L’analisi WTW sull'efficienza energetica dei veicoli

Efficienza energetica

L’efficienza energetica di un sistema fisico rappresenta la sua capacità di ottenere un risultato utilizzando meno energia e aumentando il rendimento generale. Da un punto di vista prettamente scientifico, quindi, essa è il rapporto tra l'effetto di un determinato processo e l'energia in ingresso utilizzata all'interno del processo stesso. Ad esempio, nel caso di una macchina termica, è il rapporto tra il lavoro compiuto W e l’energia assorbita Q_ass fornita dall’esterno sotto forma di calore. Generalmente l’efficienza si indica con la lettera greca eta, η, e si misura in percentuale o, il che è lo stesso, con un numero compreso tra 0 e 1. 

Più è alta l’efficienza energetica, più è alto il risparmio energetico. Di conseguenza, si riducono i costi di esercizio e gli sprechi in termini di energia e di sostanze che contribuiscono al riscaldamento globale. In parole povere, l’efficienza energetica esprime la capacità di un sistema di ottimizzare i risultati.

L’analisi WTW

Il settore dei trasporti è ad alta intensità energetica e contribuisce a circa un terzo della domanda mondiale di energia primaria. Esso è quindi significativamente responsabile delle emissioni di gas serra della Terra, che sono la principale causa del cambiamento climatico. Inoltre, il grande aumento nel settore trasporti si traduce in un aumento dell'inquinamento atmosferico e ha effetti negativi sulla salute umana e sull'economia. L'efficienza è il primo combustibile, in quanto rappresenta il modo più pulito e, nella maggior parte dei casi, il più economico per soddisfare le nostre esigenze energetiche. Non esiste un percorso credibile per emissioni zero senza utilizzare le nostre risorse energetiche in modo molto più efficiente. Un cambiamento radicale nell'efficienza energetica ci darà la possibilità di combattere gli effetti peggiori del cambiamento climatico creando posti di lavoro e riducendo le bollette energetiche.

Poiché i veicoli svolgono un ruolo sostanziale nella società umana, è essenziale studiare la loro efficienza per affrontare i problemi globali di gestione dell'energia. A tale scopo, si sono affermate le analisi WTW (Well-To-Wheel, dal pozzo alle ruote), che perseguono gli obiettivi di stimare l’efficienza energetica, le emissioni di gas serra e i costi industriali di un'ampia gamma di carburanti per autoveicoli e di opzioni di propulsori. Il risultato funge da riferimento scientifico valido e ampiamente accettato, che fornisce una tecnologia e una metodologia per cogliere le implicazioni e le questioni in gioco in ogni percorso tecnologico.

L'analisi Well-To-Wheel differisce dall'analisi del ciclo di vita, in quanto non considera l'energia e le emissioni coinvolte nelle strutture di costruzione dei veicoli, né gli aspetti di fine vita degli stessi, ma si concentra sulla storia energetica e ambientale del veicolo mentre viene utilizzato. L'analisi WTW si divide in due fasi: WTT (Well-To-Tank, dal pozzo al serbatoio) e TTW (Tank-to-Wheel, dal serbatoio alle ruote). Non vengono effettuate stime dei "costi per la società" complessivi come le aree di costo sanitario, sociale o altre indagini. Presuppone che tutti gli impianti e i veicoli, nonché gli inquinanti regolamentati, soddisfino le normative attuali e future. 

Per poter calcolare l'efficienza energetica complessiva, nella prima fase si determina l'efficienza di ogni produzione, conversione o trasmissione di energia; poi si moltiplicano tutte le efficienze ottenute dalla fase precedente. Un singolo componente con un indice di efficienza basso ha un effetto moltiplicativo sul resto del sistema e sull'efficienza complessiva.

Le efficienze η_TTW dal serbatoio alle ruote dei veicoli a combustione interna, a gas naturale ed elettrici possono, in prima analisi, essere definiti sulla base della letteratura e dei dati forniti dal produttore. Inoltre, l'efficienza complessiva è stimata anche utilizzando fonti di energia rinnovabile per caricare i veicoli elettrici. 

Efficienza di estrazione, lavorazione e distribuzione

La catena energetica per i combustibili fossili inizia estraendo il greggio, convertendolo in una raffineria e poi distribuendo i prodotti ricavati al servizio desiderato, come una centrale elettrica o una stazione petrolifera. L'efficienza di ogni fase di questo processo è dettagliata nella Tabella 1. È stata considerata l'efficienza media di ciascuna fase per determinare l'efficienza TTW

Efficienza della centrale elettrica

La maggior parte delle centrali elettriche dipende dal carbone e dal gas naturale come combustibile per generare elettricità. La centrale elettrica a carbone e a gas naturale rappresenta rispettivamente quasi il 40 % e il 20 % della produzione mondiale. Il gas naturale è considerato un combustibile fossile efficiente per generare elettricità con un'efficienza che raggiunge circa il 34% nella turbina a ciclo semplice e fino al 50,1% nell'impianto a ciclo combinato, basato su turbine a gas. Comparativamente, le centrali elettriche a carbone forniscono efficienze complessive nell'intervallo 32-42%. Le centrali diesel, motori industriali ad alta capacità, hanno un'efficienza dal 35 % al 42 % come mostrato nella tabella 2. 

La centrale elettrica ha un interesse significativo nella determinazione dell'efficienza dei veicoli elettrici. Per questo, le prestazioni della centrale a combustibili fossili sono studiate in modo approfondito e sono riassunte nella tabella 2.

Il gas naturale viene immesso direttamente in una stazione di rifornimento in fase di compressione. L'efficienza del compressore solitamente si basa sul presupposto che una stazione di rifornimento abbia un’efficienza compresa tra il 91 % e il 97 %. La generazione di energia elettrica da fonti energetiche rinnovabili ha il vantaggio di essere esente da perdite di energia fino a raggiungere l'inverter a causa dell'estrazione da fonti totalmente scariche. L'efficienza degli inverter fotovoltaici ed eolici varia dal 90% al 95%

Efficienza della rete elettrica e delle stazioni di ricarica

L'elettricità generata nella centrale elettrica viene trasferita e distribuita attraverso la rete elettrica per raggiungere la stazione di ricarica. Il caricatore della stazione di rifornimento viene utilizzato per fornire elettricità al veicolo elettrico. Gli studi hanno rilevato che l'efficienza della rete elettrica è intorno al 92 % e l'efficienza di ricarica è del 95%.

Efficienza dal serbatoio alla ruota del veicolo (TTW)

L'esame dell'efficienza energetica dei veicoli elettrici, delle emissioni di CO2 e dei costi, considerando l'impatto dei veicoli elettrici sul fabbisogno di elettricità e sulla stabilità della rete elettrica ha mostrato l'importanza di includere tutti i processi della catena energetica (WTW) nella valutazione delle prestazioni dei veicoli elettrici.

L'efficienza TTW di veicoli a combustione interna dipende da vari fattori come velocità, condizioni di carico, peso del veicolo, comportamento del conducente e condizioni stradali. Essa è stata valutata in un intervallo compreso tra 14 e 33 % per i veicoli a benzina, 28-42% per i veicoli diesel e dal 14 % al 26% per i veicoli a gas. Un consumo di energia più elevato comporta emissioni più elevate, soprattutto se l'energia sprecata è elevata, questi si tradurranno in maggiori impatti ambientali a causa della maggiore quantità di emissioni. Le misurazioni degli effetti serra di varie attività umane sono significative per stabilire strategie efficaci di mitigazione del cambiamento climatico. Gli effetti serra dei combustibili fossili coinvolgono le emissioni di combustione e tutte le emissioni dalla catena di produzione del carburante fino alla combustione. È fondamentale poter valutare la piena influenza di queste diverse emissioni e presentare i risultati in modo inclusivo anche per i biocarburanti. La promozione di un minor consumo di energia e l'utilizzo di tipi di auto più efficienti può essere attuata da diversi organismi e agenzie nazionali e internazionali, società, organizzazioni senza scopo di lucro volti a migliorare la qualità ambientale.

Per determinare l'efficienza TTW dei veicoli elettrici, deve essere analizzato ogni loro componente. La tabella 3 mostra l'efficienza dei componenti dei veicoli elettrici. Viene presa in considerazione l'efficienza TTW in un intervallo che va dal 50% all'80% in base ai valori trovati in letteratura.

Qualche considerazione finale

Considerando la ripartizione dell'efficienza WTW, l'efficienza Tank to Wheel dei veicoli a carburante liquido (benzina e diesel) e a gas, è determinata in base ai valori medi di efficienza stimati come mostrato in Tabella 1. L'efficienza totale WTW dei veicoli a benzina varia tra l'11 e il 27 % e dei veicoli diesel tra il 25 % e il 37 %. L'efficienza WTW dei veicoli a gas risulta essere compresa tra il 12 % e il 22 %. 

Per quanto riguarda i veicoli progettati per utilizzare l'elettricità della rete, bisogna considerare che, sebbene la propulsione elettrica nel veicolo sia efficiente, il consumo energetico complessivo e le emissioni di gas serra dipendono in modo cruciale dalla fonte utilizzata per produrre elettricità.

Per i veicoli elettrici in cui l’energia è prodotta da fonti fossili, il carburante viene estratto e lavorato e quindi fornito alla centrale elettrica. L'efficienza di generazione di elettricità della centrale dipende dal combustibile di alimentazione e dai tipi di tecnologia. L'elettricità raggiunge il veicolo elettrico dopo essere stata trasferita dalla rete di distribuzione e dalla stazione di ricarica. L'efficienza WTW dei veicoli elettrici è descritta e spiegata nella prima figura. L'efficienza della centrale elettrica ha una conseguenza significativa sull'efficienza WTW. Il veicolo elettrico alimentato da una centrale elettrica a gas naturale mostra la massima efficienza WTW che varia dal 13 % al 31 %, mentre i veicoli elettrici alimentati da centrali elettriche a carbone e a gasolio hanno approssimativamente la stessa efficienza WTW, compresa 13 % e il 27 % e rispettivamente tra il 12 % e il 25%. 

Un miglioramento significativo nell'efficienza WTW dei veicoli elettrici viene ottenuto attraverso l'uso di elettricità generata da sistemi solari o eolici. L'efficienza complessiva dei veicoli elettrici caricati da centrali o parchi eolici varia tra il 39 % e il 67 %, mentre l'utilizzo del sistema fotovoltaico sul tetto del veicolo aumenta l’efficienza totale a causa di basse perdite di trasmissione, quindi, l'efficienza WTW di veicoli elettrici caricati dal tetto può raggiungere un intervallo dal 42 % al 72 %.

La figura sotto mostra diverse efficienze complessive per diverse tipologie di automobili. In generale, le fonti di energia rinnovabili hanno le efficienze complessive più elevate, seguite dai motori diesel, quindi dalle auto elettriche, dalle auto a benzina, e dalle auto a gas, che presentano le efficienze più basse.

Il confronto dell'efficienza Well to Wheel dei veicoli convenzionali a combustione interna (benzina, diesel e gas naturale) con i veicoli elettrici mostra che l'efficienza della centrale ha una conseguenza significativa sull'efficienza WTW. Il veicolo elettrico alimentato da una centrale elettrica a gas naturale mostra la più alta efficienza WTW che varia dal 13 % al 31%, mentre il veicolo elettrico alimentato da centrali elettriche a carbone e diesel ha approssimativamente lo stesso intervallo di efficienza, tra il 13 % e il 27 % e rispettivamente dal 12 % al 25 %. Mentre l'efficienza totale WTW del veicolo a benzina varia tra l'11 % e il 27 %, quello diesel varia dal 25 % al 37 % e quello a gas naturale dal 12 % al 22 %. 

Un significativo miglioramento dell'efficienza WTW si ha nei veicoli elettrici attraverso l'elettricità utilizzata generata da sistemi solari o eolici. L'efficienza complessiva della carica del veicolo elettrico da fotovoltaico o parco eolico varia tra il 39 % e il 67 %, mentre l'utilizzo del sistema fotovoltaico sul tetto aumenta l'efficienza totale a causa delle basse perdite di trasmissione; quindi, l'efficienza raggiunge un intervallo di 42 % al 72%.

In generale, le auto diesel sono più efficienti delle auto elettriche alimentate da combustibili fossili, ma sono necessarie ulteriori indagini per esaminare le emissioni del ciclo di vita di entrambi i sistemi. L'efficienza complessiva delle auto a benzina è simile a quella delle auto elettriche alimentate da centrali a carbone e diesel. Le auto alimentate a gas naturale sono complessivamente le meno efficienti. Infine, l'alimentazione delle auto elettriche da fonti di energia rinnovabile migliora significativamente l'efficienza complessiva del sistema, ma sono necessarie ulteriori indagini per studiare l'influenza dei sistemi di accumulo (batterie) per i sistemi di energia rinnovabile sull'efficienza complessiva. Inoltre, sono necessarie ulteriori indagini per analizzare i veicoli ibridi-elettrici e il ciclo di vita dei veicoli, compresa la loro produzione, riciclo e smaltimento.