Energia pulita
24.07.2019/XNUMX/XNUMX - Le auto elettriche funzionano meglio solo con batterie o celle a combustibile? Al momento, le case automobilistiche si stanno concentrando principalmente sulle auto completamente elettriche. Ma il veicolo a celle a combustibile non offre più vantaggi? Un'analisi.
Auto elettrica o veicolo a celle a combustibile?
Se vogliamo avere una presa sul cambiamento climatico, allora dobbiamo occuparci della mobilità rispettosa del clima e delle alternative all'energia di propulsione fossile. Attualmente, il dibattito sui propulsori alternativi è incentrato sulla questione se i veicoli elettrici possano essere utilizzati al meglio con celle a combustibile o batterie agli ioni di litio. La risposta a questa domanda è determinata da fattori come l'idoneità all'uso quotidiano, i costi e la sostenibilità.
Attualmente, la corsa tra celle a combustibile e batteria agli ioni di litio sembra essere in corso: i veicoli elettrici puri (BEV), esclusi i veicoli ibridi dominano le nuove immatricolazioni, e le stazioni di ricarica possono essere trovate molte, mentre le stazioni di rifornimento di idrogeno sono poche e lontane tra loro. I veicoli a celle a combustibile (FCEV) sono più costosi e l'idrogeno poiché il carburante costa più dell'elettricità. Quindi è tutto chiaro? Non proprio. Se dai un'occhiata più da vicino alla cella a combustibile, otterrai un'immagine differenziata. Abbiamo messo insieme i vantaggi e gli svantaggi delle varianti di guida per l'auto elettrica.
L'azionamento della cella a combustibile boe regolarmente. Tuttavia, è allarmante che ciò avvenga regolarmente da oltre 25 anni. Inoltre, poiché i progressi nella mobilità elettrica della batteria sono notevoli, questa tecnologia H 2 è sempre in ritardo.
Quanto sono ecologici i BEV rispetto a FCEV?
Per il confronto tra elettricità e idrogeno, più verde è la fonte di energia, migliore è il bilancio ambientale. Nel confronto ecologico con le auto elettriche, la cella a combustibile sta attualmente attraversando un periodo difficile: innanzitutto, l'elettricità deve essere generata dall'idrogeno. Questo è alimentato in macchina, in macchina, l'elettricità viene nuovamente generata dall'idrogeno. Questa doppia conversione riduce significativamente l'efficienza. Chiunque ricarica direttamente la batteria della propria auto elettrica con la stessa potenza viaggerà in modo più economico e quindi anche più ecologico. Tuttavia, potrebbe essere diverso in futuro. Una volta che l'elettricità è prodotta principalmente dal sole, dal vento e dall'acqua, un'auto a celle a combustibile diventa competitiva in quanto consuma meno risorse nella sua produzione rispetto a un'auto elettrica a batteria.
Un recente studio dell'Istituto Fraunhofer per i sistemi a energia solare (ISE) per conto della mobilità H2 sembra confermare questo: secondo questo, le auto con idrogeno e celle a combustibile sono più rispettose del clima rispetto ai veicoli a batteria quando vengono raggiunti i chilometri 250. Il fattore decisivo è lo zaino CO2 molto più grande, le automobili della batteria devono portare avanti la produzione della batteria, i ricercatori hanno detto. L'impronta di gas serra (GHG) della produzione e del riciclaggio di un sistema a celle a combustibile che include un serbatoio è approssimativamente equivalente a quella di un azionamento elettrico con una capacità di stoccaggio da 45 a 50 kWh. Per le auto con batterie più grandi, vengono emesse più emissioni di gas serra rispetto al sistema a celle a combustibile in una classe di prestazioni comparabile.
Lo studio ha esaminato le emissioni di GHG generate nella produzione, nel funzionamento e nello smaltimento di veicoli a batteria e celle a combustibile con gamme da 300 chilometri, per i periodi da 2020 a 2030 e da 2030 a 2040. Lo studio fa anche delle restrizioni. Tra l'altro, non è stato preso in considerazione il potenziale di miglioramento della produzione di materiali importanti (platino, alluminio, ecc.). Inoltre, lo studio raccomanda di studiare altre categorie di impatti oltre alle emissioni di gas a effetto serra, come il consumo di terra e acqua. Inoltre, l'impatto ambientale non è stato preso in considerazione per la costruzione dell'infrastruttura di mobilità (infrastruttura di ricarica, distribuzione H2, ecc.) E non è stato incluso un uso di seconda vita di batterie e celle a combustibile.
In sintesi, ciò significa: i veicoli elettrici con batterie di dimensioni medio-piccole (capacità di stoccaggio <50 kWh) e un'autonomia fino a 250 chilometri riducono le emissioni nel traffico. Per distanze maggiori, i veicoli a celle a combustibile presentano vantaggi crescenti dal punto di vista della protezione del clima. L'impronta di gas a effetto serra di entrambe le alternative dipende fortemente dalla produzione delle batterie o dell'idrogeno.
Sulla base dell'attuale situazione del mercato dell'elettricità in Germania, secondo i calcoli dell'ADAC, nel medio termine non si prevedono grandi problemi. Perché dieci milioni di auto elettriche richiederebbero un consumo aggiuntivo di circa il 5,6 percento. Inoltre, i miglioramenti nell'efficienza e nel risparmio energetico per l'illuminazione, nonché negli edifici e nelle strutture industriali potrebbero compensare parte della domanda aggiuntiva di elettromobilità.
Secondo l'ADAC, il rischio di sovraccarico della rete locale aumenta con il numero di veicoli elettrici. In particolare, le reti di distribuzione che forniscono elettricità al cliente finale sull '“ultimo miglio” non sono in grado di far fronte alla domanda aggiuntiva da parte delle famiglie con auto elettriche, come rilevato dallo ZEW Energy Market Barometer 2018. Nello studio “The E-Mobility Blackout”, gli analisti della società di consulenza Oliver Wyman, insieme ai ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco, hanno calcolato che le reti tedesche a bassa tensione non sarebbero in grado di far fronte al boom imminente delle auto elettriche. Le auto elettriche con una quota del 30% o più sovraccaricherebbero la rete di distribuzione locale e provocherebbero interruzioni di corrente locali non appena molti veicoli fossero caricati contemporaneamente. Tuttavia, la ricarica bidirezionale e la gestione intelligente del carico potrebbero aiutare. Qui, tuttavia, è importante chiarire le conseguenze legali della ricarica bidirezionale e come le operazioni di carico e scarico frequenti influiscano sull'invecchiamento delle batterie.
Per ottenere idrogeno, è necessario spendere grandi quantità di energia. Oggi l'idrogeno viene prodotto principalmente mediante reforming a vapore. Qui, il combustibile carbonaceo reagisce con il vapore acqueo, che non è un grande guadagno dal punto di vista climatico, perché l'anidride carbonica viene nuovamente prodotta. Pertanto, le speranze di molti esperti si basano sull'elettrolisi. L'elettricità in eccesso prodotta dall'energia eolica e solare può essere trasformata in idrogeno mediante elettrolisi, che può essere immagazzinata o utilizzata in vari modi. Nel caso delle energie rinnovabili tramite elettrolisi, l'intero percorso produttivo è quasi completamente privo di emissioni, in contrasto con il convenzionale reforming del gas naturale. L'idrogeno, che viene prodotto mediante elettrolisi dall'elettricità verde e dall'acqua, funge da materiale di origine per tutte le tecnologie Power-to-X. Con Power-to-X, ad esempio, l'idrogeno può essere prodotto per veicoli a celle a combustibile. L'idrogeno può quindi essere utilizzato in molti modi. Ma anche integrando le batterie del veicolo nella rete elettrica, è possibile utilizzare meglio l'elettricità in eccesso.
Tuttavia, il processo di elettrolisi e la successiva liquefazione dell'idrogeno sono ad alta intensità energetica, poiché quasi la metà dell'energia utilizzata viene persa. In effetti, il veicolo a celle a combustibile alimentato a idrogeno raggiunge solo un'efficienza energetica di circa il 26 percento e i veicoli elettrici a batteria raggiungono il 69 percento circa. Ciò significa che, al fine di soddisfare il fabbisogno energetico dell'FCEV, la produzione di elettricità verde dovrebbe essere ampliata molte volte più che per BEV, il che a sua volta ha conseguenze sull'uso del suolo, sull'uso dei materiali e sull'impatto ambientale complessivo.
Il gruppo propulsore elettrificato cambia radicalmente la mobilità quanto la sede di produzione Germania. Invece di fresare e levigare, l'industria automobilistica tedesca deve padroneggiare la tecnologia di stoccaggio elettrico e l'elettronica di potenza. Le conseguenze sono serie. La produzione di una catena cinematica per l'elettromobilità elettrica a batteria richiede non solo un numero significativamente inferiore di componenti, ma anche un numero inferiore di dipendenti.
Ci sono abbastanza risorse?
Secondo l'Öko-Institut, la presenza di litio, cobalto, nichel, grafite (batterie) e platino (celle a combustibile) supera chiaramente la domanda. Tuttavia, potrebbero esserci dei colli di bottiglia se i siti di estrazione non vengono sviluppati in tempo utile. Inoltre, i problemi ambientali e sociali devono essere risolti. Il cobalto in particolare è considerato una materia prima “sporca”. Oltre la metà del cobalto mondiale proviene dal Congo. I bambini sono spesso usati come manodopera a basso costo nelle miniere, riferisce Amnesty International. Inoltre l'estrazione del cobalto inquina l'ambiente.
L'estrazione del litio ha anche conseguenze, soprattutto per le popolazioni in Bolivia, Cile e Argentina, come ha studiato "Bread for the World". Sono necessari circa due milioni di litri d'acqua per produrre una tonnellata di litio. Di conseguenza, la falda freatica nel cosiddetto triangolo del litio affonda, la vegetazione si secca, il terreno diventa troppo salato e le specie di uccelli endemiche come i fenicotteri muoiono. Inoltre, l'habitat delle comunità indigene viene distrutto. La maggior parte del platino, invece, è immagazzinata nella cosiddetta "cintura di platino" del Sud Africa, la sua estrazione contribuisce anche all'inquinamento ambientale ed è collegata a violazioni dei diritti umani.
Che dire dell'infrastruttura di ricarica e rifornimento di carburante?
A causa della maggiore densità di energia con cui l'idrogeno nel serbatoio può essere immagazzinato contro l'energia elettrica nella batteria, offrono il vantaggio di gamme più elevate. Le auto a celle a combustibile possono essere rifornite di carburante in soli tre minuti per intervalli da 500 a 800 chilometri. Tuttavia, il prerequisito per un rifornimento rapido è che puoi trovare una stazione H2. Secondo Now GmbH, 71 ha attualmente stazioni di rifornimento H2 in Germania. Per confronto: secondo i dati di Statista, il numero di stazioni di ricarica in Germania è attualmente intorno a 15.880.
Il tempo necessario per caricare un veicolo elettrico dipende principalmente dalla capacità della batteria e dall'infrastruttura di ricarica, ad esempio la colonna, la stazione o l'alimentazione. Ad esempio, una batteria media alla presa di corrente domestica impiega più di dieci ore per ricaricarsi. Ma è anche più veloce: nell'ambito del progetto Fastcharge, è stato inaugurato il prototipo di una stazione di ricarica con una capacità fino a 450 chilowatt. I veicoli di ricerca elettrica hanno dimostrato tempi di caricamento inferiori a tre minuti per il primo chilometro 100 e minuti 15 per una ricarica completa (10 - 80 percent State of Charge (SOC)) in questa stazione di ricarica ultraveloce. Con una maggiore potenza di ricarica, tuttavia, la gestione termica delle batterie sta diventando sempre più al centro dello sviluppo. Qui è cruciale come raffreddare la crescente perdita di calore per garantire una lunga durata della batteria e impedire il passaggio di singole celle.
In sintesi, ciò significa che le stazioni di ricarica possono essere molto più semplici ed economiche, secondo l'autore Springer Jürgen Rechberger, spiega nel capitolo Fondamenti della tecnologia delle celle a combustibile del libro Fondamenti dei motori a combustione. Gran parte di queste sono comunque normali stazioni di ricarica. Le stazioni di ricarica rapida avrebbero capacità di connessione estremamente elevate, il che rappresentava un enorme onere per le reti elettriche esistenti, ha affermato l'autore. L'idrogeno, d'altra parte, può essere facilmente trasportato in grandi volumi nelle condutture, anche nella rete di gas naturale esistente. A causa del breve tempo di rifornimento, c'è anche un alto livello di accettazione da parte del cliente e una pompa può fornire fino a veicoli 250 al giorno. In confronto, in una stazione di ricarica convenzionale possono essere caricati solo da quattro a sei veicoli e su una stazione di ricarica rapida da veicoli 60 a 80. La stazione di rifornimento di idrogeno aveva bisogno di circa 50 chilogrammi di idrogeno all'ora e la stazione di ricarica rapida aveva bisogno di una potenza permanente di chilowatt 300. Secondo Rechberger, soprattutto nelle aree urbane, sarà probabilmente molto più economico costruire un'infrastruttura a idrogeno rispetto a reti elettriche completamente nuove per il numero richiesto di stazioni di ricarica rapida.
Dove andare con le batterie di trazione e le celle a combustibile?
Le batterie delle auto elettriche sono rifiuti pericolosi. Secondo la legge sulle batterie, i produttori o i rivenditori di batterie devono recuperarli e riciclarli. Tecnologicamente parlando, i processi di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sono già disponibili oggi. Pertanto, secondo ADAC, è possibile recuperare da batterie di trazione fino al 95 percento dei materiali funzionali pertinenti cobalto, nichel, litio e rame. Tuttavia, poiché i processi di riciclaggio sono in una fase iniziale di sviluppo, così come le condizioni del quadro giuridico e i concetti logistici, il riciclaggio delle batterie è ancora una grande sfida, come gli autori di Springer nel capitolo Riciclaggio delle batterie dai veicoli elettrici dal libro Comportamento di Batterie agli ioni di litio da stress nei veicoli elettrici.
Le batterie di trazione che non sono più abbastanza potenti per il loro utilizzo nei veicoli possono anche essere utilizzate come accumulatori fissi di elettricità per molti anni nella "seconda vita". Tuttavia, vi è disaccordo sul fatto che le vecchie batterie debbano essere riciclate direttamente o riutilizzate come batterie di seconda vita.
Da una cella a combustibile, il platino può essere quasi completamente recuperato alla fine della sua vita, si possono raggiungere tassi di riciclaggio superiori al 98 percento. Un'altra sfida è la caratteristica delle celle a combustibile e una bassa idoneità a cambiamenti di carico altamente dinamici, come quelli nella guida di un veicolo a motore. Pertanto, le batterie agli ioni di litio sono ancora oggi utilizzate come serbatoi tampone nei veicoli a celle a combustibile, che devono essere presi in considerazione nel riciclaggio e nell'equilibrio ecologico complessivo del veicolo a celle a combustibile.
Cosa significano BEV e FCEV per l'industria automobilistica tedesca?
Mentre la ricerca e la produzione di celle agli ioni di litio sono saldamente nelle mani asiatiche e la produzione di pacchi batteria richiede elevati investimenti, la trasmissione a celle a combustibile dell'industria automobilistica tedesca può riportare una parte sostanziale del valore aggiunto che viene fornito con la batteria. L'elettromobilità è persa. La produzione di massa di una pila di celle a combustibile non è più un grosso problema, abbassare il costo del serbatoio di idrogeno è la sfida maggiore, spiega Andreas Burkert.
Conclusione
I BEV sono il modo più efficiente per convertire l'elettricità rinnovabile in prestazioni di guida. Ecco perché questo concetto è ideale per veicoli più piccoli e leggeri. Tuttavia, lo svantaggio sono i tempi di caricamento più lunghi. Questi potrebbero ridursi in futuro. I tempi di ricarica sono limitati meno dalla tecnologia della batteria, ma piuttosto dalla potenza e dalla fornitura di energia dell'infrastruttura di ricarica. Le FCEV rappresentano sempre un vantaggio laddove l'uso diretto dell'elettricità è difficile o impossibile e dove devono essere coperte lunghe distanze. Il tempo di rifornimento è rapido, l'idrogeno può essere reso più facilmente disponibile soprattutto nell'ambiente urbano e già alcune stazioni di rifornimento forniscono una flotta di veicoli molto grande. Un altro grande vantaggio dell'idrogeno è che è una fonte universale di energia e stoccaggio. L'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno è il legame tra elettricità rinnovabile, altre fonti energetiche e materiali di base. L'uso e la dipendenza delle risorse sono relativamente bassi nell'azionamento delle celle a combustibile. Al contrario, il degrado del litio per la batteria del BEV, ma anche per la piccola batteria tampone del FCEV, è enormemente dannoso per l'ambiente. La cella a combustibile offre l'opportunità di mantenere la gamma verticale di produzione di case automobilistiche tedesche. Nel caso di BEV, questo è inferiore perché le celle della batteria provengono finora dall'Asia.
Cosa significa questo per il confronto tra BEV e FCEV? I veicoli a batteria e a celle a combustibile si completano a vicenda. Entrambe le varianti di unità hanno la loro autorizzazione. Tuttavia, il grande vantaggio dell'idrogeno è che difficilmente può essere battuto come una struttura di stoccaggio trasportabile e stazionaria per grandi quantità di energia nel contesto della transizione energetica. In generale, tuttavia, il cambiamento nel traffico non deve limitarsi a sostituire l'energia di propulsione fossile con energia rinnovabile. Anche il numero di veicoli deve essere ridotto.
Fonte: Autore: Christiane Köllner Springer proffesional
