Oggi:

2021-09-20 00:29

Un’Automobile Verniciata di Verde

COSTI AMBIENTALI E SOCIALI DELLE NUOVE TECNOLOGIE

di: 
Giovanni Brussato

Una serie di dichiarazioni dei capitani delle maggiori industrie automobilistiche ha allarmato il mercato sulle magnifiche sorti e progressive di uno sviluppo accelerato dell’auto elettrica. Sul sito della Rete di Resistenza sui Crinali, l’autore raccoglie e confronta i risultati delle analisi del ciclo di vita delle batterie, punto critico della transizione ad una mobilità sostenibile

Le recenti affermazioni del numero uno della Toyota, Akio Toyoda, circa la sopravvalutazione delle auto elettriche ai fini della transizione verde, hanno rafforzato, anche per l’autorevolezza del relatore, i dubbi circa gli effettivi impatti ambientali e sociali della produzione delle batterie che alimentano gli E.V.  Ma quello che va opportunamente  rivalutato sono i concetti espressi molti mesi fa dall’ing. Tavares futuro AD del nascente gruppo Stellantis, un gigante che riunirà i produttori FCA e PSA, e sarà con Volkswagen e Toyota un gruppo globale per dimensioni, in grado di sfornare tra gli 8 e 10 milioni di veicoli all’anno:

«Il mondo è impazzito. Il fatto che le autorità ci ordinano di andare in una direzione tecnologica, quella del veicolo elettrico, è una grande svolta. Non vorrei che poi tra 30 anni si scoprisse qualcosa di meno bello di come ce lo immaginiamo, sul riciclaggio delle batterie, sull'uso dei materiali rari del pianeta, sulle emissioni elettromagnetiche della batteria in situazione di ricarica. Come faremo a produrre più energia elettrica pulita? Come si fa a far sì che l'impronta di carbonio di una batteria del veicolo elettrico non sia un disastro ecologico? Come fare in modo che il riciclaggio di una batteria non sia un disastro ecologico? Come trovare abbastanza materie prime rare per fare le cellule e le chimiche delle batterie nel tempo? Chi affronta la questione della mobilità pulita nella sua globalità? Chi oggi pone la questione in modo sufficientemente ampio da un punto di vista sociale per tener conto di tutti questi parametri? Mi preoccupo come cittadino, perché in quanto produttore di macchine non sono ascoltato. Tutta questa frenesia, tutto questo caos, si ritorceranno contro di noi perché avremo preso decisioni sbagliate in contesti emotivi»

In realtà l’elenco dei manager critici si sta progressivamente ampiando anche con chi non ti aspetti: il tedesco Franz Fehrenbach, presidente del consiglio di sorveglianza della Bosch,  prima azienda al mondo nelle forniture di componentistica, che ha sottolineato, come “le auto elettriche pur non essendo climaticamente neutrali sono trattate come veicoli a zero emissioni di CO2 perché il legislatore nasconde il bilancio energetico necessario per generare la corrente.”. Inoltre sottolinea un aspetto, noto ai più, ma furbescamente ignorato da molti, sul fatto che il maggior produttore mondiale di batterie, vedi grafico sotto, produce gran parte dell’energia, soprattutto a livello industriale, con il carbone senza che questo sia riportato nelle informazioni sulla CO2 dei veicoli elettrici, ma su questo argomento ci torneremo in seguito.

Capacità produttiva globale esistente e pianificata delle batterie agli ioni di litio (fonte: Bloomberg New Energy Finance)

Realmente interessante è l’analisi realizzata da Polestar per valutare analiticamente l'impatto dei loro veicoli elettrici in un confronto con un veicolo alimentato con combustibili fossili.

Polestar sta promuovendo la tracciabilità della catena di approvvigionamento per evitare violazioni dei diritti umani e danni ambientali causati dall'estrazione mineraria ed ha reso pubblica un’analisi sull'impronta carbonica dell'intero ciclo di vita delle proprie auto elettriche, dalla produzione al fine vita: il confronto, realizzato tra una Polestar2 ed una Volvo XC40 alimentata a combustibili fossili ha rivelato che l’impronta di carbonio della Polestar è inferiore ma che la transizione verde è qualcosa di più complicato del semplice acquisto di un’auto elettrica.

Il punto di pareggio, ossia i chilometri percorsi prima che l’impronta di carbonio della Polestar2 diventi inferiore a quella della XC40 sono rappresentati nell’immagine sotto da cui si evince che, prendendo in esame il mix energetico a livello globale, sono necessari 112.000 km prima che la Polestar dimostri la sua minor impronta di carbonio. Ne bastano 78.000 km con il mix energetico dell’Europa, sembra francamente irrealizzabile, allo stato attuale delle cose, l’ipotesi legata alla generazione eolica.

CO2e = "Anidride carbonica equivalente" è un termine per descrivere diversi gas a effetto serra (GHG) in un'unità di misura comune.

Alcune considerazioni vanno prese in esame:

  • la distanza percorribile per i veicoli Polestar è stata fissata a 200.000 km
  • Polestar acquista le batterie da CATL e LG Chem, che hanno eseguito l’analisi LCA dell'impronta di carbonio delle batterie modellando i dati separatamente. rispetto al resto del veicolo.
  • Nel calcolo dell'imponta carbonica della Polestar2 è stata prevista una sola batteria per l'intera vita del veicolo.

Le informazioni sull’impronta carbonica della batteria sono pertanto fornite dai produttori cinesi e d’altra parte non essendo prevista una rigorosa tracciatura sulla provenienza dei metalli, significativamente litio, cobalto, rame e nichel è lecito ritenere questi dati approssimativi: studi sulla valutazione della impronta carbonica delle batterie prodotte in Cina concordano sulla difficoltà di includere valutazioni affidabili su metalli, come quelli citati, la cui estrazione non è geograficamente concentrata in Cina. La stessa Polestar afferma: "Polestar sottolinea la preoccupante mancanza di trasparenza nel settore, poiché oggi è impossibile per un consumatore confrontare l'impatto sul clima di automobili diverse."

 

L'impronta carbonica della batteria

Numerosi studi si sono occupati del calcolo delle emissioni di gas serra dovuti alla produzione di batterie NCM, preparazione e produzione del materiale dove si riscontrano risultati compresi tra 73 e 200 kg di CO2 e / kWh. I risultati sono rappresentati nella grafico sottostante.

I risultati dello studio Majeau-Bettez et al. (2011) si basano sui dati dal database Ecoinvent 2.2 e sono probabilmente ormai datati, quindi potrebbero non riflettere le attuali tecnologie di produzione di batterie. I dati di Ellingsen et al. (2014) e Kim et al. (2016) si basano sui dati dal database Ecoinvent 3.1 e sembrano sovrastimare i consumi energetici durante il processo di produzione delle celle.

I valori di Sun et al., (2020)(1) sul consumo energetico di questo processo, basati sulla produzione di batterie NCM 622 (la sigla 622 significa 70% nichel, 10% cobalto, e 20% manganese), provengono da fabbriche cinesi mente quelli di Dai et al. (2019) sono basati sull'NCM 111 che rappresenta una tecnologia obsoleta in Cina.

Il risultato per le emissioni di GHG della produzione di batterie NCM, dello studio di Sun et al., (2020), è di 124,5 kg di CO2 e / kWh, ed i dati primari sono stati raccolti da due dei principali fornitori cinesi di batterie agli ioni di  litio (LIB) che sono tra i primi tre al mondo e da due produttori leader di materiale catodico che sono tra i primi cinque al mondo e sono riferiti ad una batteria che viene utilizzata da un veicolo interamente elettrico (BEV), la cui capacità energetica è di 72,5 kWh. Dati congruenti con le caratteristiche della batteria della Polestar2.

Vanno effettuate alcune considerazioni aggiuntive non irrilevanti. Molti degli studi, anche apparentemente trasparenti sulla produzione di LIB, non forniscono dati grezzi sui processi di produzione delle materie prime e quindi non consentono la decostruzione dei loro modelli o la riproduzione dei loro risultati e stime. Spesso si trovano valori sottostimati dovuti ad una tecnologia della batteria completamente diversa da quelle in esame o senza apportare alcuna correzione che valuti correttamente il mix energetico della nazione in cui viene prodotta(2). E' stato stimato che le emissioni di GHG durante il processo di produzione delle batterie NMC in Cina siano 2,8 volte maggiori di quelle prodotte negli Stati Uniti(3).

L’esatta quantificazione degli impatti della produzione di LIB in Cina deve ancora essere realizzata e, visto il predominio cinese nel mercato della produzione di batterie, vi è una grande incertezza sui relativi oneri ambientali. Inoltre, non esiste alcun confronto possibile con altri paesi basato sullo stesso modello e sulle stesse ipotesi, che potrebbe quantificare con precisione la differenza nell'intensità dell'impatto quando si produce una batteria in Cina rispetto al resto del mondo.

Mancano inoltre studi che forniscano un LCI dettagliato per la produzione di LIB in Cina: LCI è l'inventario del ciclo di vita che è la parte di raccolta dati dell’analisi del ciclo di vita  (LCA) e mantiene la contabilità diretta di tutto ciò che è coinvolto nel "sistema" di interesse monitorando tutti i flussi in entrata e in uscita, comprese le risorse o i materiali grezzi, l'energia per tipo, l'acqua e le emissioni nell'aria, nell'acqua e nel terreno per sostanza specifica. Questo tipo di analisi può essere estremamente complesso e può coinvolgere dozzine di processi di unità individuali in una catena di approvvigionamento come l'estrazione di materie prime, i vari processi di raffinazione ed il trasporto. Metalli come rame, litio, cobalto o nichel non vengono estratti in Cina e spesso anche la prima fase della raffinazione viene effettuata nel paese in cui ha sede l’impianto estrattivo.

I dati forniti da Polestar sull’impronta carbonica della batteria sono congruenti con lo studio proposto (Sun et al., 2020) seppur sottostimati rispetto ai 124,5 kg di CO2 e / kWh calcolati. Modellando le considerazioni fatte con i dati dello studio proposto il punto di pareggio tra ICE e BEV nel caso del “global electricity mix” sarebbe prossimo a quello calcolato da WolksVagen per la e-Golf pari a 125.000 km.

 

Una batteria basterà?

E' difficile ottenere una risposta diretta alle domande sulla durata della batteria di un veicolo elettrico. Quelle che solitamente invece vengono fornite sono assicurazioni che le batterie sono coperte da garanzia nel caso in cui qualcosa vada storto. In genere, la copertura della batteria è di 8 anni o 100.000 chilometri, ma varia in base al produttore e al paese. In realtà le opzioni sono tantissime ma circa la durata effettiva complice anche il fatto che la storicità è estremamente limitata è difficile trarre conclusioni certe.

Uno studio(4) compiuto su 6.300 veicoli elettrici e circa 1,8 milioni di giorni di utilizzo può permetterci di realizzare ulteriori considerazioni.

Il degrado della batteria è un processo naturale, legato ai cicli energetici, che riduce in modo permanente la quantità di energia che una batteria può immagazzinare. La condizione di una batteria è chiamata stato di salute (SOH: state of health). Le batterie iniziano la loro vita con il 100% di SOH e nel tempo si deteriorano. Ad esempio, una batteria da 70 kWh con il 90% di SOH si comporterebbe effettivamente come una batteria da 63 kWh. In generale comunque il degrado della batteria non è lineare: dopo un calo iniziale si registra un calo ad un ritmo molto più moderato. Verso la fine della sua vita, però, il comportamento della batteria assumerà un andamento non lineare e subirà un calo che ne comporterà una perdita significativa di funzionalità; ad oggi però i dati sono ancora troppo scarsi per permetterne una previsione corretta.

Tuttavia, se si guarda al calo medio di tutti i veicoli, la perdita è anche dovuta alla tecnologia costruttiva: alla chimica della batteria ed alla gestione termica del pacco batteria e quindi all'efficienza del raffreddamento della batteria: una Tesla Model S del 2015, con un sistema di raffreddamento a liquido, ha riscontrato un tasso di degrado del 2,3% all'anno mentre una Nissan Leaf del medesimo anno, con un sistema di raffreddamento ad aria passivo, ha dimostrato un tasso medio del 4,2% all'anno. Significa che dopo cinque anni la batteria della Tesla avrà avuto un degrado dell'11,5% e la sua autonomia sarà scesa dai 635 chilometri iniziali  a circa 562 km mentre la Nissan  sarà passata dai 378 km iniziali a circa 300 km con un degrado del 21%.

Fonte e dati: Geotab(4) 

Esistono delle condizioni di utilizzo che possono influire negativamente sulla durata della batteria: talune possono essere superate attraverso un attento uso altre sono dovute a condizioni climatiche. Un elevato utilizzo, oltre 20.000 km/anno dopo circa 4 anni comporta una perdita di SOH limitata a meno del 4%. Maggiore è l’impatto per i veicoli guidati in zone con temperature elevate, cioè con più di 5 giorni all'anno oltre i 27 °C: dopo cinque anni la perdita di SOH è di oltre il 6%. Anche il tipo di ricarica influisce sensibilmente sulla durata: nella maggior parte dell'Europa abbiamo la ricarica domestica, CA, che è equivalente al Livello 2 in Nord America e la ricarica rapida CC, nota anche come DCFC realizzata con caricabatterie a corrente continua. La ricarica rapida genera correnti elevate che causano alte temperature note per essere poco gradite alle batteria e ci sono case automobilistiche suggeriscono di limitare l'uso del DCFC per prolungare la durata della batteria dei loro veicoli. L’utilizzo di una ricarica rapida per più di tre volte al mese in climi caldi comporta una perdita di SOH di oltre il 15% dopo quattro anni e comunque anche con sole tre ricariche al mese la perdita è di poco meno del 15%.

Naturalmente si tratta di una visione generale della salute della batteria, non di una previsione puntule della singola batteria e non si tratta di esperimenti controllati, ma il numero di dati è comunque significativo.

Un limite dell'analisi è la limitata durata nel tempo: infatti sono quasi completamente assenti i dati su veicoli che abbiano più di quattro anni di vita e d'altra parte sebbene siano state condotte molte ricerche sulla salute della batteria, ci sono stati pochissimi dati che seguono le prestazioni nel mondo reale dei veicoli elettrici nel tempo, per non parlare dei confronti tra diverse marche e modelli. 

Quello che va sottolineato è che ci sono aspetti ad oggi non compiutamente esplorati come la durata della batteria in un veicolo con oltre i 250.000 km, percorrenza nella norma, anche se frequentemente questo veicolo finisce la sua vita con un proprietario diverso. Percorrenze annue di oltre 50.000 km non sono affatto straordinarie: come si comporterà la batteria di un veicolo che dopo tre anni ha già circa 200.000 km percorsi in un clima caldo e magari con frequenti ricariche rapide? 

L’età media di un veicolo in Europa è di 10,8 anni passando dal Lussemburgo con 6,4 anni alla Grecia con 15,7 alla Polonia con 13,9 alla Spagna con 12,4 alla Germania con 9,5(5).

In Italia ha una vita media di 11,3 anni.

Dopo 10 anni per quanto visto in una Nissan Leaf - non tutti possono permettersi una Tesla - la durata della batteria potrebbe essere scesa del 42% e se a questo aggiungiamo che buona parte dell’Europa è da considerarsi zona con temperature elevate e che qualcuno potrebbe utilizzare più di tre volte al mese una ricarica rapida la nostra batteria potrebbe trovarsi, con buona probabilità, a meno del 50% della sua efficienza iniziale senza considerare la potenziale caduta di efficienza. Cosa fare? Decidiamo di buttare le automobili, magari in perfetta efficienza perché la batteria permette di compiere una distanza troppo scarsa o sostituiamo la batteria?

Perché il punto è proprio questo: se sostituiamo la batteria i calcoli sull’impronta carbonica vanno rivalutati ed il punto di pareggio si sposta ad una distanza (chilometrica) tale da far intuire, forse con maggior chiarezza, le perplessità di Akio Toyoda, CEO di uno dei più grandi gruppi automobilistici mondiali.

 

Riferimenti:

1 - Journal of Cleaner Production - Life cycle assessment of lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) batteries for electric passenger vehicles - Xin Sun a,b,c, Xiaoli Luo a,b, Zhan Zhang a,b, Fanran Meng d, Jianxin Yang a,b

a. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, No.18 Shuangqing Road, Haidian District, Beijing, China
b. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, No. 80 East Zhongguancun Road, Haidian District, Beijing, China
c. China Automotive Technology and Research Center Co, Ltd, No. 68 East Xianfeng Road, Dongli District, Tianjin, China
d. Sustainable Process Technologies Group, Faculty of Engineering, University of Nottingham, Nottingham, NG7 2RD, UK

2 - Journal of Cleaner Production - Environmental life cycle assessment of the production in China of lithium-ion batteries with nickel-cobalt-manganese cathodes utilising novel electrode chemistries - Evangelos Kallitsis a, Anna Korre a,b, Geoff Kelsallc, Magdalena Kupfersberger b, Zhenggang Nie a
a. Department of Earth Science and Engineering, Imperial College London, United Kingdom
b. Energy Futures Lab, Imperial College London, United Kingdom
c. Department of Chemical Engineering, Imperial College London, United Kingdom

3 - GHG Emissions from the Production of Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles in China - Han Hao, Zhexuan Mu, Shuhua Jiang, Zongwei Liu and Fuquan Zhao - State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing, China;

4 - Dati Geotab Inc. (www.geotab.com) fornitore di servizi telematici commerciali nel mondo.

5 - Fonte A.C.I.