Infatti, i motori elettrici, con il loro impressionante 81% di efficienza “dal serbatoio-alla ruota” rispetto al 30-36% dei motori a combustione interna, rappresentano un vero cambio di paradigma. Questo si traduce in un sostanziale potenziale di riduzione delle emissioni, minore dipendenza dai combustibili fossili e, in definitiva, un sistema di trasporti più sostenibile per l’Italia. Vantaggi intrinseci che contribuiscono ad aumentare l’attrattiva dell’elettrificazione dei veicoli rispetto ai veicoli convenzionali.
Il mercato automobilistico italiano ha registrato negli ultimi anni una flessione, in gran parte attribuita all’impatto della pandemia. Nel 2022, le vendite di autovetture hanno raggiunto 1.317 milioni di unità, con i veicoli “termici puri” (ICE) che compongono il segmento dominante al 57,1%. I veicoli elettrici ibridi (HEV) detengono una quota significativa pari al 34%, mentre i veicoli ibridi plug-in (PHEV) e quelli elettrici a batteria (BEV) rappresentavano rispettivamente il 5,1% e il 3,7%. Gli ultimi due si distinguono per l’elevata autonomia in solo elettrico.
Nonostante i vantaggi ambientali, comparabili come di seguito illustrato, per un’adozione diffusa di veicoli elettrici a batteria (BEV) e dei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) sono essenziali approcci distinti.
BEV e PHEV
I BEV eccellono per le emissioni zero e l’indipendenza energetica dai combustibili fossili, ma richiedono importanti investimenti nelle infrastrutture di ricarica e potrebbero dover ancora fronteggiare barriere all’adozione legate alla loro autonomia, specie per le taglie piccole e medie, in funzione dei progressi delle batterie anche in termini di costo.
Al contrario, i PHEV offrono una flessibilità superiore grazie al doppio propulsore, mitigando l’ansia da autonomia con il backup della benzina e integrandosi perfettamente con le esistenti reti di distribuzione. I due propulsori se pur richiedono una maggiore complessità del sistema non necessariamente comportano un maggior costo e un maggior peso, vedi per un primo confronto le tabelle 1 e 2. Tuttavia, la loro (parziale) dipendenza dai combustibili fossili potrebbe ostacolare le aspirazioni di riduzione delle emissioni a lungo termine. Nonostante questa preoccupazione, i PHEV rappresentano un’ampia quota del mercato flotta elettrica in Europa. Ciò è in parte dovuto al senso di familiarità che ispirano grazie all’alimentazione a benzina ma anche alla loro maggiore flessibilità nel soddisfare tutte le esigenze di viaggio. Infine, la possibilità per i PHEV, caratterizzati da batterie più piccole, di caricare a bassa potenza durante le ore non di punta e di completare la ricarica entro i limiti tipici della durata delle soste brevi, consente strategie di ricarica intelligenti compatibili con le esigenze della rete.
Ciò è ulteriormente migliorabile dalla tecnologia Vehicle-to-Grid (V2G), grazie alla quale i PHEV e i BEV potrebbero fungere da accumulo temporaneo, scaricando energia durante i picchi di domanda sia per alleviare lo stress della rete che per generare reddito per i proprietari dei veicoli.
Gestione intelligente delle ricariche
La gestione intelligente delle ricariche presuppone l’utilizzo di algoritmi e metodi di comunicazione che permettono di ottimizzare le scelte di ricarica in funzione delle richieste degli utenti e delle esigenze della rete elettrica. A titolo esemplificativo, riportiamo i principali risultati di uno studio che presenta una metodologia per la gestione delle richieste di ricarica dei veicoli PHEV in ambito urbano. Studio premiato e liberamente disponibile in rete (https://www.mdpi.com/2032-6653/15/5/197) cui si rimanda per la bibliografia e gli approfondimenti. Il metodo proposto sfrutta l’utilizzo di grandi quantità di dati relativi alla mobilità (i cosiddetti “big data”), che ci consente di identificare modelli ricorrenti (abitudini di viaggio) e quantificare la variabilità di un dato comportamento. Queste informazioni possono essere utilizzate per migliorare la gestione e previsione della domanda e ottimizzare la progettazione e la dimensione dei servizi di ricarica offerti.
L’analisi è stata effettuata su un campione di 16.615 veicoli comprendente veicoli immatricolati nell’area urbana di Roma ed operanti all’interno dell’area metropolitana di Roma. A titolo illustrativo, la Figura 1 mostra le posizioni GPS registrate per questi veicoli mercoledì 15 maggio 2013.
Veicoli
Gli ibridi plug-in riscontrano un discreto successo in Italia, con una quota di mercato pari al 5,1% in Italia nel 2022. I tre modelli più venduti in Italia nel mese di agosto 2024 sono stati (da sx in alto) la Cupra Formentor, la Toyota C-HR e la BMW X1, per un totale di 742 veicoli, mentre le tre elettriche più vendute, (da sx in basso) la Tesla Model Y, la Volvo EX30 e la BMW iX1 assommano un totale di 794 veicoli.
Molte case costruttrici producono ed hanno a catalogo entrambi i modelli, molto spesso anche sulla stessa tipologia di veicolo. Questo consente un confronto diretto tra le due propulsioni. Ad una prima analisi di mercato, si può notare come i veicoli plug-in, per la loro complessità e costi, si trovino prevalentemente su fasce di prodotto ad alta gamma (con costi maggiori di 40.000 €). Viceversa, è possibile trovare in commercio delle auto elettriche utilitarie.
Nelle sottostanti tabelle si riportano le specifiche di alcuni veicoli ibridi plug-in ed elettrici attualmente in commercio. In fascia di prezzo alta, le Audi A6, come le BMW serie X3 vengono vendute con entrambe le propulsioni e risulta perciò molto interessante farne il confronto.
La capacità dell’accumulo di bordo è sensibilmente diversa: attorno ai 14 kWh per l’Audi A6 e 20 kWh per la BMW plug-in mentre per le elettriche si va dagli 80 kWh (BMW) fino a 94.8 kWh (Audi). Le autonomie in elettrico puro dei veicoli plug-in sono 62-69 km per Audi e 88 km per BMW, mentre per i veicoli elettrici sono molto maggiori: 756 km per Audi e 471 per il SUV della BMW.
[ Alcuni ibridi plug-in ed elettrici, comparabili, in commercio, fascia alta ]
Ad un costo (ed un peso) che è tutto sommato simile nell’ambito di ciascuna coppia di veicoli, con potenze massime comparabili, corrispondono valori di consumo e di autonomia sensibilmente diversi. Il consumo energetico della A6-e-tron si aggira attorno ai 14-15,9 kWh/100km mentre quello della A6 avant TFSIe è di 19.1 kWh/km e di 1.2 l/100km: l’ibrido plug-in ha un consumo leggermente maggiore e ciò vale anche per le BMW X3: la maggiore complessità del veicolo va a svantaggio del plug-in. Si tenga presente che in termini di energia primaria, quella che in parte importiamo, non è corretto sommare i due consumi poiché la benzina è prodotta in raffineria con un rendimento superiore all’80% mentre l’E.E. di rete in parte è prodotta in centrale con un rendimento molto minore, in parte è importata, in parte è di fonte rinnovabile e quindi non implica importazione di combustibili fossili.
Scendendo di categoria, gli altri veicoli plug-in riportati sono (da sx in basso) la Toyota Prius Plug-in, la Nissan Leaf, la Nuova Golf 50 Years Volkswagen e la Volkswagen ID3: hanno potenze simili, ma consumi, accumuli di bordo ed autonomie molto differenti.
Per i plug-in, la Toyota ha un accumulo di 13.6 kWh, con una autonomia di circa di 72 km ed un consumo elettrico che oscilla tra 11.4 e 12-5 kWh/km e 0.5 l/100km di combustibile, mentre la Golf ha un accumulo ed una autonomia molto maggiori: 19.7 kWh e con una autonomia di 141 km, a prezzo di maggiori consumi (14.81 kWh/100km con 0.3 l/100km di consumo). I prezzi sono intorno ai 40.000 € e sensibilmente inferiore a quelli delle Audi e la BMW.
Considerando veicoli elettrici corrispondenti, la Nissan Leaf e la VW hanno consumi equivalenti in termini energetici e costi minori. La prima esiste ormai da diversi anni sul mercato e la attuale versione in commercio dispone di 40 kWh di batteria con 270 km di autonomia, mentre la VW ha 59 kWh e 550 km di autonomia.
[ Ibridi plug-in ed elettrici, comparabili, in commercio, fascia media ]
Sia per i veicoli elettrici che plug-in, la tendenza è ad un aumento della capacità delle batterie per incrementare l’autonomia in elettrico del veicolo. Questo lo si vede bene dal confronto dei dati in tabella con quelli dello studio sul traffico di cui si diceva in premessa, che, essendo datato, considera PHEV di capacità ben inferiori a quelle attuali, come si vede in Tabella 3. Esemplare è il caso della Prius PHEV, la cui batteria è salita dagli originali 4.5 kWh agli attuali 12kWh.
Lo studio infatti ha simulato la sostituzione della flotta di 16.615 veicoli con PHEV che offrono tre opzioni di autonomia elettrica, per evidenziare i vantaggi che una più ampia diffusione degli ibridi plug-in potrebbe portare alla sostenibilità ambientale della mobilità individuale nei grandi centri urbani.
I risultati sono presentati nella Figura 2 (in basso), con la prima colonna che mostra la percentuale di guida elettrica ottenuta con una ricarica notturna e una intermedia e la seconda colonna con la sola ricarica notturna. Come è ovvio, la percentuale di guida elettrica aumenta proporzionalmente all’autonomia elettrica del PHEV grazie a una batteria di dimensioni maggiori.
Un ibrido plug-in PHEV40 come l’Opel Astra, grazie alla sua bella batteria da 40 miglia, potrebbe funzionare in modalità puramente elettrica per il 96,4% della percorrenza totale! Anche in condizioni di ricarica notturne limitata questa percentuale rimane notevolmente elevata, pari all’89,7%.
Le attuali autonomie dei PHEV consentono quindi alla quasi totalità dei PHEV sul mercato di essere catalogati come PHEV40 o migliori, con un risultato in termini di minore inquinamento urbano in pratica equivalente a quello di veicoli elettrici puri, con la sola batteria!
Per il calcolo sono stati utilizzati i dati di consumo del PHEV di riferimento riportati nella Tabella 2 e la distanza mensile di “percorrenza elettrica” per ciascun veicolo in due scenari di ricarica:
- solo ricarica notturna: i veicoli vengono ricaricati durante la notte quando c’è richiesta di elettricità tipicamente inferiore;
- ricarica notturna integrata da ricarica intermedia a basso consumo durante il periodo prolungato fermate: i veicoli vengono caricati a livelli di potenza bassi (3 kW) durante le soste di durata maggiore di un’ora.
La ricarica notturna, a casa, si traduce in percentuali medie di chilometraggio elettrico del 56,6%, 69% e 89,7% per PHEV 10, 20 e 40 rispettivamente. Le opportunità di ricarica diurna consentono un’elevata percentuale di percorrenze elettriche PHEV, che vanno dal 77,5% per PHEV10 al 96,4% per PHEV40.
Impatto della ricarica intelligente e del V2G
La nostra analisi ha rivelato che, con opportune strategie di ricarica diurne, si può ridurre significativamente la domanda di energia nei periodi di picco, spostando la domanda a periodi in cui l’energia elettrica costa meno.
Un ulteriore avanzamento nell’integrazione e nell’utilizzo ottimale delle batterie delle auto può avvenire ricorrendo al vehicle-to-grid (V2G).
Attualmente questa tecnologia trova la sua principale applicazione nella regolazione della rete, fornendo servizi essenziali per la sua flessibilità e stabilità. Tuttavia, un altro potenziale utilizzo del V2G prevede che le batterie delle auto elettriche possano fungere da stoccaggio stazionario, accumulando energia in eccesso per un successivo rilascio quando necessario, costituendo così un passo avanti nell’integrazione nella rete delle energie rinnovabili attraverso l’immagazzinamento dei surplus di produzione; o anche riducendo i costi delle infrastrutture di rete con accumuli localizzati, alleviando efficacemente i picchi di domanda in aree specifiche e ottimizzando così le infrastrutture esistenti.
Il V2G consente anche alle batterie PHEV di fungere da accumulo e rifornimento di rete energia durante i periodi di punta mentre si ricarica durante le ore non di punta. Batterie più grandi offrono prestazioni V2G migliorate, immagazzinando più carica nelle ore di bassa per restituirle nelle ore di punta. L’analisi indica però che anche la batteria da 4,4 kWh del PHEV10 si riduce notevolmente il fabbisogno energetico nel periodo ad alta domanda e quindi di prezzi elevati dell’energia.
Per illustrare l’impatto sulla rete delle diverse modalità di ricarica, la Figura 3 presenta l’impatto orario della domanda di energia elettrica dalla rete italiana al 15 maggio 2013 (linea verde).
Supponendo una penetrazione per l’Italia del 20% PHEV, come previsto per uno scenario con politiche di sostegno sostenibili mobilità e assumendo inoltre una distribuzione equa (1/3 ciascuno) dei tre tipi di PHEV considerato, il carico in modalità di ricarica non controllata (modalità 1) è rappresentato dalla curva nera tratteggiata. La linea rossa tratteggiata rappresenta il carico quando le ricariche vengono ritardate in modo da prelevare l’elettricità nei periodi di basso costo (modalità 2), mentre la linea blu tratteggiata lo mostra con l’adozione del V2G per tutti i PHEV.
Uno sguardo alla Figura 3 (foto sopra) rivela che la carica incontrollata (curva nera tratteggiata) aumenta significativamente i carichi durante il periodo di punta. La ricarica in modalità 2 (curva rossa tratteggiata) mostra pure una distribuzione del carico più equilibrata durante il giorno, mentre la ricarica V2G assorbe principalmente energia durante la notte, contribuendo a una leggera riduzione della domanda nelle ore di punta.
Per illustrare uno scenario più realistico, assumiamo che solo il 20% dei proprietari di PHEV adottino la modalità V2G, con una conseguente penetrazione combinata di PHEV del 3,4%. La risultante curva di carico blu continua illustra questo scenario che elimina gli aumenti di carico diurni, concentrando la domanda esclusivamente nelle ore notturne.
Il V2G consente ai proprietari di veicoli elettrici di guadagnare (o almeno di compensare la minore durata della batteria) attraverso l’arbitraggio dei prezzi, acquistando elettricità quando il prezzo è basso e vendendola quando il prezzo è alto. D’altro canto, il sistema energetico beneficia della regolazione di tensione e frequenza e di servizi accessori. La ricarica bidirezionale rappresenta quindi un’opportunità di guadagno per i produttori di veicoli elettrici, gli operatori e i fornitori di software attraverso la differenziazione dei prodotti e la gestione dell’energia sistemi.
I potenziali problemi includono anche il degrado della batteria e la comunicazione tra i sistemi componenti. L’applicazione di varie strategie di tariffazione lo rivela, mentre gli approcci incentrati sull’utente basandosi esclusivamente sui costi legati al tempo di utilizzo possono incentivare la tariffazione nelle fasce orarie non di punta e generare inavvertitamente un nuovo picco all’inizio dei periodi a basso costo. Questo sottolinea la necessità di sistemi di ricarica che trovino un equilibrio tra le preferenze dell’utente e i vicoli della rete, garantendo stabilità ed efficienza.
Questioni tariffarie
Per rendere la ricarica più flessibile e contribuire al risparmio energetico, è importante attuare una strategia globale. Questa strategia può includere diversi metodi di controlli della domanda che variano in complessità e aree di applicazione includendo:
- Tariffazione in base al tempo di utilizzo (TOU): questo approccio prevede la fornitura di elettricità a costi diversi durante i diversi momenti della giornata, ed è particolarmente adatto per la casa o sul posto di lavoro.
- Algoritmi di ricarica intelligenti: questi algoritmi ottimizzano il processo di ricarica considerando diversi fattori, come il costo dell’elettricità, la domanda sulla rete, e le preferenze dell’utente. Sono adatti per la ricarica di richieste legate a soste lunghe, ad esempio nei parcheggi residenziali fuori strada, nei luoghi di lavoro o nei park-and-ride.
- Integrazione dell’infrastruttura di ricarica con i sistemi di gestione della rete: ciò consente monitoraggio e controllo della domanda di ricarica dei veicoli elettrici
- Metodi di ricarica predittivi e adattivi: questi metodi utilizzano algoritmi avanzati e tecniche di analisi dei dati per migliorare i programmi di tariffazione e adattarli dinamicamente al cambiamento delle condizioni ambientali.
Sebbene la tecnologia V2G migliori in modo dimostrabile le prestazioni della rete, quantificarne in modo preciso i vantaggi per gli operatori di rete rimane una sfida. Al contrario, la valutazione dei costi per proprietari del veicolo è più semplice. Supponendo che una batteria fornisca metà della sua energia alla rete per tutta la sua durata, (e che il degrado della batteria sia proporzionale all’energia caricata/scaricata) i proprietari dovrebbero poter recuperare metà del costo della batteria.
Basandoci sui prezzi attuali delle batterie (150 €/kWh, https://www.energy.gov/eere/veicoli/articoli/fotw-1272-9-gennaio-2023-costi-del-pacco-batterie-del-veicolo-elettrico-2022) e la loro durata media (1000 ricariche), il costo per kWh fornito nel V2G ammonta a 0,15 euro. Se la durata di vita della batteria raddoppia, il costo si dimezza a 0,075 €/kWh, vicino al costo della produzione elettrica convenzionale (https://www.iea.org/relazioni/costi-previsti-di-generazione-di-elettricità-2020). Ulteriori riduzioni dei costi delle batterie, miglioramenti dell’efficienza e una durata di vita prolungata renderanno i servizi V2G ancora più competitivi in termini di costi. E poiché i costi di produzione dell’energia continuano ad aumentare, l’attrattiva economica del V2G è destinata ad aumentare oltre la percezione che se ne ha attualmente.
Il metodo proposto può essere direttamente esteso a qualsiasi area per la quale sia presente una mobilità sufficiente e i dati siano disponibili. Poiché lo studio prevede una strategia di controllo, è particolarmente adatto a flotte di veicoli elettrici o strutture di ricarica con controllo centralizzato, come le auto aziendali parchi o centri commerciali[1].
Ma cosa succede in realtà, nel corso dell’anno e al di fuori delle aree urbane? Un recente studio dell’ICCT e del Fraunhofer Institut[2] conclude che per le auto PHEV private la copertura chilometrica in elettrico è di circa il 37% in condizioni reali, mentre per le auto aziendali si scende al 20%. In effetti, una delle maggiori sfide legate all’adozione di PHEV nella transizione ecologica sta nel fatto che i loro benefici ambientali dipendono in modo significativo dai profili di utilizzo. Tuttavia, le strategie di controllo e gestione possono aiutare a migliorare l’efficienza energetica di questi veicoli. Anche l’uso di tecnologie intelligenti e connesse può contribuire al raggiungimento degli obiettivi di efficienza. Ad esempio, i sistemi di trasporto intelligenti possono aiutare a risolvere i problemi di congestione del traffico e a ridurre le emissioni di carbonio
Conclusioni e sfide da affrontare
Numerosi studi dimostrano da tempo che l’elettrificazione del trasporto stradale porta a notevoli risparmi energetici lungo l’intero ciclo di vita, dalla produzione del carburante all’uso del veicolo. Considerando il ruolo cruciale del settore dei trasporti nel raggiungimento degli obiettivi di riduzione del consumo energetico e delle emissioni nazionali, gli evidenti vantaggi della transizione ai veicoli ibridi ed elettrici meritano senz’altro adeguate misure di incentivazione.
Il processo di trasformazione in atto delle reti elettriche verso un crescente ruolo delle fonti energetiche rinnovabili (FER) necessita di un’adeguata capacità di stoccaggio. In questo contesto, la gestione intelligente della ricarica dei veicoli offre significativi vantaggi di rete, aggiungendo flessibilità alla domanda e accumulo distribuito all’offerta. Il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC) 2020, formulato dall’Italia, per facilitare il crescente utilizzo delle FER prevede l’integrazione di 10 gigaWattora (GWh) di stoccaggio stazionario entro il 2030. Un solo milione di veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) dotati di batterie da 10 kWh rappresenta nel suo insieme una capacità di stoccaggio equivalente.
Tuttavia, sebbene sia vantaggioso per la rete, l’implementazione V2G richiede non solo un convertitore bidirezionale (più complesso dei caricabatterie convenzionali) ma anche una gestione ottimale della carica/scarica, rispettando i vincoli dettati dalla disponibilità del veicolo, dalle esigenze di utilizzo e limiti massimi di corrente/potenza per ridurre al minimo l’invecchiamento della batteria.
Infine, per sfruttare al meglio la mobilità elettrica è necessario affrontare diverse sfide, tra cui:
- La previsione dei dati di carico in tempo reale rappresenta una sfida significativa;
- I quadri normativi della maggior parte dei paesi non prevedono meccanismi di contrattazione e servizi di flessibilità tra distributori di energia, operatori di sistema e consumatori;
- Un ostacolo è anche la mancanza di standardizzazione dei punti di ricarica;
- Infine, esistono potenziali rischi per la sicurezza delle reti di comunicazione nella ricarica intelligente.
Gli algoritmi di gestione della ricarica, in particolare quelli ottimizzati per la flessibilità della rete, offrono soluzioni promettenti di immediata implementazione. Tuttavia, sono fondamentali ulteriori ricerche e studi per migliorare la fattibilità economica dei servizi V2G, nonostante i vantaggi prestazionali che si sono illustrati. Ciò potrebbe comportare l’esplorazione di soluzioni innovative per i modelli di prezzo, meccanismi di condivisione dei costi e quadri normativi che incentivano il comportamento di supporto alla rete da parte dei proprietari di PHEV.
[ Natascia Andrenacci, Fernando Ortenzi, ENEA, Dipartimento Energia ]
[ Giovanni Pede, già Responsabile dei laboratori automotive dell’ENEA ]
[1]http://www.rinnovabili.it/energia/accumulo/fotovoltaico-se-bus-e-van-elettrici-diventano-accumulatori-mobili/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR0oMsQ7ATsRIzaEJjWQ_RtbMF1b6kUbqZm83oZf-_Gu73_7udkq-B0LY78_aem_fi0q_7JkhUCV8eALee80Iw%2
[2] theicct.org/publication/real-world-usage-of-plug-in-hybrid-electric-vehicles-fuel-consumption-electric-driving-and-co2-emissions/
