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

Sostenibilità ambientale nel

settore automobilistico:

l’elettrificazione e un’analisi

delle batterie agli ioni di litio

-

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 SCUOLA DI

INGEGNERIA

Corso di Laurea Triennale in

Ingegneria Gestionale

Sommario

La presente tesi si propone di esaminare l’impatto ambientale del settore

automobilistico, uno dei piu 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 e 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 e 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 CO . Vengono poi delineate le motivazioni che hanno portato

2

allo sviluppo di questa tesi. Successivamente, e 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 sostenibilita nel settore,

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analizzando e confrontando le politiche ambientali di Stati Uniti, Unione Europea e

Cina per valutarne l’efficacia.

Il terzo capitolo, dopo una panoramica su alcune strategie secondarie per

migliorare la performance ambientale dei veicoli, introduce la piu 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 e 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 perche 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 e un insieme di alterazioni ambientali che, negli

ultimi decenni, ha attirato sempre piu attenzione da parte della comunita

scientifica e non solo. A partire dalla seconda meta del XIX secolo, grazie allo

sviluppo tecnologico, l’umanita 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 piu 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 (CO ). Per affrontare questa crisi, i governi di tutto il mondo hanno

2

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 e piazzato al secondo posto fra i settori

maggiormente responsabili delle emissioni di CO contribuendo per circa il 21%

2

delle emissioni totali, che ammontano a 36,8 miliardi di tonnellate (Friedlingstein

et al. 2023). All’interno del settore, tuttavia, le responsabilita non sono distribuite

in maniera omogenea: infatti, il solo trasporto su strada contribuisce per circa il

90%. L’industria automobilistica ha attirato a se molta attenzione, poiche 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 sostenibilita ambientale delle automobili, emerge

chiaramente che la principale responsabilita e 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 sostenibilita e

sicuramente la piu nobile e affascinante. La motivazione che mi ha spinto a

realizzare questa tesi scaturisce proprio da qui: dalla volonta 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 e stata svolta una ricerca bibliografica. Una volta scelto il

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tema, ho effettuato una prima analisi per identificare i punti chiave da affrontare

nella trattazione. La selezione dei temi e stata basata su due domande di ricerca a

cui l’elaborato intende rispondere.

Domande di ricerca Motivazione

Quale è la struttura dell’offerta di veicoli generale

I Fornire un’analisi

elettrici per i consumatori? delle varie tipologie di

veicoli elettrici.

II Quale è la tecnologia che sta permettendo Individuare i punti di forza

l’affermazione dei veicoli elettrici a delle batterie agli ioni di litio

batteria? e comprendere in che modo

si sta sviluppando questa

tecnologia.

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 e stata suddivisa in due parti. Nella prima parte, l’obiettivo e 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’universita

, dopodiche sono stati

selezionati esclusivamente gli articoli. Successivamente e stata fatta una selezione

in base all’anno di pubblicazione, adottando principalmente fonti recenti,

successive al 2020. La scelta mi e 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 e relativamente recente,

accompagnata dalla crescente sensibilita nei confronti della sostenibilita

ambientale.

2. Le tecnologie che stanno favorendo la diffusione dei veicoli elettrici,

rendendoli sempre piu accessibili alle persone, sono in continuo sviluppo.

Prendere in considerazione fonti eccessivamente datate avrebbe potuto

comportare l’analisi di soluzioni tecnologiche ormai obsolete.

Tuttavia, cio 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 e stata fatta una lettura completa di quelli piu 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 e 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 attivita 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 e 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 mobilita

,

sull'urbanizzazione e sull'interconnessione delle economie globali. Con milioni di

veicoli che solcano le strade del pianeta, l'industria automobilistica e 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 e 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 piu 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 opportunita , ma pone anche sfide legate alla logistica, alle normative e

all’infrastruttura. Un esempio concreto della vulnerabilita di questa industria e 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 attivita produttive. Questi eventi scatenano ritardi

nella consegna e aumenti dei prezzi delle automobili che mettono in grande

difficolta l’industria.

La necessita di affrontare la sostenibilita a lungo termine e 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 cerchera di delineare un quadro completo delle

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