Auto elettriche e impatto ambientale dei trasporti, sfatiamo qualche mito

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Fra conferme ed equivoci, qualche riflessione sul contributo che i veicoli elettrici possono dare a una riduzione dell’impatto ambientale della nostra civiltà

Molto si è detto e si dirà intorno al tema specifico della “pulizia” delle auto elettriche, o a quello più ampio della loro complessiva sostenibilità ambientale. Come spesso accade, i temi che vengono toccati in convegni, statistiche e articoli vengono selezionati in base alla tesi che si vuole dimostrare, il che fa sì che si leggano conclusioni che risultano totalmente antitetiche nonostante appaiano ben argomentate e obiettive.

Non si deve poi dimenticare che l’interesse per le elettriche e le ibride, come del resto quello per le fonti rinnovabili, è notevolmente accresciuto non tanto dal livello raggiunto dai prezzi del petrolio, quanto dal fatto che a questo livello si sia mantenuto ormai per diversi anni.

Un improvviso picco dei prezzi alla pompa che si sgonfia nel giro di breve tempo indubbiamente riempie le pagine dei giornali e le chiacchiere al bar, ma non sposta in modo significativo le prospettive e quindi le intenzioni d’acquisto o gli stili di vita, nè fa apparire accettabile il rischio di investire somme significative su forme non convenzionali di recupero del petrolio o sulle fonti rinnovabili.

Invece un livello alto e che si sostiene per diversi anni mette prima o poi inevitabilmente in moto, tutti insieme: un calo dei consumi, un ripensamento del sistema dei trasporti e perfino dello stile di vita, una riallocazione dei fattori produttivi, un avvio degli investimenti per sviluppare tipi di giacimento che non sarebbero economicamente convenienti in regime di bassi prezzi del petrolio; e infine un aumento degli investimenti sulle fonti energetiche alternative e rinnovabili. Tutti fenomeni che portano inevitabilmente, per lo squilibrio domanda-offerta, a un successivo calo dei prezzi del petrolio (controshock petrolifero).

Se consideriamo l’andamento nominale (linea blu) e in termini reali (linea rossa – assai più significativa) dei prezzi del petrolio nell’ultimo secolo e mezzo, si vede che ci troviamo in un periodo in cui ci sono le condizioni di crescita pronunciata e sostenuta dei prezzi reali per un tempo non breve: condizioni verificatesi raramente negli ultimi 150 anni, ideali per preparare un controshock petrolifero, o per innescare un drastico cambiamento del mix di fonti energetiche primarie, o entrambe le cose.

Qualcuno si augura che arrivi prima il controshock e che i prezzi del petrolio crollino: i profitti di certi attori crollerebbero nel breve termine, ma il loro business tradizionale potrebbe proseguire ancora per parecchi anni senza rivoluzioni. Sarebbe la via più breve per tornare beatamente alla situazione preesistente, con auto a motore termico, generazione termoelettrica di energia e oltre 80 milioni di barili di petrolio bruciati quotidianamente sul nostro pianeta, con conseguenti emissioni di CO2 nell’ambiente (senza naturalmente contare il carbone e il gas naturale).

C’è però anche la possibilità che lo stimolo agli investimenti sulle rinnovabili produca risultati più in fretta dello stimolo agli investimenti sulle forme di greggio non convenzionale. Se questo accadrà, i prezzi del petrolio caleranno non solo per l’afflusso sul mercato di petrolio da nuove fonti, ma anche per la riduzione dei suoi consumi.

Non va dimenticato che il petrolio è solo uno dei combustibili fossili utilizzati per la produzione di energia elettrica, e neppure il principale: stando ai dati 2008 disponibili si ricava dal petrolio solo il 5% circa di tutta l’elettricità prodotta. Nel mondo, per questo impiego, prevalgono carbone (che contribuisce per il 40% circa) e gas naturale (20%). L’idroelettrico è la fonte rinnovabile più significativa, visto che fornisce un apporto del 15% circa sul totale; segue la generazione eolica con l’1% e le altre rinnovabili con incidenze ancora inferiori. Il contributo totale del nucleare (circa 450 centrali in esercizio nel mondo) non si allontana molto dal 10%. Questo a livello mondiale. Negli Stati Uniti (schema sotto) il mix fonti-impieghi è bilanciato in modo non molto diverso.

Il petrolio che finisce bruciato in una centrale termoelettrica per produrre elettricità è meno del 5% del petrolio estratto: oltre il 70% è invece usato nei trasporti, nei quali i combustibili liquidi appaiono di fatto, ancor oggi (ancora per quanto?) quasi insostituibili, al punto che quasi il 95% dell’energia consumata in questo settore proviene ancor oggi dal petrolio. 

Qualunque ne sia l’origine, l’energia attualmente consumata dal settore dei trasporti a livello mondiale è circa il 27% dell’energia totale consumata (e questa proporzione si è mantenuta sostanzialmente stabile nell’ultimo decennio). Di questo 27%, come già ricordato, circa il 95% consiste nella combustione di derivati del petrolio e assorbe il 70% dei circa 80 milioni di barili di petrolio consumati giornalmente nel mondo (18 milioni/giorno nei soli USA, 10 in Cina, circa 1.4 in Italia).

Se quindi si potesse togliere il 100% dei veicoli a motore termico dalle strade (e dai cieli! non dimentichiamo gli aerei, che saranno probabilmente gli ultimi a poter abbandonare il petrolio), a livello mondiale si potrebbe evitare di consumare qualcosa come 56 milioni di barili di petrolio al giorno. Naturalmente non tutto il petrolio viene bruciato nei motori a combustione interna; come sottoprodotti della distillazione di benzina, gasolio e cherosene, se ne ricavano anche asfalto, bitume, materie plastiche, lubrificanti e così via, in proporzioni dipendenti dalla qualità del greggio di partenza, dal tasso di conversione della raffineria (quelle più sofisticate riescono a ricavare elevate percentuali di distillati leggeri anche da greggi “pesanti”), e così via. Assumendo valori mediani sia per la “pesantezza” del greggio sia per il mix di raffinazione, è stato stimato che la combustione dei prodotti raffinati da un barile di petrolio comporti una emissione di circa 315 kg di CO2. (Questa cifra non include le emissioni dovute ai consumi energetici della raffineria con cui si sono prodotti i distillati bruciabili, o le emissioni legate al trasporto del greggio e dei distillati).

Questo significa che la “massa aggredibile” (per usare una locuzione d’attualità..) di emissioni CO2 dal settore dei trasporti è qualcosa come 17.6 milioni di tonnellate/giorno, quasi 6.5 miliardi di tonnellate/anno (su un totale di 30 miliardi di tonnellate/anno di CO2 emessa a livello mondiale considerando tutte le ragioni di emissione e non solo i trasporti). Indubbiamente il 20% delle emissioni totali di CO2 rappresenta una quota importante e che non ci si dovrebbe far sfuggire l’occasione di eliminare. Si possono però fare anche altre considerazioni:

il settore dei trasporti non è fatto solo di auto. Come già ricordato, ci sono gli aerei, mezzi che è molto più complicato, al momento, pensare di convertire a propulsione elettrica. Le emissioni in g CO2/km di un aereo di linea dipendono dalla durata del volo (poichè nelle fasi di manovra, decollo e atterraggio i consumi per km percorso evidentemente sono maggiori rispetto alla fase di crociera) e variano fra i circa 110 g/km/passeggero di un volo a lunga distanza e i circa 250 g/km/passeggero di un volo di breve raggio. Valori non così dissimili da quelli delle automobili a motore termico, e il numero di aerei in circolazione nel mondo (le stime parlano di circa 20mila aerei di linea, intensamente sfruttati, su un totale di circa 300mila aerei in condizione di volare) non è certo confrontabile con quello delle auto in circolazione (nel 2010 hanno superato la preoccupante cifra di 1 miliardo). Visto il numero di veicoli terrestri, l’aviazione dovrebbe avere un peso trascurabile sul totale delle emissioni provocate dal settore trasporti. Siccome però le distanze percorse nei viaggi aerei sono mediamente molto maggiori di quelle tipicamente percorse in auto, e anche il “fattore di carico”, che misura il grado di effettivo riempimento con passeggeri, è solitamente superiore a quello delle auto, in termini assoluti i trasporti aerei si prendono la rivincita, per così dire, tanto che il trasporto aereo pesa, da solo, per il 12% delle emissioni CO2 di tutto il settore dei trasporti. Nonostante le emissioni in g/km/passeggero siano inferiori sui voli di lunga tratta, a causa della lunghezza del volo il valore assoluto delle emissioni di questi voli rappresenta comunque l’80% di tutte le emissioni CO2 del settore aereo.

– la CO2 non è il solo gas serra. Altri gas serra sono gli ossidi di azoto (NOx) e lo stesso vapore d’acqua. Siccome gli aerei, come gli altri veicoli a motore termico, emettono anche questi gas ma con la differenza che lo fanno in alta quota, l’effetto sull’ozono è molto significativo, assai più di quello che avrebbe una analoga quantità degli stessi gas emessa a livello del mare. Quindi vi è ragione di ritenere che sul totale del settore dei trasporti, l’aviazione pesi, sull’effetto serra, in ragione maggiore di quel 12% che i numeri sulle sue emissioni di CO2 sembrino indicare.

Sostituire oltre 1 miliardo di auto termiche con altrettante auto a motore elettrico e con batterie a bordo richiede una enorme quantità di energia (prodotta prevalentemente da fonti fossili quindi emettendo nuova CO2) e un impatto ambientale molto significativo (estrazione di Litio per le batterie, terre rare per i motori, fabbricazione con materiali leggeri e sofisticati ma spesso più “energivori” da produrre rispetto al convenzionale acciaio, e così via). Quindi, anche se è vero che le auto periodicamente devono comunque essere rimpiazzate per obsolescenza, farlo con auto energeticamente più onerose da fabbricare implica che le elettriche partono, per così dire, già con un handicap energetico/CO2 da recuperare fin dal giorno 0 del loro ciclo di vita. A seconda delle fonti, si stima che il costo energetico della produzione di un’automobile media sia compreso fra i 18 e i 30 MWh. Questa quantità comprende sia energia elettrica (prodotta in buona parte da fonti fossili) sia energia per tutti i trasporti che avvengono durante il ciclo produttivo, per esempio: trasporto di minerali all’acciaieria, di petrolio alla fabbrica di materie plastiche e pneumatici, di semilavorati verso i siti di assemblaggio e del veicolo pronto verso l’autosalone. I trasporti avvengono quasi esclusivamente usando fonti fossili. Quindi gran parte di questi 18-30 MWh per veicolo sono ottenuti rilasciando CO2 nell’ambiente: approssimativamente fra le 4 e le 7 tonnellate di CO2. E’ come se un’auto che consumerà 5.000 litri di idrocarburi per percorrere 100.000 km nella sua carriera ne avesse già consumati 2.000-3.300 solo per essere prodotta. L’equazione “rottamo l’auto e la sostituisco con una nuova e meno inquinante, per contribuire a ridurre le emissioni” va quindi pesata attentamente: a seconda dei consumi e del costo energetico di produzione del modello nuovo rispetto a quello vecchio (che va rottamato e riciclato, con ulteriori costi), il gesto ecologico potrebbe in realtà essere un danno ambientale.

Fra l’altro le auto più moderne e avanzate, con massiccio uso di leghe leggere e alluminio, hanno un costo energetico di produzione maggiore. Se per produrre un kg di lamiera d’acciaio da minerali occorrono 65 MJoule di energia, per l’alluminio la cifra sale a ben 231 MJoule, quasi il quadruplo! C’è il vantaggio che nel caso del processo dell’alluminio questa energia è soprattutto elettrica, e quindi potenzialmente producibile da fonti non fossili (anche se ad oggi, come vedremo, a livello mondiale siamo ben lontani da questa condizione). La produzione di acciaio e di alluminio da rottami riciclabili ha invece un costo energetico equivalente per i due materiali (stimato in circa 52 MJoule/kg), quindi non è vero che l’alluminio porti dei benefici perchè più riciclabile o meno oneroso da riciclare. E si noti che stiamo parlando solo di CO2, non tenendo conto dei danni all’ambiente per l’estrazione delle terre rare nei motori o del Litio per le batterie, senza contare il problema dello smaltimento di questi materiali a fine vita.

C’è poi da considerare, ovviamente, che le “ecologiche” auto elettriche richiedono energia elettrica, e questa deve essere prodotta da qualche fonte primaria. 

A livello mondiale, come già ricordato, solo il 5% del petrolio è usato per produrre energia elettrica. Invece, ben il 90% del carbone e il 30% circa del gas naturale sono utilizzati per tale scopo. Il mix di fonti primarie utilizzate varia di molto da Paese a Paese: se negli Usa (sotto, nel grafico a sinistra) l’elettricità è prodotta per il 75% da fonti fossili (in particolare, solo l’1% da petrolio), in Francia (grafico a destra) è per il 78% nucleare. 

     

Il caso francese è comunque un’anomalia: i grandi consumatori di elettricità la producono principalmente da fonti fossili, in particolare la Cina che, escludendo il suo 15% circa di rinnovabili, utilizza quasi solamente carbone. E’ proprio per questo che oggi, pur essendo la Cina “solo” il secondo produttore mondiale di energia elettrica, a causa del modo particolarmente “sporco” con cui la produce, è di gran lunga il Paese con le maggiori emissioni di CO2: in termini assoluti, circa una volta e mezza quelle degli Stati Uniti. (Naturalmente il discorso si ribalta se si sceglie di guardare alle emissioni pro-capite, ma a causa del rapido innalzamento del tenore di vita in Cina, il gap tenderà a chiudersi molto in fretta).

  

In Italia, escludendo il 18% circa di rinnovabili, per la generazione di elettricità prevale invece il gas naturale, che, pur restando una fonte fossile, a parità di energia ottenuta comporta emissioni CO2 più che dimezzate rispetto alla generazione da carbone (grazie al significativo contenuto di idrogeno e al ridotto contenuto di carbonio del gas naturale).

Conclusione: è vero che passando dalle auto termiche alle elettriche si riduce il consumo di petrolio, ma continua a servire, anche più di prima, energia elettrica, la cui produzione è ad oggi particolarmente “CO2-intensive”. Se su questo aspetto non ci sarà un cambiamento significativo, la transizione all’auto elettrica potrebbe non dare significativi vantaggi immediati, anzi il costo-CO2 della transizione potrebbe essere cospicuo e richiedere anni per essere successivamente riassorbito.

Le auto elettriche, almeno con tecnologie attuali, pongono poi dei problemi ambientali e geopolitici specifici per l’approvvigionamento di terre rare e Litio e lo smaltimento e riciclaggio dei componenti che ne fanno uso (motori e batterie). Per fare un esempio, metà delle riserve mondiali conosciute di Litio economicamente estraibile si trovano in Bolivia, specialmente nel Salar de Uyuni. Anche se alcune stime ritengono che le riserve siano “matematicamente” sufficienti per un miliardo di veicoli elettrici o ibridi, la produzione potrebbe non reggere il ritmo (la domanda è in crescita del 25% all’anno, l’offerta solo del 4-5% all’anno) e le conseguenze sull’ecosistema boliviano sono facilmente immaginabili. Naturalmente, per effetto delle prospettive di business e il trend dei prezzi, la ricerca di nuovi giacimenti di Litio economicamente sfruttabili si è già messa in moto e contribuirà a migliorare la situazione, pur senza eliminare il problema ambientale ma piuttosto “spalmandolo” su un maggior numero di siti produttivi.

Tuttavia il passaggio all’auto elettrica è una precondizione necessaria per poter far provenire da fonti rinnovabili l’energia necessaria per il settore dei trasporti (restano esclusi, almeno nel breve-medio termine, i trasporti aerei – sempre che non si decida di fare sul serio con la riscoperta dei dirigibili come soluzione per il trasporto aereo delle merci).

Il passaggio all’auto elettrica è anche l’unica soluzione per allontanare dai centri urbani una fonte di generazione di CO2, inquinanti e particolato (non necessariamente però per eliminare la generazione di queste emissioni dalla faccia della Terra – ancora una volta, questo dipenderà dal mix di fonti primarie che sarà adottato per far fronte al surplus di domanda di energia elettrica).

Il trasporto non inquinante per eccellenza rimane però il non trasporto, così come si suol dire che la prima fonte di energia alternativa è il risparmio energetico. Per esempio: quanta CO2 per produrre, far marciare e riciclare veicoli si risparmierebbe se anzichè recarsi in ufficio si telelavorasse da casa? Anche le reti di telecomunicazioni hanno un proprio consumo, ma assai competitivo con quello dei trasporti che potrebbero sostituire.

3 COMMENTI

  1. “Se per produrre un kg di lamiera d’acciaio da minerali occorrono 65 MJoule di energia, per l’alluminio la cifra sale a ben 231 MJoule, quasi il quadruplo! ”
    peso specifico dell’acciaio e peso specifico dell’alluminio?? non vengono presi in considerazione per tutti questi calcoli? Non so… non sono una scienziata ma leggendo una frase si una no dell’articolo mi è venuto in mente questo…

  2. Grazie per il suo commento.

    Considerazioni sul peso specifico del materiale (intuitivamente può venire da pensare: “è vero che l’alluminio è più costoso energeticamente da produrre, ma è più leggero quindi ne basta meno..”) hanno un senso se messe in relazione con la sua resistenza meccanica. Le migliori leghe di alluminio, la cui densità si aggira sui 2800 kg/m3, arrivano a reggere carichi di rottura di 550-600 MPa e hanno un modulo elastico intorno ai 70 GPa.

    Gli acciai altoresistenziali hanno una densità quasi tripla (7800-8000 kg/m3), ma anche le loro caratteristiche meccaniche sono proporzionalmente migliori di quelle dell’alluminio: a seconda delle leghe si può arrivare a un carico di rottura dell’ordine di 1700 MPa, mentre il modulo elastico si aggira sempre sui 200 GPa. Per ottenere le stesse prestazioni meccaniche dell’acciaio occorre quindi aumentare le dimensioni (spessore o sezione), e quindi la massa, del particolare equivalente realizzato in alluminio, neutralizzando parzialmente se non totalmente il vantaggio della minor densità.

    In altre parole, se si utilizzano (come sta già avvenendo in ogni nuovo modello di auto) acciai altoresistenziali, le proprietà meccaniche circa triple, in rapporto alla densità circa tripla, pareggiano il conto con l’alluminio. Quindi ha senso fare, come abbiamo fatto, un paragone in termini di peso.

    Più interessante dell’alluminio è la lega di titanio, che può arrivare a prestazioni meccaniche paragonabili a quelle dell’acciaio ma con una densità inferiore circa del 45%. Anche in questo caso, comunque, occorre valutare il costo energetico di produzione per valutare complessivamente il suo impatto ambientale.

    Il materiale con il miglior rapporto fra prestazioni meccaniche e densità è però la fibra di carbonio, che può esibire un carico di rottura triplo di quello dell’acciaio con una densità pari a metà di quella.. dell’alluminio. Questo porta a una superiorità eclatante rispetto alle leghe metalliche. Calcolando il rapporto fra carico di rottura (MPa) e densità (kg/m3), questo vale 0.18 per le leghe di alluminio, 0.21 per l’acciaio altoresistenziale, 0.25 per certe leghe di titanio e addirittura 2.66 (oltre 10 volte meglio del titanio!) per la fibra di carbonio. Non a caso dove il peso conta davvero, ossia in Formula 1 e soprattutto nella produzione di aerei, il materiale d’elezione è ormai la fibra di carbonio.

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