Sostenibilità ambientale nel settore automobilistico: l’elettrificazione e un’analisi delle batterie agli ioni di litio

Sostenibilità ambientale nel settore automobilistico: l’elettrificazione e un’analisi delle batterie agli ioni di litio

Scuola di Ingegneria

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Gestionale

Environmental sustainability in the automotive industry: electrification and an analysis of lithium-ion batteries

Il Candidato: Stefano Svelti

Relatore: Prof. Pietro Tesi

Anno accademico 2023-2024

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Sommario

La presente tesi si propone di esaminare l’impatto ambientale del settore automobilistico, uno dei più importanti per le economie globali, e di presentare l’elettrificazione come soluzione efficace per mitigare le emissioni inquinanti generate dall’utilizzo dei veicoli. L’obiettivo principale è analizzare in maniera approfondita come si struttura l’offerta di veicoli elettrici disponibili sul mercato, con un focus sulle batterie agli ioni di litio, riconosciute come la tecnologia predominante per l’accumulo di energia nelle vetture completamente elettriche grazie alle loro caratteristiche.

Questa ricerca bibliografica esamina i progressi compiuti fino ad ora e identifica possibili vie di sviluppo. Date l’urgenza e l’importanza del problema del cambiamento climatico e i potenziali benefici derivanti dall’offerta di alternative ecologiche ai veicoli a combustione interna, la ricerca in questo campo è continua. Numerosi attori, tra cui istituzioni accademiche e produttori di batterie, contribuiscono a sviluppare soluzioni innovative per migliorare il panorama dei veicoli elettrici.

Il primo capitolo offre un’introduzione generale, sottolineando l’impatto significativo del settore dei trasporti, in particolare quello automobilistico, sulle emissioni globali di CO₂. Vengono poi delineate le motivazioni che hanno portato allo sviluppo di questa tesi. Successivamente, è descritta la metodologia di ricerca adottata, che include le domande di ricerca a cui questo elaborato si propone di rispondere, le parole chiave utilizzate per reperire le fonti e i criteri di selezione delle stesse. Al termine di questa sezione, viene fornito un resoconto sul numero totale di fonti utilizzate.

Nel secondo capitolo si entra nel vivo della trattazione con un’analisi dettagliata del settore automobilistico, esaminando in particolare l’impatto ambientale delle automobili e le politiche ambientali proposte dai principali attori internazionali, tra cui Stati Uniti, Unione Europea e Cina. Si esplora il ruolo significativo che il settore automobilistico riveste nell’economia globale, evidenziando le sfide ambientali connesse al crescente numero di veicoli in circolazione e alle relative emissioni. Viene specificato il tipo di impatto ambientale considerato, presentando i composti chimici presenti nei fumi di scarico delle vetture e le relative problematiche. Nella sezione conclusiva, vengono esaminate le strategie adottate dai governi per promuovere la sostenibilità nel settore, analizzando e confrontando le politiche ambientali di Stati Uniti, Unione Europea e Cina per valutarne l’efficacia.

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Il terzo capitolo, dopo una panoramica su alcune strategie secondarie per migliorare la performance ambientale dei veicoli, introduce la più efficace: l’elettrificazione completa delle vetture. Si procede con una sintesi del mercato delle vetture elettriche, seguita da una dettagliata analisi delle varie tipologie di veicoli elettrici, con particolare attenzione a quelli completamente alimentati dal pacco batterie. Allo scopo di fornire una trattazione completa, si esaminano anche i fattori chiave che influenzano le decisioni di acquisto dei consumatori, fungendo da ostacoli o incentivi all’adozione dei veicoli elettrici. Tale analisi è supportata da dati provenienti da sondaggi e mostra il legame tra le barriere all’acquisto di una vettura elettrica e le politiche ambientali, indirizzate a superarle.

L’ultimo capitolo, il quarto, costituisce il nucleo della tesi, concentrando l’attenzione sulle batterie agli ioni di litio e sottolineando le caratteristiche che le rendono la scelta ottimale per alimentare i motori elettrici. Si fornisce una descrizione del loro funzionamento, della loro composizione e delle variazioni tra diverse tipologie di batterie agli ioni di litio, illustrando perché non tutte siano adatte all’impiego sui veicoli elettrici. Inoltre, viene esaminato l’andamento dei costi di produzione delle batterie, evidenziando il significativo calo degli ultimi anni che ha favorito la diffusione dei veicoli elettrici, riducendo l’impatto del costo delle batterie sul prezzo finale dell’automobile.

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Indice

Sommario ............................................................................................................................................... 2

1 Introduzione ............................................................................................................................. 5

1.1 Metodologia di ricerca .................................................................................................... 5

2 Il settore automobilistico .................................................................................................... 8

2.1 Impatto ambientale dei veicoli.................................................................................... 9

2.1.1 Le politiche ambientali globali ....................................................................... 11

2.2 Le possibili soluzioni .................................................................................................... 15

3 I veicoli elettrici .................................................................................................................... 18

3.1 Il mercato dei veicoli elettrici ................................................................................... 19

3.1.1 Mild Hybrid Electric Vehicle (MHEV)............................................................ 19

3.1.2 Hybrid Electric Vehicle (HEV) .......................................................................... 20

3.1.3 Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) ....................................................... 21

3.1.4 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) ..................................................................... 22

3.2 Battery Electric Vehicle (BEV) ................................................................................... 23

3.2.1 Analisi dell’offerta ................................................................................................ 24

3.2.2 Fattori che influenzano la diffusione dei BEVs ....................................... 25

4 Le batterie agli ioni di litio .............................................................................................. 28

4.1 La generica batteria ....................................................................................................... 28

4.2 La composizione di una batteria a litio-ione .................................................... 29

4.3 Il mercato delle LIBs ..................................................................................................... 31

4.4 Il costo di produzione di una LIB ............................................................................ 32

4.5 Evoluzione delle batterie agli ioni di litio ........................................................... 34

5 Conclusioni e sviluppi futuri .......................................................................................... 36

6 Bibliografia e Sitografia .................................................................................................... 38

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Candidato: Stefano Svelti

Relatori: Prof. Pietro Tesi

1 Introduzione

Il cambiamento climatico è un insieme di alterazioni ambientali che, negli ultimi decenni, ha attirato sempre più attenzione da parte della comunità scientifica e non solo. A partire dalla seconda metà del XIX secolo, grazie allo sviluppo tecnologico, l’umanità ha iniziato a disporre di dati strumentali attendibili sul clima a livello globale. L’analisi di questi dati ha permesso di quantificare l’effettivo cambiamento delle condizioni climatiche. Gli studi mostrano che negli ultimi cinquant’anni si sta verificando un innalzamento della temperatura media globale a un tasso decisamente più alto rispetto ai periodi precedenti. Analizzando i dati, emerge chiaramente una correlazione diretta tra l’aumento della temperatura globale e quello dei livelli di gas serra, in particolare del biossido di carbonio (CO₂). Per affrontare questa crisi, i governi di tutto il mondo hanno adottato provvedimenti per limitare le emissioni di gas nocivi, imponendo a tutte le industrie di rivedere le proprie pratiche.

Nel 2023, come evidenziato nell’articolo redatto da (Rapson and Muehlegger 2023), il settore dei trasporti si è piazzato al secondo posto fra i settori maggiormente responsabili delle emissioni di CO₂ contribuendo per circa il 21% delle emissioni totali, che ammontano a 36,8 miliardi di tonnellate (Friedlingstein et al. 2023). All’interno del settore, tuttavia, le responsabilità non sono distribuite in maniera omogenea: infatti, il solo trasporto su strada contribuisce per circa il 90%. L’industria automobilistica ha attirato a sé molta attenzione, poiché se questa tendenza non dovesse essere invertita, sarebbe impossibile pensare di raggiungere gli obiettivi prefissati dai paesi in termini di riduzione delle emissioni. Nell’analisi delle cause della scarsa sostenibilità ambientale delle automobili, emerge chiaramente che la principale responsabilità è imputabile ai combustibili utilizzati per alimentarle, i quali rilasciano anidride carbonica e altri agenti inquinanti durante la combustione.

Tra le numerose sfide che l’industria automobilistica deve affrontare, quella di sviluppare automobili che offrano prestazioni equivalenti ma che rappresentino un significativo passo avanti in termini di performance ambientale e sostenibilità è sicuramente la più nobile e affascinante. La motivazione che mi ha spinto a realizzare questa tesi scaturisce proprio da qui: dalla volontà di unire la passione per le automobili all’analisi delle strategie adottate dalle aziende del settore per raggiungere l’obiettivo della completa decarbonizzazione dei veicoli entro i prossimi decenni.

1.1 Metodologia di ricerca

Per realizzare la tesi è stata svolta una ricerca bibliografica. Una volta scelto il tema, ho effettuato una prima analisi per identificare i punti chiave da affrontare nella trattazione. La selezione dei temi è stata basata su due domande di ricerca a cui l’elaborato intende rispondere.

Definiti gli obiettivi della ricerca, per selezionare il materiale utile alla stesura dell’elaborato sono state utilizzate due banche dati scientifiche: Google Scholar e Scopus.

La redazione è stata suddivisa in due parti. Nella prima parte, l’obiettivo è stato comprendere l’impatto ambientale del settore automobilistico, le strategie che le aziende possono adottare per ridurlo ed infine gli obiettivi a lungo termine da conseguire. Per ricercare il materiale, su entrambe le banche dati, ho utilizzato le seguenti keywords, combinate assieme tramite gli operatori AND, per selezionare i documenti collegati con entrambe le parole chiave selezionate, e OR:

• Automotive industry
• Environmental sustainability
• Electrification
• Decarbonization
• Policy

Successivamente, per analizzare le varie tipologie di veicoli elettrici e le batterie agli ioni di litio utilizzate su alcuni di essi, le parole chiave utilizzate sono state le seguenti:

• Electric vehicles
• Battery electric vehicles
• Li-ion batteries

Le fonti ottenute dall’inserimento delle keywords sono state poi filtrate nel seguente modo: innanzitutto, sono state scartate quelle in lingua diversa dall’inglese e quelle inaccessibili tramite l’università, dopodiché sono stati selezionati esclusivamente gli articoli. Successivamente è stata fatta una selezione in base all’anno di pubblicazione, adottando principalmente fonti recenti, successive al 2020. La scelta mi è sembrata coerente per due motivazioni principali:

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1. La tendenza che vede in costante aumento la penetrazione dei veicoli elettrici all’interno del mercato automobilistico è relativamente recente, accompagnata dalla crescente sensibilità nei confronti della sostenibilità ambientale.
2. Le tecnologie che stanno favorendo la diffusione dei veicoli elettrici, rendendoli sempre più accessibili alle persone, sono in continuo sviluppo. Prendere in considerazione fonti eccessivamente datate avrebbe potuto comportare l’analisi di soluzioni tecnologiche ormai obsolete.

Tuttavia, ciò non vuol dire che articoli meno recenti non siano stati presi in considerazione, soprattutto se contenenti informazioni su cui poter fare affidamento come, ad esempio, metriche o statistiche funzionali alla trattazione.

Per concludere la selezione, sono stati letti i titoli e gli abstract degli articoli rimanenti ed infine è stata fatta una lettura completa di quelli più interessanti. I risultati poco attinenti al tema della tesi sono stati scartati, mentre quelli selezionati sono stati suddivisi in base all’argomento, individuando tre macrocategorie:

• Settore automobilistico
• Veicoli elettrici
• Batterie agli ioni di litio

Così facendo, si è arrivati alle ventiquattro fonti bibliografiche utilizzate per la stesura dell’elaborato.

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2 Il settore automobilistico

Il settore automobilistico, da decenni protagonista indiscusso del panorama industriale mondiale, riveste un ruolo cruciale nell'economia globale. Definito come l'insieme delle attività connesse alla progettazione, produzione, commercializzazione e manutenzione di veicoli a motore, questo settore ha conosciuto una crescita straordinaria, diventando uno dei pilastri portanti dello sviluppo economico e tecnologico. La sua importanza è evidente dal fatto che contribuisce significativamente al PIL mondiale, rappresentandone circa il 4% grazie alle 83 milioni di nuove vetture vendute nel 2023 (Agenzia Nova 2023).

La sua importanza risiede non solo nella creazione di posti di lavoro e nella generazione di ricchezza, ma anche nell'influenza che esercita sulla mobilità, sull'urbanizzazione e sull'interconnessione delle economie globali. Con milioni di veicoli che solcano le strade del pianeta, l'industria automobilistica è un catalizzatore per una vasta gamma di settori facenti parte della sua supply chain, dalla produzione di acciaio e plastica alla tecnologia dell'informazione e alle energie rinnovabili.

Tuttavia, questa crescita è accompagnata da una serie di sfide che le case automobilistiche, e l’intera industria in generale, devono affrontare per mantenere la propria posizione di vantaggio. Tra queste, l'impatto ambientale rappresenta la questione più rilevante. L'aumento delle emissioni di gas serra, la dipendenza dai combustibili non rinnovabili e la crescente consapevolezza dei cambiamenti climatici hanno spinto l'industria automobilistica a riconsiderare radicalmente il proprio approccio.

Oltre a questa sfida, il settore deve confrontarsi con un continuo e rapido progresso tecnologico, che richiede investimenti significativi in ricerca e sviluppo. L’introduzione di nuove tecnologie, come i veicoli elettrici e autonomi, offre notevoli opportunità, ma pone anche sfide legate alla logistica, alle normative e all’infrastruttura. Un esempio concreto della vulnerabilità di questa industria è il terremoto che ha colpito Taiwan nell’aprile di quest’anno, obbligando molte grandi aziende produttrici di semiconduttori per automobili a sospendere temporaneamente le proprie attività produttive. Questi eventi scatenano ritardi nella consegna e aumenti dei prezzi delle automobili che mettono in grande difficoltà l’industria.

La necessità di affrontare la sostenibilità a lungo termine è ora al centro delle discussioni e delle strategie aziendali. Nel prosieguo della tesi, verranno analizzati gli impatti ambientali del settore automobilistico a livello globale. Successivamente, attraverso un'analisi delle politiche ambientali, delle innovazioni tecnologiche e delle iniziative aziendali, si cercherà di delineare un quadro completo delle

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