Auto nuova o auto usata? - Fondazione Bruno Kessler
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La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) Auto nuova o auto usata? Benedetti Chiara, Chiarani Sara, Daldoss Giada, Donati Noemi, Ferrari Irene, Girardi Alex, Lucchi Leonardo, Marcabruni Elia, Merli Sofie, Nodari Alice Quaglia Daniel, Rosa Virginia e Sartori Gianna Abstract This paper is about a research on the main differences between electric and traditional cars. To perform the task we were helped by professor Andrea Dorigato from the Department of Industrial Engineering of the University of Trento. The investigation was conducted in order to answer the questions posed by the citizen Mara Postral, who asked how polluting it is to build a new electric car and whether she would pollute more by keeping her 10-year-old car (she drives about 15000 km/year) or by buying a new one. Since we were not able to answer the questions in an exhaustive way, we set the work considering the main impact categories in order to find out the level of the overall pollution. In particular this research is focused on the materials that are used in the production of cars and on the carbon footprint, an indicator of carbon dioxide emissions. These two aspects are part of the LCA inventory analysis phase. 1 Introduzione • L’analisi del ciclo di vita (LCA, life-cycle as- sessment) è un metodo strutturato e stan- Per questa ricerca si è innanzitutto cercato di dardizzato a livello internazionale che per- capire cosa significhi effettuare un’analisi del ciclo mette di quantificare i potenziali impatti di vita dell’auto (LCA). Facendo ciò ci si rende sull’ambiente e sulla salute umana associa- conto della complessità e della vastità di questa ti a un bene o a un servizio, a partire dal ricerca e nel nostro caso abbiamo quindi deciso di rispettivo consumo di risorse e dalle emis- focalizzare l’attenzione su due aspetti che ci sono sioni. sembrati significativi per poter rispondere alla do- manda della cittadina e che, considerando l’LCA, • Nell’analisi dei materiali che compongono fanno parte della fase di analisi dell’inventario. un’automobile è stata posta attenzione al- Per prima cosa il presente lavoro si occupa dei la loro provenienza, all’utilizzo di materie materiali impiegati nella produzione di un’auto, prime a rischio, e in particolare alla batte- approfondendo le loro caratteristiche meccaniche ria, in quanto è la componente caratteristi- e le problematiche relative al loro reperimento. ca “nuova” delle auto elettriche. É stata In seguito si dedica all’analisi della carbon foot- inoltre evidenziata l’esigenza di alleggerire print e dopo aver scelto due modelli di automo- i nuovi veicoli elettrici per aumentarne le bile presenta i calcoli necessari al confronto tra le prestazioni, menzionando alcune innovazio- loro emissioni di CO2. ni sia a livello di materiali sia di riciclo delle batterie. 1
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) • La carbon footprint misura le emissioni di 2.2 Definizione di ambito e obiet- CO2 dell’intera vita dell’automobile, stret- tivo tamente collegate alla provenienza dell’ener- gia necessaria nelle fasi di produzione, uti- La definizione degli ambiti e degli obiettivi che lizzo e smaltimento. Nel calcolo abbiamo saranno presi in considerazione è una fase fonda- confrontato due automobili, una tradiziona- mentale per decidere il livello di approfondimento le a benzina e una elettrica. del lavoro, in cui si esplicitano: Infine alla luce delle analisi fatte e delle in- • i confini del sistema, che comprendono aspet- formazioni trovate con le nostre ricerche abbiamo ti temporali e spaziali (il contesto) oltre che tentato di capire dal punto di vista dell’impatto pratici e tecnici. Vanno quindi esplicita- ambientale quale tipologia di macchina inquina ti i dati necessari all’indagine (di cui biso- meno. gna indicare disponibilità, qualità e tipolo- gia) e i mezzi e le procedure utilizzabili per raggiungere l’obiettivo; 2 Life Cycle Assessment • parametri che saranno presi in considerazio- 2.1 Introduzione ne Il Life Cycle Assessment (LCA) è una proce- • interessi specifici e scopo dell’analisi dura standardizzata che permette di mettere in • gruppi di persone a cui è indirizzata l’inda- relazione un prodotto con le sue conseguenze eco- gine logiche attraverso l’analisi di tutti i danni ambien- tali che si hanno nelle fasi di estrazione della ma- • domande per cui l’LCA può essere preso in teria prima, produzione, consumo e smaltimento considerazione del prodotto. Per realizzare un LCA secondo le normative • eventuali collegamenti con altre analisi ap- ISO della serie 14040 bisogna seguire quattro fasi partenenti a diversi ambiti (vedi figura 1): Per quanto riguarda i confini del sistema biso- 1. definizione di ambito e obiettivo gna tenere conto di tre aspetti fondamentali: 2. analisi dell’inventario 1. definizione dei limiti del sistema: si limitano i dati ad un campo d’indagine specifico, tra- 3. stima dell’impatto lasciando quelli che influenzano in maniera 4. interpretazione trascurabile il lavoro e il cui contributo è inferiore ad una soglia minima stabilita a priori. 2. definizione delle procedure di allocazione e ripartizione dei prodotti accoppiati (sostan- ze secondarie prodotte che possono essere utilizzate in altre fasi della produzione; i rifiuti non rientrano in questa categoria). 3. definizione delle funzioni o benefici dei siste- mi esaminati e delle loro unità funzionali: si dichiara la quantità di materia per cui ver- ranno studiati gli effetti ambientali in mo- Figura 1: Schema LCA do da permettere il confronto dell’oggetto dell’indagine con altri simili. 2
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) 2.3 Analisi dell’inventario ambientali, i flussi di materiale e di energia calco- lati nell’analisi dell’inventario. Questa stima ser- Nell’analisi dell’inventario, i flussi di materiali ve quindi ad analizzare e quantificare i possibili ed energia devono essere descritti quantitativa- effetti ambientali e permette di valutarli. Le prin- mente e registrati in dettaglio, considerando l’in- cipali categorie di impatto da considerare con le tera vita del prodotto da esaminare. Il risultato rispettive unità di misura sono: dell’inventario è la stesura di una tabella d’in- ventario che mostra tutti gli usi delle risorse, le • Riscaldamento globale (GWP - kgCO2- emissioni associate all’unità funzionale, comprese, eq) ad esempio, tutte le sostanze e i composti chimici utilizzati. • Riduzione dell’ozono presente nella stra- Per descrivere tali flussi, vengono utilizzati i tosfera (ODP - kgCFC-11-eq) due principi fondamentali della fisica: • Formazione fotochimica dell’ozono nel- • principio di conservazione della massa la troposfera (POCP - kg ethene-eq): Rea- zione di composti specifici, come ossidi di • principio di conservazione dell’energia azoto e composti organici volatili, con l’os- sigeno e con le specie chimiche già presen- In un primo momento vengono determinati i ti nell’aria. Queste reazioni danno origi- confini del sistema, affinché si abbia un suppor- ne all’ozono e ad altri prodotti dello smog to per unire tutti i dati. Successivamente, per fotochimico. tutti i processi inclusi nel confine del sistema è necessario raccogliere i dati relativi a: • Eutrofizzazione (NP- kgPO43– -eq): Feno- meno di arricchimento delle sostanze nutri- • flussi elementari in ingresso e in uscita (ri- tive in laghi, stagni e, in genere, corpi idri- sorse ed emissioni) ci a debole ricambio; è dovuto all’erosione dei fertilizzanti usati nella coltivazione delle • flussi di prodotto in ingresso e in uscita (be- terre circostanti o all’inquinamento organi- ni e servizi) co prodotto dalle attività umane o a prodot- ti di rifiuto industriali. Provoca le cosiddet- • flussi di rifiuti (acque reflue, rifiuti solidi e te fioriture del fitoplancton che, abbassan- liquidi) do il tasso di ossigeno, rendono l’ambiente inadatto per altre specie (per es., pesci). Si ottiene quindi un diagramma di flusso che è un modello, seppur approssimato, della realtà • Acidificazione (AP kgSO2-eq): L’acidifi- e che rappresenta, nel modo più fedele possibi- cazione degli oceani è il nome dato alla de- le, gli scambi tra i singoli processi all’interno del crescita del valore del pH oceanico, causa- confine del sistema. Si calcolano quindi i risultati to dalla assunzione di anidride carbonica di dell’analisi di inventario, ovvero la combinazio- origine antropica dall’atmosfera. Circa un ne di tutti gli input e gli output. Infine, tutti quarto della CO2 presente nell’atmosfera va i flussi di materiale ed energia che sorpassano i a finire negli oceani dove si trasforma in confini in precedenza stabiliti, vengono annotati acido carbonico (3 CO2). quantitativamente (come unità di misura si usano quelle impiegate nel Sistema Internazionale (SI)), • Tossicità per l’uomo (HTP - 1,4-DCB- riferendosi sempre all’unità funzionale. eq) • Eco-tossicità (ETP -1,4-DCB-eq): L’eco- 2.4 Stima dell’impatto ambientale tossicologia valuta gli effetti tossici degli agen- ti chimici e fisici sugli organismi viventi, riu- Lo scopo della stima dell’impatto ambientale niti in comunità all’interno di definiti ecosi- è valutare, tenendo conto di specifici parametri stemi; essa comprende anche lo studio delle 3
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) modalità di diffusione di questi agenti e le nalisi, è possibile trarre delle conclusioni e fornire loro interazioni con l’ambiente. delle raccomandazioni. • Utilizzo del territorio (m2 ) Le categorie di impatto descrivono i potenziali 2.6 Il nostro piccolo LCA effetti sull’uomo e sull’ambiente e si differenziano Non avendo a disposizione i mezzi per effet- in base alla collocazione spaziale, ovvero se gli ef- tuare tutte le procedure previste per la realizza- fetti sono globali, regionali o locali. Attenendosi zione di un LCA completo descritte sopra, ci sia- alla norma ISO 14044 (2006), la valutazione del- mo focalizzati sull’analisi dell’inventario. In par- l’impatto ambientale è formata da due fasi obbli- ticolare abbiamo condotto delle ricerche sui ma- gatorie, la classificazione e la caratterizzazione, e teriali con cui vengono costruite le automobili e tre fasi opzionali, la normalizzazione, il raggrup- sulla carbon footprint. pamento e la pesatura. Nella fase di classifica- zione ogni flusso di materiale ottenuto nell’ana- lisi dell’inventario viene assegnato ad una o più 3 Materiali categorie di impatto, in base agli effetti che ha sull’ambiente. Durante la fase di caratterizzazio- 3.1 Introduzione ne si calcola il potenziale d’impatto, che rappre- senta la valutazione quantitativa di un possibile In questo capitolo vengono analizzate le carat- impatto ambientale. Questo procedimento viene teristiche dei materiali utilizzati nei veicoli elet- svolto per ogni categoria di impatto e i diversi trici e nei veicoli tradizionali a benzina o diesel. risultati non sempre possono essere direttamente Studiando le differenze fra questi modelli si osser- confrontabili fra loro. La fase di normalizzazio- veranno alcune problematiche, ad esempio il peso ne consiste nell’esprimere i valori ottenuti nella maggiore dell’auto elettrica per la presenza della fase precedente in percentuale rispetto ad un al- batteria e le soluzioni che le case automobilistiche tro valore di riferimento. In questo modo i dati hanno adottato per alleggerire i veicoli, aumenta- possono essere confrontati fra loro più facilmente. re le prestazioni e ridurre le emissioni (vedi alcuni Durante la fase di raggruppamento i vari risultati esempi in tabella 1). Nel seguente capitolo ven- vengono ordinati tenendo conto del loro impatto, gono brevemente illustrate anche le tipologie di del livello di priorità o di un altro fattore scel- batterie che si possono trovare nei veicoli, le cri- to personalmente. La fase di pesatura prevede ticità di alcuni materiali e dei nuovi componenti che gli impatti potenziali relativi a ogni categoria delle moderne vetture. di impatto vengano moltiplicati per un fattore di Diventa pertanto un passaggio chiave per mi- pesatura, al fine di attribuire un peso a ciascuna gliorare le prestazioni e per ridurre le emissioni categoria. Le modalità di calcolo sono molte e so- di energia incorporata l’alleggerimento dei veicoli no collegate a scelte personali che possono quindi elettrici. Per alleggerire i veicoli elettrici è neces- portare a risultati molto diversi. sario iniziare ad utilizzare materiali più leggeri e sostituire i componenti della batteria con metal- li meno pesanti. Nel seguente capitolo vengono 2.5 Interpretazione brevemente illustrati i materiali principali che si L’obiettivo della fase di interpretazione è l’a- trovano in un’auto, le tipologie di batteria che si nalisi dei risultati ottenuti, ovvero la spiegazione possono trovare, quali sono le criticità di alcuni del significato che essi assumono e delle restrizioni materiali, in particolare di quelle che costituisco- che pongono. I risultati dell’analisi dell’inventa- no la batteria e di altri componenti del veicolo rio e sulla stima dell’impatto ambientale, devono introdotti nei nuovi mezzi, soprattutto elettrici. essere definiti e verificati in base alla loro comple- tezza, sensibilità e consistenza. Solo richiamando in questo passaggio le assunzioni fatte nella fase di definizione dell’obiettivo e dell’ambito dell’a- 4
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) Tabella 1: Confronto tra modelli to fragile. Offre un comportamento mol- to più rigido e lavora meglio ad alta tem- Massa (kg) Potenza massima peratura; per questo viene utilizzata nel- MODELLO la realizzazione di componenti di motore e Opel 1455 100 kW (136 CV) trasmissione e nei freni. Corsa-e • Leghe di alluminio Opel Corsa 1158 96 kW (131 CV) L’alluminio può sostituire, in dipendenza dal GS Line tipo di lega, sia l’acciaio in telaio e carroz- zeria che la ghisa nei motori. Viene spesso Renault 1037 60 kW (81CV) adottato quando si cercano maggiori presta- Nuova zioni in quanto è più leggero e più costoso Twingo dell’acciaio. È anche meno resistente però, Electric per questo motivo il suo impiego deve essere Renault 865 48 kW (65CV) ben valutato in quanto un pezzo in allumi- Nuova nio rispetto a uno in acciaio dev’essere più Twingo grande. FIAT 500 1290 70 kW (95CV) Electric • Leghe di magnesio FIAT 500 900 51 kW (69CV) Le leghe di magnesio hanno il migliore rap- porto resistenza-peso tra tutti i metalli di più comune uso strutturale, un’ecceziona- le stabilità dimensionale e alta resistenza a 3.2 Materiali utilizzati in un’auto impatto e ad ammaccature; per la loro bas- I materiali principalmente utilizzati nella co- sa inerzia rappresentano inoltre un’ottima struzione di un’automobile negli ultimi anni sono scelta per quelle parti meccaniche che su- i seguenti: biscono frequenti e improvvisi cambi di di- rezione ad alta velocità. Recentemente il • Leghe di ferro: acciai e acciai legati progresso fatto nello studio delle leghe di L’acciaio è una lega composta da ferro e car- alluminio, insieme alla maggiore diffusione bonio in cui la percentuale di carbonio non dei compositi, le hanno però rese poco con- è superiore al 2,06%. Sono presenti anche veniente in termini di costi di produzione elementi leganti come manganese, silicio, ni- relegandole ad un utilizzo di nicchia in fa- chel, cromo, titanio, rame e alluminio. È un vore di altri materiali. Il magnesio fa parte materiale resiliente, economico, modulabile dei Critical Raw Materials. nelle caratteristiche meccaniche e facile da • Materie plastiche e loro leghe, anche lavorare. Con questo materiale si possono rinforzate realizzare dalle lamiere per la carrozzerie, ai cerchi, ai componenti strutturali di telaio I materiali plastici presenti in maggiori quan- e sospensioni. Ad esempio Fiat dichiara l’u- tità nelle automobili sono poliuretano, che so di acciai altoresistenziali, cioè acciai con rappresenta circa il 19% in peso di tutta la minor percentuale di carbonio ma composti plastica; polipropilene (15% in peso), polie- da silicio, fosforo, zolfo, alluminio, titanio tilene, poliestere, PVC (polivinilcloruro), e e niobio, gli ultimi due presenti anche nella ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene). Com- lista dei Critical Raw Material. ponenti in plastica sono il paraurti, ma an- La ghisa è una lega di ferro e carbonio (su- che le luci hanno delle coperture in plastica, periore al 2,06%) come l’acciaio, si differen- il cruscotto, le cinture di sicurezza, l’airbag, zia da quest’ultimo per il suo comportamen- la tappezzeria ed altri elementi. 5
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) • Resine termoindurenti con fibra di le dell’acceleratore, cosı̀ facendo il motore va in vetro o carbonio qualche modo ad “invertire” il suo funzionamen- La vetroresina è una plastica rinforzata con to e l’auto inizia a frenare, recuperando energia vetro, usata in particolare nella carrozze- dal naturale moto delle ruote (energia che altri- ria. Grazie alla sua leggerezza e alla sempli- menti andrebbe sprecata, come di fatto succede cità di lavorazione oggi ci sono auto con la con le macchine tradizionali). In questo modo, carrozzeria quasi interamente realizzata in visto che la frenata è generata dal motore stes- vetroresina. so, si va ad usare molto meno il pedale del freno vero e proprio risparmiando sulle pastiglie, che La fibra di carbonio è un materiale molto quindi sono state innovate per un nuovo uso che sottile utilizzato in genere nella realizzazio- la macchina ne fa. Queste pastiglie sono anche ne di una grande varietà di ”materiali com- più ecosostenibili, per seguire il percorso intrapre- positi”, ovvero costituiti da due o più mate- so dall’immissione di auto elettriche sul mercato, riali, che in questo caso sono le fibre di car- ovvero quello di annullare l’inquinamento dovuto bonio e una cosiddetta matrice, in genere di alle automobili. Infatti queste innovative pastiglie resina la cui funzione è quella di tenere in dei freni rilasciano molto meno particolato nocivo ”posa” le fibre resistenti, di proteggere le fi- nell’ambiente. bre ed inoltre di mantenere la forma del ma- Un esempio di questa nuova tecnologia sono nufatto composito. Tra i vantaggi di questo le pastiglie freni Hella Pagid, nate dalla collabo- materiale ci sono l’elevata resistenza mecca- razione tra TMD Fiction e Hella, prive di rame e nica, la bassa densità, l’elevato isolamento forti nelle alte prestazioni. Anche ZF Aftermarket termico, la resistenza a variazioni di tempe- ha presentato la linea di pastiglie dei freni Elec- ratura mentre lo svantaggio principale è il tric Blue, che consente sia di ridurre il rumore, fatto che il materiale presenta una spiccata sia di eliminare l’emissione di particolato genera- anisotropia, ovvero valore di una grandez- to dalla polvere dei freni. Quest’ultimo aspetto za fisica come ad esempio la resistenza alla è pericoloso per l’ambiente e per i bambini più rottura, non è uguale in tutte le direzioni piccoli. Secondo TRW, importante società statu- della sostanza. Inoltre il processo di lavo- nitense di ingegneria nell’aerospazio e automoti- razione, molto elaborato, determina un co- ve, a dicembre 2018, il 97% delle auto elettriche sto elevato per il carbonio, che attualmente montava queste pastiglie freni nel proprio sistema, viene utilizzato solo su veicoli di alta gam- quindi è evidente anche il continuo miglioramento ma. Le applicazioni più frequenti riguarda- delle auto elettriche, affinchè quest’ultime siano no prevalentemente la carrozzeria, i compo- completamente eco-friendly. Inoltre questa linea nenti aerodinamici, gli inserti decorativi per di pastiglie (Electric Blue) hanno ricevuto anche gli interni e i freni. l’importante riconoscimento “Premio Innovazio- ne” alla fiera internazionale Equip Auto a riprova 3.3 Altri componenti nell’auto di quanto le autovetture elettriche possano dav- elettrica vero contribuire a combattere l’inquinamento e a riprova che il settore è in continuo miglioramento Un altro importante aspetto da tenere presen- per perseguire quest’obiettivo. te riguardo all’inquinamento prodotto da un’auto è sicuramente il particolato, dannoso per l’am- biente, emesso dalle pastiglie dei freni. Le auto 3.4 Batterie nelle auto elettriche moderne adottano un sistema di fre- La batteria è un oggetto in grado di accumu- nata piuttosto innovativo nel sistema automobi- lare energia chimica e di rilasciare quest’energia listico; la frenata rigenerativa. Semplificando la sotto forma di elettricità. Sulle auto elettriche o descrizione di questo processo, la frenata rigene- ibride questa energia elettrica viene trasferita al rativa si attiva quando viene rilasciato il peda- motore elettrico responsabile del movimento del- 6
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) l’auto. Alla base del funzionamento della batteria 8 anni anche se non utilizzate. Infine, oltre c’è un processo chimico che genera un flusso di ad essere altamente infiammabili, lavorano elettroni da una sostanza che li cede, tramite os- correttamente soltanto in un range ristret- sidazione, a una che li riceve, tramite riduzione. to di temperature che va da -10° a +30° C. Questo flusso di elettroni, grazie a una struttu- Al di fuori di questa forbice si degradano ra ordinata e a strati all’interno della batteria, velocemente. si muove all’interno di una terza sostanza, chia- mata elettrolita, che può essere liquida o solida, • Batterie allo stato solido generando corrente continua. Le batterie allo stato solido sfruttano una sostanza solida anziché liquida come elettro- • Batterie al piombo lita. Questa soluzione aumenta la densità Con questo nome ci si riferisce a quelle bat- energetica della batteria, incrementandone terie definite “accumulatori al piombo aci- di conseguenza la capacità di generare ener- do”. Rappresentano il primo tipo di bat- gia rispetto alle dimensioni. Quindi l’auto terie ricaricabili e sono state realizzate per può percorrere lo stesso numero di chilome- la prima volta nella seconda metà dell’800. tri con batterie più piccole o con batterie L’anodo e il catodo sono immersi in una so- meno cariche. Questo tipo di batterie è luzione contenente acido solforico. Oggi so- molto meno infiammabile. lo mezzi non autorizzati alla circolazione su • Batterie a ricarica liquida strada usano ancora batterie al piombo. Questa batteria si chiama Nessox ed è una • Batterie al nichel-metallo idruro batteria che si ricarica “facendo il pieno” Nelle batterie al nichel-metallo idruro (che proprio come su un’auto a benzina o a ga- viene abbreviato in NiMH) l’anodo è com- solio. La differenza è che il liquido utilizzato posto da una lega metallica, mentre il cato- è quello utilizzato per avviare la produzione do è in nichel. Oggi sono state quasi com- di energia elettrica. pletamente sostituite dalle batterie agli ioni Il tipo di batteria più comune nelle moderne di litio, perché più efficienti. Purtroppo con auto elettriche è la batteria agli ioni di litio e ricariche parziali si riduce progressivamente ai polimeri di litio, per via della loro elevata la capacità di ricarica e quindi anche l’auto- densità energetica rispetto al loro peso. nomia della vettura. Rispetto ad altre bat- terie, però, quelle NiMH possono contare su un ciclo di vita abbastanza lungo anche di 3.5 Materiali nelle batterie al litio 8 o 10 anni. Attualmente le batterie agli ioni di litio sono le più diffuse ed il motivo principale è che offro- • Batterie agli ioni di litio no prestazioni costanti nell’erogazione dell’ener- Le batterie agli ioni di litio hanno un anodo gia e che non hanno l’“effetto memoria” (cioè la in litio e un catodo in carbonio. Le batterie perdita di capacità nel tempo e di ricarica). La agli ioni di litio (spesso abbreviate in Li-ion) loro produzione dipende principalmente da mate- godono di una densità energetica molto ele- rie prime, come litio, grafite, manganese, cobal- vata. Il che significa che batterie relativa- to, nichel, rame, ferro e alluminio. Per il moto- mente compatte e leggere generano maggio- re vengono invece utilizzati neodimio, disprosio e ri quantità di energia elettrica rispetto ai ti- praseodimio. pi di batterie elencati in precedenza. Tra gli Con il ritmo attuale la produzione annua di li- altri vantaggi c’è il fatto che possono essere tio, per soddisfare il fabbisogno di batterie, supe- ricaricate spesso e parzialmente senza per- ra circa i 3 milioni di tonnellate, cosa che in tempi dere il loro potenziale. Tra i contro, però, si recenti ha causato impennate dei prezzi. Utiliz- deve elencare la poca vita utile, al massimo zare il litio come materia prima, quindi estrar- 7
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) lo, oggi è più semplice e conveniente che riciclar- anidride carbonica (CO2), metano (CH4), pro- lo. Questo però potrebbe cambiare grazie allo tossido d’azoto (N2O), idrofluorocarburi (HFCs), sviluppo delle nuove tecnologie. esafluoruro di zolfo (SF6) e perfluorocarburi (PFCs). Le riserve di litio sono concentrate in pochi La tCO2e (tonnellate di CO2 equivalente) per- Paesi. I maggiori giacimenti sono situati sotto i mette di esprimere l’effetto serra prodotto da que- laghi salati di Bolivia, Cile e Argentina. Il Suda- sti gas in riferimento a quello prodotto dalla CO2, merica assicura oltre l’80% della produzione an- considerato pari a 1 (ad esempio il metano ha un nua mondiale di litio; negli ultimi anni sono stati potenziale serra 25 volte superiore rispetto alla scoperti nuovi giacimenti in Africa e Asia. CO2, e per questo una tonnellata di metano viene La produzione applicata alle batterie e in par- contabilizzata come 25 tonnellate di CO2 equi- ticolar modo di quelle per auto, è situata in Asia, valente). La misurazione della carbon footprint dove sono concentrate la maggior parte delle prin- di un prodotto o di un processo richiede in par- cipali industrie specializzate, in modo particolare ticolare l’individuazione e la quantificazione dei tra Giappone e Corea del Sud. consumi di materie prime e di energia nelle fa- Accanto al litio, l’altro componente fondamen- si selezionate del ciclo di vita dello stesso. Nel tale è il cobalto (Critical Raw Material), un ele- nostro caso è quindi necessario tenere conto del- mento indispensabile per determinare la capacità le emissioni di gas serra prodotte durante tutto di accumulo di una batteria (basti pensare che in il ciclo di vita dell’automobile per quantificare i quelle dei nostri smartphone se ne trovano fino carichi ambientali complessivi. a 20 g, mentre in quelle per le auto elettriche si Le fasi che prenderemo in considerazione per i può arrivare a sfiorare i 15 kg). Il cobalto è un calcoli sono la produzione e l’utilizzo. Un discorso elemento più raro del litio e le riserve sono per a parte va dedicato allo smaltimento dell’automo- lo più concentrate nei fondali degli oceani, infatti bile, nello specifico allo smaltimento e/o al riciclo viene estratto in piccole quantità. della batteria dell’auto elettrica. Disprosio, neodimio e praseodimio sono a for- te rischio di reperibilità. Per quanto concerne 4.2 Da dove proviene l’energia che l’industrializzazione, questa è invece nelle mani della Cina, che possiede il maggior numero di alimenta un’auto elettrica? impianti per il raffinamento e la trasformazione. La provenienza dell’energia che alimenta una Alcune case automobilistiche stanno investendo macchina e impiegata nella produzione dei com- per eliminare la dipendenza da queste tre ultime ponenti elettrica è un aspetto fondamentale che sostanze e dal cobalto.[28] la nostra analisi tiene in considerazione perchè il livello di emissioni dei veicoli elettrici varia a se- conda di come viene prodotta l’elettricità. Un’au- 4 Valutazione di impatto tomobile prodotta, alimentata e smaltita con elet- ambientale: tricità proveniente da fonti rinnovabili ha minore impatto ambientale e contribuisce in minor mi- la Carbon footprint sura all’emissione di CO2 in atmosfera rispetto a un’automobile che utilizza energia prodotta con 4.1 Che cos’è la carbon footprint? combustibili fossili. La carbon footprint è una misura che esprime Analisi situazione in Italia (anno 2018) - fonte in “CO2 equivalente” il totale delle emissioni di dei dati Annuario Statistico 2018 - Ufficio stati- gas ad effetto serra associate direttamente o indi- stico di Terna [9] rettamente ad un prodotto, un’organizzazione o Nel 2018 la richiesta di energia elettrica è stata un servizio. di 321,4 miliardi di kWh (sostanzialmente inva- In conformità al Protocollo di Kyoto (accor- riata rispetto all’anno precedente). L’86,3% della do internazionale entrato in vigore il 16 febbraio richiesta è stato soddisfatto da produzione nazio- 2005) , i gas ad effetto serra da includere sono: nale, per un valore pari a 277,5 miliardi di kWh, 8
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) la restante quota di questo fabbisogno, il 13,7% corrispondente a 43,9 miliardi di kWh, dalle im- portazioni nette dall’estero (aumentate queste del 16,3% rispetto al 2017). Figura 3: Fonte dei dati: Sviluppo e diffusio- ne delle fonti rinnovabili di energia in Italia e in Europa - anno 2018” pubblicato da GSE S.p.A [10] Figura 2: Fonte dei dati: Annuario Statistico 2018 - Ufficio statistico di Terna [9] Figura 4: Dati espressi in Mtep (Megatep) mega Nel 2018 la produzione nazionale netta ha rag- tonnellate di petrolio [10] giunto un valore di 279,8 miliardi di kWh, i dati confermano una sempre minore dipendenza del 4.3 Scelta dei modelli da sistema italiano dalle fonti di energia non rinno- confrontare vabili, con un incremento relativo alla fonte idroe- lettrica (+32,9%) ed un decremento del termoe- La scelta del modello di auto è stata motivata lettrico tradizionale (-8,0%) rispetto al 2017. La in primo luogo dalla domanda della cittadina, che produzione da fonti rinnovabili (idrica, eolica, fo- ha proposto un confronto tra la sua automobile tovoltaica e geotermica) è complessivamente au- con cui percorre circa 15 000 km/anno e un’auto- mentata del 10,1%, attestandosi a un valore di mobile elettrica nuova. In secondo luogo abbiamo 114,4 miliardi di kWh e con una incidenza sul optato per una casa automobilistica italiana e in consumo interno lordo di energia elettrica ad un particolare per due modelli specifici di Fiat 500 valore pari al 34,5% (nel 2017 era il 31,3%). con caratteristiche simili, in modo tale da poterli Volendo provare a confrontare in particolare i confrontare più facilmente. dati sulle fonti rinnovabili possiamo osservare al- cuni dati di confronto con la situazione Europea, Tabella 2: Le due auto a confronto relativi allo stesso anno il 2018. FIAT 500 FIAT 500 1.2 lounge la prima Questi dati sono pubblicati nel rapporto stati- (benzina)[12] (elettrica)[13] stico “Sviluppo e diffusione delle fonti rinnovabili berlina 3 berlina 3 di energia in Italia e in Europa - anno 2018” pub- modello porte 4 posti porte 4 posti blicato da GSE S.p.A.- Gruppo Servizi Gestore Anno di dei servizi energetici, società per azioni italiana, immatricola- 2007 2019 interamente controllata dal Ministero dell’econo- zione mia e delle finanze. [10] 9
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) 149x163x355 153x168x363 4.4 Analisi d’impatto delle due au- dimensioni cm cm 185 − 185 − to bagagliaio 185 dm3 550 dm3 Per calcolare le emissioni di CO2 prodotte dal- passo 230 cm 232 cm le due automobili prese in considerazione, si è de- coppia 102 Nm 220 Nm ciso di utilizzare come riferimento l’indice “Well- 51 kW 43 kW to-Wheel” (tradotto “dal pozzo alla ruota”). potenza (69 CV) (58 CV) omologata 5500 giri/min potenza in 87 kW picco / boost (118 CV) Peso lordo (compreso il 940 kg 1365 kg conducente 75kg) serbatoio / 35 L 42 kWh batteria Emissioni di 115 CO2 durante - grammi/km l’utilizzo autonomia dichiarata 814 - 546 Km 313 Km dalla casa urbano: consumo 6.4L/100km medio extraurbano: 14.4 kWh / dichiarato 4.3 L/100km 100 Km dalla casa misto: 5.1L/100km velocità mas- 160 Km/h 150 Km/h sima accelerazione 12.9 sec. 9 sec. 0-100 km/h Figura 5: Schema indice WtW Nella ricerca si è deciso di utilizzare una vet- tura a benzina e una elettrica di un modello mol- Il principale obiettivo dell’indice WtW è quel- to simile, dal design esterno e dai materiali per lo di paragonare tra di loro differenti tecnologie gli interni uguali. Per questo motivo si terranno propulsive, come il tradizionale e l’elettrico, car- in considerazione solo le effettive emissioni cau- buranti e vettori energetici, offrendo un valido sate dai fattori energetici e dal veicolo durante strumento di valutazione dell’impatto energetico l’utilizzo, ipotizzando che il processo produttivo delle tecnologie e dell’impatto ambientale causato della carrozzeria e degli interni delle due vetture dalle emissioni di gas serra. Il confronto avviene non presentino differenze significative, e quindi si relazionando l’efficacia del mezzo, la prestazione possano semplificare i calcoli. della tecnologia che consente di ottenere il car- burante e il vettore energetico utilizzato sia per trasportarlo che per stoccarlo. Il WtW non con- sidera le emissioni riguardanti la produzione del veicolo e gli aspetti dello smaltimento. 10
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) Il WtW si suddivide in due sotto-indici: il produzione dell’energia elettrica con cui viene ri- Well-to-Tank (WtT, dal pozzo al serbatoio) e il caricato il veicolo. In Europa i valori di CI non Tank-to-Wheel (TtW, dal serbatoio alla ruota). sono uniformi, ma variano notevolmente a livello Il primo sotto-indice (WtT) si riferisce ai costinazionale. Quindi non si può parlare di impat- energetici e le emissioni connesse all’elaborazione to ambientale di un veicolo elettrico in Europa della fonte primaria (il carburante), cioè estra- senza fare delle generalizzazioni. In questo stu- zione, lavorazione e trasporto. Il secondo sotto- dio si è deciso di prendere l’Italia come paese di indice (TtW) rileva il totale di energia utilizzato riferimento. per muovere il veicolo e si riferisce alle dirette L’altro fattore di cui bisogna tenere conto so- emissioni durante l’utilizzo della vettura, che di- no le emissioni del BEV, Battery Electric Vehicle, pendono dall’unione tra carburante e tecnologia cioè le emissioni di un veicolo a batteria. Il valo- di propulsione in uso. re BEV indica le emissioni di gas serra per ogni chilometro percorso ed è espresso in gCO2e/km. EMISSIONI MACCHINA A Il veicolo soggetto del nostro studio è la “Fiat BENZINA: nuova 500 La Prima Berlin”. Il suo consumo me- Fiat 500 1.2 Lounge dio è di circa 14.4 kWh/100km, mentre la capa- cità della batteria è di 42 kWh. Come Paese di Per calcolare le emissioni di CO2 dell’auto a provenienza dell’energia elettrica abbiamo scelto benzina, presa in considerazione (Fiat 500 1.2 Loun- l’italia il cui CI attuale è di 402 gCO e/kW h. 2 ge), bisogna tenere conto dell’indice sopra citato, il WtW. Le Emissioni del BEV possono essere determi- Per ottenere il risultato bisogna sommare le nate moltiplicando tra loro la CI dell’elettricità in emissioni di tipo WtT (500 gCO2e/l) e quelle TtW Italia e il consumo elettrico del BEV espresso in (2.3 kgCO2e/l). kW h /100km [riferimento?]: Considerando che quest’auto presenta un con- sumo di carburante pari a 4.8 l/100 km e suppo- Emissioni del BEV = nendo di percorrere annualmente 15 000 km, pos- 402 gCO2e/kWh · 14.4kWh/100km = siamo dire che che le emissioni annuali di CO2 di 5 788.8 gCO2e/100km una Fiat 500 1.2 Lounge saranno 2200 kgCO2/yr. Supponendo di percorrere annualmente EMISSIONI AUTO ELETTRICA: 15 000 km si ha Fiat nuova 500 La Prima Berlina 5 788.8 gCO2e X Anche per calcolare le emissioni di CO2 del- = da cui 100 km 15 000 km l’auto elettrica si utilizza l’indice WTW. In que- sto modo è possibile fare una valutazione tota- 5 788.8 gCO2e · 15 000 km X= le delle emissioni di CO2 di tutto il ciclo di vita 100 km dell’automobile. Le emissioni di gas serra di un veicolo elettri- che dà X ' 868 kgCO2e co sono strettamente condizionate dall’indice CI dello Stato da cui viene presa l’energia. Il CI, Nel calcolo complessivo di emissioni del vei- Carbon Intensity, cioè intensità di carbonio o in- colo a batteria bisogna sommare le emissioni di- tensità di emissione è il tasso di emissione di un rette, cioè dovute direttamente al veicolo duran- dato inquinante rispetto all’intensità di una spe- te la marcia, e indirette, cioè quelle dovute alla cifica attività, o di un processo di produzione. Il produzione dell’energia e alle perdite durante la valore è espresso in gCO2e/kWh. trasmissione e la ricarica. Il valore stimato delle Nel caso studiato il CI è il valore che indi- emissioni indirette è di 221 KgCO2e. Facendo la ca le emissioni di anidride carbonica dovute alla somma si ottiene: 11
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) Un altro importante fattore di cui tener conto è che la batteria di una macchina elettrica non du- Emissioni totali = (868 + 221) kgCO2e ra quanto il motore di una macchina tradizionale, = 1 089 KgCO2e questo vuol dire che dopo un certo numero di anni bisogna cambiare batteria o macchina ed entram- Includendo dunque nel risultato la produzio- be le possibilità hanno un costo significativo per ne dell’energia e le perdite durante la trasmissio- quanto riguarda le emissioni di CO2. ne e la ricarica,la quantità di emissioni risultanti Per il nostro studio abbiamo scelto di calcolare conterà 1 090 kgCO2e/yr. in modo approssimato (valore non riferito all’Ita- Come possiamo notare il numero è decisamen- lia) le emissioni dovute alla produzione della bat- te minore, meno della metà, delle emissioni causa- teria affidandoci ad uno studio svedese del 2017 te dall’auto a benzina. Tuttavia il nostro studio dal titolo “Mapping of lithium-ion batteries for non termina qui, infatti deve essere considerato vehicles”, a cura di Lisbeth Dahllöf, Mia Roma- un altro fattore riguardo alla macchina elettrica re and Alexandra Wu. Lo studio ha stimato che che determina un’elevata quantità di emissioni: il la quantità di CO2 emessa nella produzione della processo di produzione della batteria. batteria agli ioni di litio è dai 150 ai 200 kg per ogni kWh di potenza. Il veicolo soggetto del no- 4.5 La questione della produzione stro studio è dotato di una batteria con capacità 42kWh , quindi per la produzione della batteria della batteria la CO2 emessa è pari a un valore compreso tra Nella fase di produzione dell’automobile la dif- 6300 e 8400 Kg. ferenza fondamentale tra un’auto elettrica e un’au- Uno studio più recente del 2019 ha stimato che to a benzina è la batteria agli ioni di litio. Quin- la quantità di CO2 emessa nella produzione della di il primo fattore inquinate di cui bisogna tener batteria agli ioni di litio è dai 61 ai 105 kg per conto è proprio la produzione della batteria. ogni kWh di potenza. Utilizzando questo dato si Le emissioni di CO2 diretta ed equivalente per ottiene che la CO2 emessa nella produzione della realizzare una batteria sono elevate. Riuscire a batteria è pari a un valore compreso tra 2562 e calcolare con esattezza le emissioni causate dal- 4410 kg. la sua produzione è un’impresa estremamente ar- Le ragioni di questo rapido miglioramento so- dua, perché i fattori da considerare sono molti. no dovute sia ad un avanzamento a livello in- In primis le componenti della batteria sono co- dustriale e teconologico, sia di un’efficienza mi- stituite da numerosi materiali differenti, ognuno gliorata nella fabbricazione di questi dispositivi, dei quali richiede il proprio processo di raffinazio- ma anche nel fatto che le aziende manifatturiere ne, in modo da poter essere utilizzato nell’impiego cercano di utilizzare sempre più fonti di energia elettrochimico, e già questo rappresenta un vetto- rinnovabile. re altamente inquinante. Inoltre anche qui dob- biamo considerare le emissioni dovute alla fonte 4.6 La questione del riutilizzo e del- energetica impiegata per alimentare i macchinari, e avendo un processo produttivo molto comples- lo smaltimento della batteria so, le fasi di produzione della batteria avvengono Concluso il ciclo di vita di una macchina elet- in luoghi e stati diversi, quindi risulta difficile in- trica uno dei componenti più difficili da trattare dividuare il mix energetico a cui fare riferimento. sono le batterie. Esse possono essere utilizzate Infatti più è inquinante la produzione dell’energia, con altre funzioni o essere riciclate. maggiore sarà l’impatto ambientale della batte- Un nuovo utilizzo per le batterie sono i magaz- ria. Per esempio un Paese dove l’energia provie- zini per lo stoccaggio di energia, infatti le batterie ne principalmente da combustibili fossili produrrà agli ioni di litio, finito il loro uso sulle macchine, più emissioni di un Paese dove prevalgono le fonti mediamente mantengono circa il 75% - 80% della rinnovabili. loro capacità originaria. Questo utilizzo potrebbe 12
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) risultare importante con l’aumento dell’energia da in altri paesi dell’area. fonti rinnovabili. Grazie a questo utilizzo si cal- cola un aumento nella durata della vita di una batteria del 72% (10 anni) finendo il proprio ciclo 5 Conclusioni di vita con una capacità di circa il 60% rispetto L’obiettivo del lavoro era tentare di rispondere a quella iniziale, diminuendo l’inquinamento dei alla domanda di una cittadina, che richiedeva un gas serra. confronto tra un’auto tradizionale e un’auto nuo- Con la crescita del mercato delle macchine va elettrica. Per farlo avremmo dovuto effettuare elettriche il riciclo delle batterie sarà sempre più un’analisi del ciclo di vita di un veicolo da quando fattibile, cosa importante poiché la produzione viene prodotto in tutte le sue parti a quando vie- delle batterie è responsabile per circa la metà del- ne smaltito. Nell’impossibilità di realizzare, con i le emissioni del gas serra, mentre un riciclo dei mezzi e le conoscenze a nostra disposizione, que- materiali delle batterie avrebbe un’impronta del sto tipo di analisi in modo completo, abbiamo carbonio significativamente minore. Ad esempio basato il nostro lavoro su studi e pubblicazioni di l’alluminio riciclato produce il 95% di emissioni altre persone o enti competenti nel settore e ci sia- in meno rispetto ad estrarlo. Varie società stan- mo concentrati solo su alcuni aspetti particolari no facendo ricerca e stanno pianificando metodi del problema. per riciclare queste batterie. Una delle maggiori Abbiamo dunque voluto focalizzare l’attenzio- difficoltà riscontrate è la loro grandezza. ne sul descrivere le fasi essenziali per costruire Volendo citare un esempio la compagnia IVL un’analisi del ciclo di vita di un’auto (LCA), com- (Istituto svedese di ricerca ambientale) ha presen- prendere le problematiche legate ai materiali e tato varie metodologie per implementare il riciclo realizzare un’analisi d’impatto specifica. delle batterie, concludendo che si risparmierebbe- Lo studio di come si dovrebbe fare realizzare ro 1–2.5 kg di CO2 per kg di batterie, traducen- un LCA ci ha fatto capire come siano necessarie dosi in 7%–17% delle emissioni per la produzione diverse fasi che prendono in considerazione molte- della batteria. plici fattori, di come siano richieste analisi diverse In ogni caso, essendo che alcuni metodi per il con passaggi rigorosi, tracciabili e chiari. riciclo richiedono molta energia, dipenderà molto L’analisi dei materiali ci ha fatto comprende- dal luogo e da come viene prodotta, per valuta- re come, nella realizzazione di un prodotto, ogni re l’efficacia di queste metodologie di riciclo e la scelta vada ponderata, prediligendo il materiale diminuzione dell’impatto ambientale. Pertanto la ottimale per quell’elemento ma tenendo in consi- scelta del metodo più efficace per il riciclo delle derazione la provenienza, la reperibilità, il costo batterie è uno degli ambiti più complicati. At- economico ed eventuali impatti su ambiente e sa- tualmente le batterie al litio in Europa finiscono lute di quell’elemento. Ad esempio oggi la vera in gran parte in Germania, dove ci sono oltre 15 sfida per diffondere e promuovere l’auto elettrica, operatori industriali in grado di recuperare corret- è la reperibilità di materiali come litio e cobalto, tamente i componenti e parte dei materiali. Mol- o di come poterli riciclare o riutilizzare. ti dei processi applicati, però, non sono in grado Nel calcolo delle emissioni abbiamo tenuto con- di recuperare correttamente i materiali contenuti to della carbon footprint e della provenienza del- nella cosiddetta Black Mass, ossia Litio, Manga- l’energia con cui è alimentata l’auto elettrica, tra- nese, Cobalto e Nichel . Buona parte della Black scurando altre categorie di impatto. Per esempio Mass viene per questo inviata in Estremo Oriente: non abbiamo tenuto conto delle sostanza inqui- principalmente in Corea e nelle Filippine, qui con nanti che vengono emesse durante la circolazione processi adeguati vengono estratti tutti i materia- del veicolo dovute all’usura dei copertoni e delle li. Le aziende cinesi, che sono nell’ordine delle de- pastiglie dei freni. cine, smaltiscono cosı̀ tutte le batterie del mercato Tenendo presente i limiti della nostra analisi si interno e partecipano, direttamente o indiretta- possono confrontare le emissioni di una macchina mente, alle attività economiche che si sviluppano elettrica e una macchina a benzina. 13
La Bottega della Scienza Liceo “Andrea Maffei” - Fondazione Bruno Kessler (FBK) Confronto emissioni 30 t ) Fiat 500 1.2 Lounge ) Fiat 500 elettrica (2017) 7 201 ) Fiat 500 elettrica (2019) 25 Emissioni in tCO2e 20 9 Sostituzione batteria 201 15 Sostituzione batteria 10 t Emissioni = 2.2 tCO2e/yr (auto usata) 5 Emissioni nel 2017= (da 6.3 a 8.4) tCO2e+ 1.09 tCO2e/yr Emissioni nel 2019= (da 2.6 a 4.4) tCO2e+ 1.09 tCO2e/yr 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tempo di utilizzo in anni Figura 6: previsione delle emissioni nel tempo; confronto tra motore termico già in possesso e motore elettrico In Figura 6 abbiamo provato a sintetizzare i no compensate dalle emissioni più basse durante nostri risultati. Per la macchina tradizionale, che il funzionamento. La macchina elettrica sarebbe come dichiarato nella domanda della cittadina è ancor più conveniente se il mix energetico fosse già in uso, non abbiamo considerato il costo di completamente, o almeno per la maggior parte, produzione ma solo le emissioni di CO2 durante dominato da fonti rinnovabili. l’utilizzo. Nel caso invece della macchina elet- Infine si può sottolineare come riguardo al- trica, che viene acquistata, abbiamo considerato lo smaltimento dei materiali, in particolare delle anche la produzione, che è la parte della vita del- batterie, in questi ultimi anni ci siano notevoli in- la macchina nella quale viene emessa la maggiore teressi a migliorare i processi, spinti anche dalle quantità di CO2, soprattutto per quanto riguarda stesse case produttrici, e sembrerebbe plausibile la batteria. Oltretutto va considerato che que- pensare ad un più efficiente riutilizzo o riciclo di st’ultima dopo circa 8 anni (o un totale di di cir- questi componenti nei prossimi anni. ca 160.000 Km) va sostituita, pertanto con un ulteriore incremento di quantità di CO2. Nonostante questo il grafico mostra che nel Fonti principali tempo la macchina elettrica emette meno CO2, [1] https://www.oc-praktikum.de/nop/it/ anche se bisogna tener conto della provenienza articles/pdf/LCAMethod_it.pdf dell’energia con la quale viene ricaricata. I dati mostrano che anche nel caso di un mix di elet- [2] https://ecochain.com/knowledge/ tricità ancora dominato dalle centrali elettriche impact-categories-lca/ convenzionali (in questo caso l’Italia), le emissio- ni aggiuntive per la produzione della batteria so- 14
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