Veicoli elettrici : potenzialità o collo di bottiglia?

Università degli studi di Udine

Dipartimento di scienze economiche e statistiche

Corso di laurea triennale in economia e commercio, classe L-33, scienze economiche

Tesi di laurea

Veicoli elettrici: potenzialità o collo di bottiglia?

Relatore: Prof. Antonio Massarutto
Laureanda: Francesca Lucchese
Matricola: 139533
Anno Accademico 2019/2020

Dedica

A me per l’impegno, alla mia famiglia per il supporto, ai miei amici ed a tutti coloro che mi sono stati vicino ed al relatore per il sostegno e la disponibilità

Indice

• Sommario
• Capitolo 1: Contesto di riferimento
  • 1.1 Condizione europea dal 1990 al 2017
  • 1.2 Aumentare la qualità dei carburanti nei nuovi veicoli immessi nel mercato
    • 1.2.1 Dieselgate
  • 1.2 Cambiamenti a lungo termine? (auto ad alimentazione alternativa)
• Capitolo 2: Veicoli elettrici
  • 2.1 Storia
• Capitolo 3: Puntare sull’auto elettrica per risolvere il problema dell’inquinamento?
  • 3.1 Approccio di analisi del ciclo di vita o life cycle assessment (LCA)
    • 3.1.1 Lo studio EPA “Application of life cycle assessment to nanoscale technology: lithium-ion batteries for electric vehicles”
  • 3.2 Costi del ciclo di vita sociale, valutazione SLC
  • 3.3 Esternalità finora non considerate
• Capitolo 4: Mercato dell’auto elettrica, da solo non si afferma?
• Capitolo 5: Dal lato dei consumatori
  • 5.1 L’autonomia e la disponibilità di infrastrutture di ricarica
  • 5.2 Tempo necessario per ricaricarle
  • 5.3 Prezzo di acquisto e costo totale di proprietà
    • 5.3.1 Caso pratico: confronto fra auto elettrica ed auto a benzina in termini di costi (derivati dal database delle auto ADAC per entrambi i modelli (tedesco)
    • 5.3.2 Previsioni costo medio di vita dell’auto in futuro
    • 5.3.3 Strategie di riduzione del costo dell’elettrica oggi: fra incentivi e noleggio batteria
  • 5.4 Caso Milano
• Capitolo 6: Conviene alle costruttrici investire nelle auto elettriche?
  • 6.1 Il futuro dell’elettrica è minacciato dalla carenza dei metalli?
• Conclusione
• Bibliografia

Indice delle figure

• Fig.1.1: Serie storica della concentrazione media annua di biossido di zolfo alla stazione Juvara di Milano dal 1957 al 2004 [CNEIA, 2006a].
• Fig.1.2: Serie storica della concentrazione media annua di biossido di zolfo nelle stazioni Consolata e Rebaudengo di Torino [CNEIA, 2006a].
• Fig.1.3: Emissioni di inquinanti in Europa suddivisi per settori, (Agenzia Europea dell’Ambiente, 2017)
• Fig.1.4: Trend delle emissioni da 1990-2017 in Europa, (Eurostat, 2019)
• Fig.1.5: Emissioni di ossidi di azoto, in milioni di tonnellate, suddiviso per settore di provenienza, UE-28, 1990 e 2017, (SEE, 2019)
• Fig.1.6: Emissioni di particolato fine in atmosfera per settore di provenienza, milioni di tonnellate, UE-28, 1990 e 2017, (SEE, 2019)
• Fig.1.7: Riduzione delle emissioni dei principali inquinanti in seguito all’introduzione delle diverse norme euro (CO, NOX e PM) (UNRAE, 2018)
• Fig.1.8: Emissioni di CO2 per tipo di alimentazione, (ISPRA 2016)
• Fig.1.9: Trend emissioni di CO2 dal 1990 al 2017, (Eurostat e Agenzia Europea dell’Ambiente, 2019)
• Fig.1.10: Emissioni di CO2 dallo scarico suddiviso per tipo di carburante, (ISPRA 2016)
• Fig.1.11: Emissione di CO2 dal tubo di scarico dei veicoli (Agenzia europea dell’ambiente, 2014)
• Fig.2.1: Diversi tipi di veicoli elettrici, (Enea, 2016)
• Fig.2.2: Jamais Contente raggiunse i 100 km/h (1899), (Emobility, 2017)
• Fig.3.1: Schema dei diversi stadi del ciclo di vita delle auto, (Danielis, 2017)
• Fig.3.2: Composizione del mix energetico utilizzato per produrre energia elettrica in Italia, (GSE, 2018)
• Fig.3.3: Emissione di CO2 per tipologia di veicoli e per fase di vita di emissione, (Danielis, 2017)
• Fig.3.4: CO2eq/Km lungo l’intero ciclo di vita per alcune auto ad alimentazione differente in vendita negli USA, (Massachusetts Institute of Technology, 2019)
• Fig.3.5: Ciclo di vita batterie al litio per veicoli elettrici puri, (EPA, 2013)
• Fig.3.6: Impatti ambientali della fase di produzione delle batterie, (Enea, 2011)
• Fig.3.7: Impatti ambientali della fase d’uso delle batterie, (Enea, 2011)
• Fig.3.8: Impatti ambientali della fase fine vita, (Enea, 2011)
• Fig.3.9: Costi sociali delle esternalità causate dai veicoli suddivise per diverse tipologie di alimentazione, (Danielis, 2015)
• Fig.3.10: “Finestra operativa” di una cella agli ioni di litio (Mpoweruk, 2005)
• Fig. 3.11: Stati beneficiari del fondo per la ricerca sulle batterie (UE, 2019)
• Fig.4.1: Trend mondiale delle vendite dell’elettrica, (Mckinsey, 2018)
• Fig.4.2: Posizione dei paesi nel mercato delle auto elettriche, (Mckinsey, 2018)
• Fig.5.1: Investimenti complessivi nella rete di ricarica per mezzi elettrici nello scenario TECH nel periodo fino al 2050. (Cambridge Econometrics, 2018)
• Fig.5.2: Infrastruttura di ricarica >11kw per veicoli elettrici nelle diverse regioni italiane, (Legambiente, 2018)
• Fig.5.3: Infrastruttura di ricarica <11kw per veicoli elettrici nelle diverse regioni italiane (Legambiente, 2018)
• Fig.5.4: Tipi di ricarica disponibili attualmente (Enea, 2016)
• Fig.5.5: Risultati del confronto TCO tra i modelli di auto con alimentazione "alternativa" e "convenzionale" appartenenti al segmento di mercato italiano A-B, (Danielis, 2015)
• Fig.5.6: Confronto dei prezzi totali per diversi tipi di trazione fra anno base 2015 ed anno preso in riferimento 2014, (Danielis, 2015)
• Fig.5.7: Confronto dei prezzi di acquisto nel 2019 fra due auto comparabili (Germania), (Adac, 2019)
• Fig.5.8: Confronto fra prezzo di elettricità e costo del carburante (benzina) dati del 2019 in Germania, (Adac, 2019)
• Fig.5.9: Tassa sull’automobile in Germania nel 2019, (Adac, 2019)
• Fig.5.10: Premi di assicurazione date le caratteristiche in esame in Germania nel 2019, (Adac, 2019)
• Fig.5.11: Costo dei servizi di assistenza e manutenzione in Germania nel 2019, (Adac, 2019)
• Fig.5.12: Valore residuo a cinque anni fra auto a benzina ed elettrica considerate, (Adac, 2019)
• Fig.5.13: Costo totale di proprietà quadriennale per un'autovettura nuova di piccole dimensioni (segmenti A e B) nel 2030, (Cambridge Econometrics, 2018)
• Fig.5.14: Rappresenta le diverse versioni della Renault Zoe evidenziando le differenze fra le due soluzioni, (Renault, 2019)
• Fig.5.15: Incentivazione ai veicoli a basse emissioni in Italia dal 2013 al 2015 (RSE, 2017)
• Fig.5.16: Malus in Francia nel 2018, rispetto al 2019 suddivise per emissioni di CO2. (L'argus.fr - Tous les prix du nouveau malus écologique, 2018)
• Fig.5.17: Limitazioni strutturali nella zona a traffico limitato torinese, (Comune di Torino, 2020)
• Fig.5.18: Milano serie storica delle emissioni di PM10, (Istat, 2020)
• Fig.5.19: Contributi previsti dalla Lombardia in caso di acquisto di veicolo elettrico puro e rottamazione di uno inquinante, (Regione Lombardia, 2019)
• Fig.5.20: Inquinamento da PM10 e ozono (O3) nei capoluoghi delle città metropolitane nell'anno 2018 (numero di giorni di superamento del limite (Arpav, 2018)
• Fig.6.1: Costi di produzione di veicoli elettrici e non (Mckinsey, 2019)
• Fig.6.2: Strategie di riduzione dei costi di produzione auto elettriche, (Mckinsey, 2019)
• Fig.6.3: Nuovi modelli di business attuabili, (Mckinsey, 2019)
• Fig.6.4: Metalli per produzione dell’auto elettrica (Hawkins, 2013; Mathieux, 2017)
• Fig.6.5: Differenza fra domanda e disponibilità di cobalto (European Commission, Joint Research Centre, 2018)
• Fig.6.6: Diverse formule utilizzate per definire lo stato di salute della batteria, (Enea, 2017)

Sommario

La presente trattazione espone le potenzialità e i colli di bottiglia delle auto elettriche. In primis ho ritenuto necessario delineare il contesto di riferimento. L’obiettivo internazionale dagli anni '80 è infatti quello di ridurre l’inquinamento atmosferico. Il settore delle auto ne è la maggior fonte. Fino agli anni '90 sono state introdotte a livello internazionale ed europeo norme rivolte alla miglior qualità dei carburanti benzina e diesel. Solo successivamente per raggiungere obiettivi di lungo periodo fu ritenuto necessario puntare sull’elettrico. (cap. 1)

Davvero l’auto elettrica produce minori emissioni? Ho intrapreso un approfondimento sugli studi condotti in letteratura sulle emissioni causate dai diversi tipi di alimentazione. Con un richiamo in particolare per l’analisi del ciclo di vita e la valutazione SLC. (cap. 3)

Nonostante la maggior sensibilità ambientale, il mercato dell’elettrica ha difficoltà ad affermarsi. Ho definito dunque la situazione attuale e le prospettive per il futuro (cap. 4)

Cosa manca al mercato per decollare? Uno sguardo al lato dei consumatori, con una rappresentazione degli ostacoli all’acquisto dell’auto elettrica e le soluzioni tecnologiche e di politica pubblica intervenute. (cap. 5) Infine ho analizzato il lato della produzione. Conviene alle case automobilistiche investire nel mercato dei veicoli elettrici, quali sono i colli di bottiglia ancora da superare? Ho svolto un’analisi incentrata sulla questione degli elevati costi di produzione e sulla difficile reperibilità dei metalli. (cap. 6) Infine ho rappresentato i possibili scenari futuri.

Capitolo 1: Contesto di riferimento

Lo scopo di questo capitolo introduttivo è delineare il contesto di riferimento, ovvero il motivo per cui la Comunità Internazionale punta a ridurre l’inquinamento atmosferico, le norme intervenute nel corso degli anni in questa direzione, fino ad arrivare all’auto elettrica come soluzione prospettata. Garantire una miglior qualità dell’aria, infatti, è uno degli obiettivi su cui si concentra negli ultimi decenni la Comunità Internazionale (UNECE, 2019). L’inquinamento atmosferico, difatti, è nocivo per la salute dell’uomo e per l’ambiente come testimonia l’Oms (OMS, 2005).

La preoccupazione per un’aria più pulita è sorta solo negli anni ’60, quando gli scienziati scoprirono che gli inquinanti erano all’origine del processo di riscesa dall’atmosfera di particelle a composizione acida (delle piogge acide) che stavano divorando l’ambiente (es. foreste). Ad esempio, in Italia le concentrazioni di biossido di zolfo (anidride solforosa) misurato nelle decadi ‘50 e ‘70 nelle città di Milano (Fig.1.1) e Torino (Fig.1.2), registrarono medie annue con punti di 500 µg/m³ (1.0 × 10^-9 kg/m³). [CNEIA, 2006].

Gli anni '80 vedono una prima diminuzione della dispersione dell’anidride solforosa, a Milano e Torino con misurazioni inferiori ai 100 µg/m³ [CNEIA, 2006].

Fig.1.1: Serie storica della concentrazione media annua di biossido di zolfo alla stazione Juvara di Milano dal 1957 al 2004 [CNEIA, 2006a].

Fig.1.2: Serie storica della concentrazione media annua di biossido di zolfo nelle stazioni Consolata e Rebaudengo di Torino [CNEIA, 2006a].

Per derimere al problema dell’inquinamento, nel 1979, 32 paesi della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite, hanno deciso di cooperare stipulando il principale quadro internazionale per l’attuazione di misure volte a limitare e prevenire gradualmente l'inquinamento atmosferico. La convenzione sull'inquinamento atmosferico a livello internazionale (CLRTAP) nel corso degli anni è stata progressivamente estesa. (UNECE 2019).

Il primo radicale cambiamento dal punto di vista ambientale avvenne negli anni '80 con l’attuazione dei primi provvedimenti da parte dei singoli stati appartenenti all’UNECE. Nel 1979 infatti in Italia venne annunciato il progetto VESE (Valutazione degli Effetti ambientali e socioeconomici dei Sistemi Energetici) per la valutazione degli effetti ambientali (Pinchera, 1979), che manifesterà le sue potenzialità per tutti gli anni ‘80 fino ai primi anni ‘90.

In questo ambito, con riferimento all’inquinamento atmosferico, nel 1986 vennero realizzati i primi censimenti sulle emissioni in Italia (Bocola e Cirillo, 1986), fu delineata una prima guida alle cause d’emissione degli inquinanti atmosferici (Gaudioso et al., 1989) ed esaminata la loro dispersione (Cirillo and Manzi, 1991). (Anil Markandya, 1999) e (Gazzetta Ufficiale N4 del 2014 cita Mario Carmelo)

I principali inquinanti atmosferici considerati furono:

• Idrocarburi incombusti (HC), cioè parte di combustibile non bruciato;
• Ossidi di azoto (NOx): si forma per la combustione dell’aria che è costituita dal 78% di azoto. Questo elemento negli alti strati dell’atmosfera per effetto delle radiazioni ultraviolente si combina con l’acqua formando acido nitrico (pioggia acida);
• Monossido di carbonio (CO): ben il 90% del monossido di carbonio prodotto dalle attività umane è da imputare ai veicoli;
• Anidride solforosa: prodotto della lavorazione del gasolio che negli alti strati dell’atmosfera a causa delle radiazioni ultraviolente si combina con l’acqua formando la pioggia acida;
• Inquinamento atmosferico da polveri sottili (particelle di dimensioni molto ridotte che rimangono in sospensione nell’atmosfera a lungo tempo) è considerato di particolare rilievo. È attribuito al settore dei trasporti circa il 30% delle polveri. Il particolato o PM (materia particellare) è composto per il 94% da particelle solide di carbonio, di cui il 2% contiene sostanze cancerogene.

Da tali provvedimenti emerse che non vi è un’unica fonte che provoca inquinamento atmosferico, è infatti generato da fonti antropiche fra cui trasporti, processi industriali, generazione di elettricità da combustibili fossili, inquinamento prodotto dai veicoli, rare sono invece le cause naturali che possono provocare sfavorevoli alterazioni. In Europa, ad esempio, il settore dei trasporti rappresenta il 30% delle emissioni totali di CO2, il 72% del quale deriva dal trasporto stradale (Parlamento Europeo, 2019) (Fig.1.3).

Fig.1.3: Emissioni di inquinanti in Europa suddivisi per settori (Agenzia Europea dell’Ambiente, 2017) Link

Condizione europea dal 1990 al 2017

Dall’introduzione delle prime norme sulla qualità dell’aria le emissioni di inquinanti atmosferici si sono ridotte notevolmente. Ad esempio, in Europa, i livelli di inquinanti in atmosfera sono sensibilmente diminuiti dagli anni ’90, grazie alle politiche ambientali adottate negli ultimi 30 anni. Il trend decrescente si evince dall’analisi della serie storica multivariata (1990-2017) dei principali inquinanti (SOX, PM, NOX, NH3, NMVOC) condotta dall’Eurostat in collaborazione con Agenzia Europea per l’Ambiente. (Fig.1.4) (Eurostat, 2019)

Fig.1.4: Trend delle emissioni dal 1990 al 2017 in Europa (Eurostat, 2019) Link

In particolare, le emissioni di ossidi di azoto (Nox), che si formano per la combustione dell’aria che è costituita dal 78% da questo inquinante, sono passate da 18 milioni di tonnellate nel 1990 a 7,5 nel 2017. Il settore dei trasporti (rappresentato in verde acqua) rimane quello che provoca maggiori esternalità di Nox, la riduzione però fra 1990 e 2017 è notevole. (da 7,7 milioni di tonnellate a 3,1 milioni). (SEE, 2019) Come possiamo evincere dal grafico (Fig. 1.5) che mette direttamente a confronto le emissioni del 1990 e 2017 suddivise per i diversi settori di provenienza.

Fig.1.5: Emissioni di ossidi di azoto, in milioni di tonnellate, suddiviso per settore di provenienza, UE-28, 1990 e 2017, (SEE, 2019) disponibile anche presso Eurostat (env_air_emis)

Anche l’inquinamento atmosferico da polveri sottili è considerato di particolare rilievo, poiché il PM è composto per il 94% da particelle solide di carbonio, di cui il 2% contiene sostanze cancerogene. È attribuito al settore dei trasporti circa il 30% delle emissioni di tale inquinante. Negli anni considerati (1990 come anno base a confronto con l’anno di riferimento 2017), la presenza di particolato fine (PM2.5) in atmosfera si è ridotto del 50% (SEE, 2019 e EUROSTAT 2019). (Fig.1.6)

Fig.1.6: Emissioni di particolato fine in atmosfera per settore di provenienza, milioni di tonnellate, UE-28, 1990 e 2017, (SEE, 2019) disponibile anche presso Eurostat (env_air_emis)

L’UE tramite l’introduzione di normative sta andando nella direzione di raggiungere riduzioni significative entro il 2030 e entro il 2050 rispetto ai dati del 1990. (Parlamento Ue, 2018)

Vi sono due modalità per poter ridurre le emissioni causate dalle auto: aumentare la qualità dei veicoli immessi nel mercato e cambiare tipo di alimentazione utilizzata dai veicoli.

Aumentare la qualità del carburante nei nuovi veicoli immessi nel mercato

Gran parte dei progressi in questi anni sono stati introdotti da norme volte a garantire migliore qualità della benzina e del diesel. Dal 1991, infatti, la Comunità Europea (attuale UE) ha promulgato una serie di direttive, denominate euro, finalizzate alla riduzione dell’inquinamento ambientale prodotto dai veicoli. Le quali identificano la classe ambientale a cui fa riferimento l’auto.

Le norme euro entrate in vigore sono le seguenti:

• Euro 0: rientrano in questa classe i veicoli a benzina senza catalizzatore e "non ecodiesel". Sono mezzi immatricolati prima dell’entrata in vigore delle norme euro (31/12/1992).
• Euro 1: vi appartengono i primi veicoli conformi alla direttiva 91/411 CEE con l’obbligo alle varie case produttrici di inserire il catalizzatore. Le minori emissioni registrate nel settore dei trasporti su strada dagli anni ‘90 sono l’esito proprio del montaggio dei catalizzatori (direttiva EU 91/441/CEE).
• Euro 2: auto immatricolate tenendo conto delle modifiche ai limiti di emissione posti dal '97. (direttiva UE 94/12/CE).
• Euro 3: dal 2001 l’UE ha fissato l’obbligo d’adozione del sistema EOBD (European On Board Diagnostics), col compito di tenere sotto controllo il programma antinquinamento.