Veicoli elettrici ed economia circolare, come fronteggiare la sfida della sostenibilità?

Se da un lato l’elettrificazione risulta necessaria, dall’altro è necessario considerare l’impatto ambientale legato alla produzione di veicoli elettrici.

Il futuro della mobilità è un tema centrale per i governi di tutto il mondo. Come noto, per fronteggiare il cambiamento climatico occorre ridurre le emissioni di gas serra e delle altre sostanze inquinanti nocive per la salute e l’ecosistema in generale.

In questo contesto, la transizione verso sistemi di trasporto più sostenibili sta favorendo le vendite di veicoli elettrici, trend in aumento nei prossimi anni.

Tuttavia, se da un lato l’elettrificazione risulta necessaria, dall’altro è bene considerare l’impatto ambientale legato alla produzione di veicoli elettrici, processo che richiede un massiccio impiego di risorse, per far fronte alla crescente domanda.

Con l’introduzione dei veicoli elettrici, i magneti di terre rare trovano impiego in numerose applicazioni motoristiche, inoltre, materie prime critiche, come litio, cobalto e grafite, sono indispensabili per le batterie.

Tuttavia, materiali come il litio, ad esempio, richiedono processi di estrazione piuttosto complessi ed energivori, mentre materiali come il cobalto sollevano non poche preoccupazioni anche dal punto di vista etico per i rischi sociali legati all’estrazione, come lavoro minorile e conflitti.

Un’ulteriore sfida, per i veicoli elettrici, è legata alla gestione dei processi di fine vita: se, da un lato, gran parte dei metalli viene riciclata e mediante raffinati processi sia possibile recuperare e riutilizzare una quantità elevata dei materiali presenti nei veicoli e nei loro componenti, incluse le batterie, d’altra parte risulta più critica la gestione di materiali residui quali plastiche, tessuti, vetro e metalli speciali che, se non opportunamente gestiti, possono divenire un rifiuto o rappresentare una fonte di rischio.

Per fronteggiare tali sfide e raggiungere gli obiettivi climatici, in figura 1 si mostra un possibile approccio di economia circolare per veicoli elettrici.

Le strategie di economia circolare includono: riutilizzo, riparazione, rigenerazione e riciclo.

Riparazione e rigenerazione hanno un impatto ambientale modesto, se paragonate alla produzione del veicolo, mentre il riciclo dei materiali contribuisce alla riduzione della domanda di nuove risorse.

Come noto, le batterie incidono per una parte rilevante dell’impatto ambientale di un veicolo elettrico. Pertanto, queste ultime insieme ad altri componenti costituiti da materie prime critiche, rappresentano la priorità nello sviluppo di strategie di economia circolare, specie se si considera altresì che i rifiuti generati dalle batterie aumentano il rischio di incendi e contaminazioni.

Sebbene i processi di riciclo delle batterie siano ancora in fase di sviluppo e dipendano dalle normative e regolamentazioni adottate dai singoli Paesi, esistono già soluzioni per il reimpiego delle batterie nei sistemi di accumulo di energia.

In condizioni ideali, è stato stimato che il riciclo delle batterie potrebbe fornire fino al 60% del cobalto, al 53% del litio, al 57% del manganese e al 53% del nichel necessari per soddisfare il fabbisogno di risorse atteso a livello globale nel 2040.

Infine, con la crescente integrazione dell’elettronica e di veicoli ad autonomia crescente, non bisogna dimenticare il ruolo dei software nelle misure di sostegno alla circolarità, come ad esempio gli algoritmi di gestione della carica e scarica, che consentono il prolungamento della durata di vita utile della batteria.

I punti di attenzione

Come si è detto, nella progettazione di un veicolo elettrico, il componente che influisce maggiormente sull’impatto ambientale è la batteria.

In questo contesto, la standardizzazione nella progettazione delle batterie potrebbe svolgere un ruolo centrale nel garantirne il futuro riutilizzo e riciclo.

A ciò si aggiungono design ottimizzati, volti a ridurre l’apporto di materie prime, e l’impiego di materiali alternativi.

A incidere sulla progettazione e sviluppo delle batterie è l’autonomia del veicolo elettrico. Se da un lato batterie più grandi (e più pesanti) accrescono tale autonomia, dall’altro tali batterie richiedono un maggior apporto di materie prime ed energia per la loro realizzazione, con conseguente impatto ambientale sfavorevole; inoltre, il peso aggiuntivo incrementa il fabbisogno energetico in condizioni di utilizzo.

Anche la capillarità dei nodi della rete di ricarica e il tempo di ricarica incidono sulla funzionalità del veicolo elettrico.

Al fine di massimizzare l’autonomia dei veicoli, è possibile ricorrere a materiali più leggeri, come i compositi in fibra di carbonio.

Questi favoriscono una riduzione dei consumi durante la vita utile del veicolo, ma possono sicuramente aumentare l’impatto ambientale in fase di produzione, a cui si aggiungono costi specifici per i complessi processi di riciclo richiesti da questi materiali.

Trovato un compromesso tra gli impatti nella fase di utilizzo e quelli derivanti dalle altre fasi, il chilometraggio complessivo della vita utile del veicolo elettrico è un fattore cruciale a livello commerciale. Maggiore è la vita utile, minore l’impatto dei costi di produzione che possono essere spalmati su un periodo più lungo.

La massimizzazione del chilometraggio dipende principalmente dai criteri di progettazione del veicolo, nella quale occorre privilegiare l’affidabilità e la manutenibilità dei singoli componenti, in particolare delle batterie, e del veicolo nel suo complesso.

Per quanto riguarda l’impatto ambientale relativo all’utilizzo del veicolo elettrico, le informazioni sono ancora piuttosto scarse, dal momento che l’adozione di questi mezzi è recente e ancora limitata.

In ogni caso, si ritiene che i veicoli elettrici possano contribuire alla transizione della società verso una forma di mobilità più sostenibile, con un spostamento delle sorgenti di inquinamento lontano dalle aree maggiormente antropizzate come le città.

Resta da valutare nel dettaglio il bilancio complessivo della transizione energetica, affatto semplice da elaborare.

Nelle soluzioni di economia circolare, il riutilizzo e il riciclo devono essere “progettati” sin dalle prime fasi del ciclo di vita del veicolo, considerando nuovi processi nel contesto incerto della futura accessibilità ai materiali (come ad esempio le terre rare) e devono essere prese apposite misure per comprendere appieno gli ostacoli e le opportunità correlati alla seconda vita e rigenerazione delle batterie.

È inoltre necessario estendere l’utilizzo e le possibili applicazioni di materiali leggeri come i compositi a fibra di carbonio, incentivandone le pratiche di riciclo.

Il ruolo delle fonti energetiche a ridotte emissioni di carbonio è importante in tutte le fasi del ciclo di vita, per facilitare il raggiungimento del pieno potenziale di riduzione dei gas serra derivante dall’uso dei veicoli elettrici.

Fasi di estrazione e produzione delle materie prime, comportano, ad esempio, numerosi processi ad alta intensità energetica.

Si prevede che nei prossimi decenni la percentuale di fonti energetiche, rinnovabili nel mix elettrico, aumenterà sia nell’Unione Europea sia nei principali siti mondiali di produzione di batterie.

Inoltre, con l’aumento della flotta di veicoli elettrici, sarà essenziale che i modelli di ricarica siano gestiti in modo tale da sfruttare le fonti rinnovabili e altre fonti di elettricità a basse emissioni, evitando sovraccarichi.

Sono in corso ricerche sulla possibilità che le batterie svolgano un ruolo attivo all’interno della rete elettrica, per immagazzinare l’energia rinnovabile in eccesso e fornire servizi di stabilizzazione.

La figura 2 mostra una sintesi dei principali punti di attenzione per quanto riguarda i veicoli elettrici in un contesto di economia circolare.

Impatto ambientale di un veicolo elettrico

La valutazione del ciclo di vita (LCA) considera l’impatto ambientale associato a tutte le fasi di vita di un prodotto. Le fasi rilevanti per i veicoli elettrici sono illustrate in figura 3.

Approvvigionamento delle materie prime

Rispetto ai veicoli tradizionali (ICEV), per la produzione dei veicoli elettrici le principali differenze nel fabbisogno di materiali derivano dalla presenza della batteria, dall’elettronica di potenza e dal motore elettrico.

Tra i principali metalli impiegati nei veicoli elettrici ci sono il rame, l’alluminio e il ferro, ma anche i cosiddetti CRMs (certified reference materials).

I CRMs, compresi gli ETR (terre rare), presenti in quantità abbondanti nei veicoli elettrici, richiedono processi di estrazione e raffinazione ad alta intensità energetica. 

Per la carrozzeria e i sistemi ausiliari invece, in molti casi vengono impiegati i medesimi materiali in quantità simili rispetto ai veicoli tradizionali.

Tuttavia, data l’importanza di massimizzare l’autonomia del veicolo elettrico, in alcuni casi il design della carrozzeria è alleggerita, grazie alla scelta di alluminio, fibra di carbonio e materiali compositi.

In figura 4 sono indicati i principali metalli e materie prime impiegate nella realizzazione dei componenti dei veicoli elettrici, utilizzati in misura massiccia rispetto agli ICEV, con conseguenti impatti ambientali significativi.

I processi di approvvigionamento delle materie prime, inclusa l’estrazione, la separazione e la raffinazione, richiedono elevate quantità di risorse come acqua, energia e altre sostanze quali l’ammoniaca, favorendo le emissioni di gas serra.

Si stima che, nei prossimi anni, la crescente domanda di veicoli elettrici sarà accompagnata da una crescente domanda di CRM, tra cui il cobalto e gli ETR contenuti nelle batterie a ioni di litio.

Ci si attende inoltre un aumento della domanda di grafite che, contrariamente dagli altri ETR e CRM, può essere prodotta sinteticamente.

L’estrazione di rame, nichel e CRM, compresi gli ETR, per l’utilizzo nei veicoli elettrici può avere effetti negativi.

In particolare, per gli ETR:

• processi di estrazione ad alta intensità di risorse;
• rilascio di materiali tossici nelle acque;
• contaminazione del suolo.

Inoltre, sebbene non tutte le ETR siano scarse nella crosta terrestre, la loro disponibilità è limitata a poche regioni.

In generale, la Cina è l’attore più significativo, rappresentando il 70% della fornitura globale di CRM, un dominio che alimenta preoccupazioni economiche legate al loro libero approvvigionamento.

Tra le principali barriere nella transizione verso l’elettrico un problema è rappresentato dall’autonomia del veicolo. Per ovviare a questo, i produttori tendono ad aumentare la capacità delle batterie, con conseguenti impatti negativi sulla sostenibilità ambientale.

Inoltre, lavorano su design alleggeriti, riducendo la quantità dei materiali impiegati o sostituendoli con materiali innovativi.

In quest’ultimo caso, componenti in acciaio del motore elettrico, della batteria e della carrozzeria del veicolo possono essere sostituiti da alluminio, magnesio e titanio, o da compositi come la plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP).

Tuttavia, tali materiali necessitano di processi ad alta intensità energetica, con un potenziale di riscaldamento globale più elevato in fase di produzione rispetto ai materiali che sostituiscono.

Inoltre, i compositi, possono risultare più difficili da riciclare, aumentando l’impatto ambientale dei processi di fine vita e rendendo necessario l’utilizzo di materie prime vergini rispetto a quelle riciclate nei successivi prodotti.

Tuttavia, è bene precisare che una valutazione attenta riguardo alla scelta dei materiali sostitutivi non deve fermarsi alla valutazione degli impatti ambientali legati alla relativa produzione, ma dovrebbe considerare i benefici in fase di utilizzo del veicolo.

In sintesi, le principali soluzioni e fattori nello sviluppo di strategie di economia circolare per l’approvvigionamento di materie prime necessarie per la realizzazione di un veicolo elettrico sono:

• prevalenza di veicoli dalle dimensioni, peso e potenza ridotti;

• la sostituzione completa delle terre rare nei veicoli elettrici non è probabile nel prossimo futuro. Tuttavia, ottimizzazioni progettuali potrebbero ridurne le quantità utilizzate. La sfida per i produttori è che tale scelta non incida negativamente sulle prestazioni del veicolo. Visti i rischi economici e di approvvigionamento associati agli ETR, tale soluzione appare sensata anche dal punto di vista commerciale.

• lo sviluppo di batterie più sostenibili, legato alla possibilità di progettare materiali elettro-attivi dalle prestazioni simili, se non migliorate rispetto ai materiali attuali, dal minore impatto ambientale. Sarebbe una soluzione per tutti quei paesi che non dispongono di una fornitura interna di ETR. Alcuni studi hanno evidenziato il potenziale dei composti a base di nitruro di ferro e manganese come materiali magnetici a elevate prestazioni; tuttavia, non è ben chiaro se questi materiali siano prossimi al mercato o addirittura praticabili. Nello sviluppo di materiali alternativi, è bene poi analizzare in modo approfondito l’intero ciclo di vita del veicolo elettrico, dal momento che, anche quando una materia prima può apparire sostenibile, economica e immediatamente disponibile, occorre valutarne, oltre le esigenze di estrazione e lavorazione, anche la sua idoneità al riciclo.

• Il riutilizzo e il riciclo delle batterie dei veicoli elettrici, compreso un secondo utilizzo in altre applicazioni, potrebbe ridurre la quantità di terre rare e CRM necessari.

• La possibilità di recupero di materiali critici o di materiali caratterizzati da una catena di approvvigionamento ad alto rischio.

Produzione

La produzione di batterie e altri componenti di veicoli elettrici richiede materie prime e processi di assemblaggio diversi rispetto a quelli previsti per la produzione di un veicolo ICEV, con conseguente differente impatto ambientale.

Il focus è sui danni ambientali legati all’intensità energetica richiesta per la produzione del veicolo, una volta ultimata la trasformazione dei materiali in una forma utilizzabile.

Come per gli ICEV, i componenti dei veicoli elettrici sono spesso prodotti in paesi diversi per poi venire assemblati altrove.

Da un punto di vista ambientale, il luogo di produzione delle batterie è molto importante, dal momento che la batteria costituisce fino al 25% della massa del veicolo e richiede processi ad alta intensità energetica.

Lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio, rispetto alle tecnologie precedenti, consente una densità energetica e/o un ciclo di vita superiore.

La produzione di batterie agli ioni di litio è un processo a più fasi:

• preparazione dei materiali anodici e catodici;

• combinazione dei materiali anodici e catodici con l’elettrolita, i materiali per il collettore e il separatore e il contenitore per le celle;

• assemblaggio di più celle in un pacco batteria, che include l’involucro della batteria, il sistema elettrico, il sistema di gestione termica e il sistema di gestione elettronica della batteria.

E’ bene considerare quanto il commercio globale di batterie abbia un impatto significativo da un punto di vista ambientale: ad esempio, l’impatto ambientale di un veicolo utilizzato in Europa dipende da processi che avvengono in altre regioni del mondo, al di fuori del quadro legislativo dell’UE.

Gran parte delle emissioni e degli inquinanti atmosferici rilasciati, durante la produzione di veicoli elettrici, sono legati alla domanda di elettricità e altre forme di energia necessarie per alimentare processi ad alta intensità energetica.

La produzione di batterie è quindi responsabile della maggior parte delle emissioni nella fase di produzione, con particolare attenzione rivolta alla produzione delle celle e all’assemblaggio delle batterie che contribuiscono dal 3 all’80 % delle emissioni totali nella produzione di batterie, a seconda dell’approccio adottato, mentre le emissioni restanti derivano dall’estrazione e dalla lavorazione delle materie prime.

L’elevato impatto ambientale correlato alla produzione di batterie è legato in una certa misura all’ubicazione della produzione di batterie in paesi con mix energetici ricchi di combustibili fossili, come la Cina.

Considerando gli altri componenti del veicolo, il motore elettrico ha un impatto del 7-8% sulle emissioni totali legate alla produzione (compresa l’estrazione delle materie prime), a causa dell’elevato contenuto di rame e di alluminio.

Gli altri componenti della catena cinematica ad alto contenuto di alluminio contribuiscono per il 16-18% e il resto del veicolo incide per il 35% circa delle emissioni totali.

In sintesi , le strategie di economia circolare per la produzione di veicoli elettrici includono:

• La propensione per veicoli di dimensioni e batterie ridotte: come nel caso degli ICEV, veicoli elettrici di dimensioni maggiori tendono a richiedere più energia in fase di produzione e quindi hanno un maggiore impatto ambientale. Nell’intero processo produttivo (compreso l’approvvigionamento di materie prime), la produzione di un’auto di lusso genera oltre il doppio delle emissioni di gas serra rispetto a un’auto del segmento mini. Le dimensioni del veicolo hanno inoltre implicazioni sulla domanda di materie prime e sul relativo consumo energetico.

• L’incremento della capacità delle batterie a favore dell’autonomia di guida non è sostenibile. In futuro, si pensa di ridurre il problema dell’autonomia grazie alla crescita e ottimizzazione delle infrastrutture di ricarica o stimolando scelte di acquisto più consapevoli da parte dei consumatori, in relazione alle effettive esigenze di viaggio quotidiane.

• Miglioramento nella densità energetica delle batterie.

• Gran parte delle valutazioni del ciclo di vita esprimono gli impatti ambientali legati alla produzione per chilometro percorso. La durata di vita prevista per un veicolo elettrico varia da circa 150.000 a 250.000 km. Maggiore è il chilometraggio, minore è l’influenza delle emissioni legate alla produzione sul ciclo di vita totale, in quanto gli impatti della fase di utilizzo tendono a diventare dominanti.

• Gli impatti ambientali variano inoltre in funzione della composizione chimica e configurazione delle batterie, dove in alcuni casi sono richiesti processi ad alta intensità energetica. Con uno sguardo al futuro, densità energetica e vita utile delle batterie agli ioni di litio, grazie allo sviluppo tecnologico, continueranno a migliorare. Nuove composizioni chimiche favoriranno vita utile e performance.

• Sfruttamento delle economie di scala e massimizzazione della capacità degli impianti di produzione, specialmente nel caso di processi particolarmente energivori e utilizzo di tecniche di produzione innovative per ridurre il consumo energetico per veicolo o batteria prodotta.

• Fonti energetiche rinnovabili per la produzione di veicoli elettrici e componenti.

Uso del veicolo elettrico

Sebbene il consumo energetico correlato alla guida di un veicolo elettrico sia generalmente inferiore di un terzo e un quarto rispetto a un ICEV, i vantaggi in termini di efficienza sono legati a:

• Condizioni e stile di guida. Fattore che influisce sul consumo energetico di un veicolo elettrico è la misura in cui la frenata rigenerativa è in grado di recuperare energia, con benefici nelle decelerazioni graduali e in discesa. Alcuni studi suggeriscono che il consumo di energia per chilometro dei veicoli elettrici sia inferiore nelle aree urbane, mentre uno stile di guida aggressivo è sempre sconsigliato.

• Utilizzo di sistemi ausiliari, come riscaldamento e aria condizionata, incidono negativamente sull’efficienza energetica dei veicoli elettrici, dal momento che, devono necessariamente attingere energia dalla batteria, senza la possibilità, ad esempio per il riscaldamento, come avviene per gli ICEV, di utilizzare il calore di scarto del motore.

• Dimensioni e peso del veicolo.

• La domanda supplementare di energia richiesta dal veicolo elettrico in ricarica richiede una efficiente gestione delle reti di distribuzione. Attraverso il cosiddetto “smart charging”, il tempo di ricarica è controllato, ciò garantisce la stabilità della rete, la minimizzazione dei costi e favorisce l’uso di fonti energetiche rinnovabili.

• Livello di utilizzo del veicolo elettrico, in termini di numero di viaggi e distanze percorse, tipologie e itinerari di viaggio.

• Dati di utilizzo e sulla proprietà del veicolo, incentivi governativi all’utilizzo dei veicoli elettrici, sistemi di mobilità condivisa.

• Condition monitoring del veicolo per tenere costantemente sotto controllo le prestazioni, lo stato di salute e l’efficienza del sistema a propulsione elettrica.

Fine vita

La fase di fine vita, considerata singolarmente, ha impatto minimo in termini di emissioni totali dell’intero ciclo di vita del veicolo. Tuttavia, incoraggiando pratiche sostenibili, molti potrebbero essere i benefici in termini di sostenibilità ambientale anche per le altre fasi, come:

• riduzione del fabbisogno di materiali vergini e quindi minori impatti legati alle attività di estrazione e produzione;

• necessità ridotta o ritardata di smaltimento e con minori impatti derivanti dalle discariche;

• un ulteriore passo verso soluzioni di economia circolare attraverso il riutilizzo e la rigenerazione di batterie o loro componenti e dal riciclo o recupero di materiali.

Riutilizzo delle batterie, rigenerazione e riciclo sono processi chiave dell’economia circolare. Il riutilizzo delle batterie può implicarne un reimpiego nei veicoli elettrici o in altre applicazioni, ad esempio, per lo stoccaggio di energia. Il riutilizzo prolunga la vita delle batterie, ritardando la necessità di ulteriori processi di fine vita.

La rigenerazione comporta invece la trasformazione dei materiali in una forma utilizzabile o per la medesima funzione o per scopi differenti. Il riciclo di alcuni materiali si rende talvolta necessario.

La trasformazione dei rifiuti in risorse offre vantaggi sia in termini di efficienza delle risorse che di disponibilità di materie prime.

Le discariche sono ancora necessarie poi per tutti quei materiali che non possono essere riciclati.

Le figure 5 e 6 illustrano rispettivamente una serie di opzioni per il fine vita delle batterie e un generico processo di riciclo delle stesse.

Conclusioni e scenari futuri

Per valutare le prestazioni ambientali dei veicoli elettrici, viene esaminato l’impatto ambiatale a livello delle singole fasi del ciclo di vita, confrontandolo con l’impatto dei veicoli con motore a combustione interna (ICEV).

La batteria è il componente principale dei veicoli elettrici, e proprio questo motivo rende l’impatto ambientale dei veicoli elettrici nella fase di produzione superiore rispetto agli ICEV. Nella fase di utilizzo, invece, i veicoli elettrici sembrano essere più efficienti.

Le fasi tipiche correlate all’economia circolare come il riciclo, il reimpiego e la rigenerazione delle batterie dismesse sono utili per migliorare i benefici ambientali associati ai veicoli elettrici.

Durante l’intero ciclo di vita, i veicoli elettrici hanno il potenziale di ridurre le emissioni di gas serra e il consumo di energia fossile; tuttavia, hanno un impatto maggiore rispetto ai veicoli tradizionali in termini di consumo di metalli e minerali e di potenziale tossicità per l’uomo.

L’ottimizzazione del mix energetico, l’aggiornamento della tecnologia delle batterie e il miglioramento dell’efficienza di riciclo e di strategie di economia circolare sono fattori chiave per la produzione su larga scala dei veicoli elettrici, la produzione a ciclo chiuso delle batterie e lo sviluppo sostenibile delle risorse, dell’ambiente e dell’economia.

Riferimenti

Richter, J.L. A circular economy approach is needed for electric vehicles. Nat Electron 5, 5–7 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00711-9

https://www.eea.europa.eu/publications/electric-vehicles-from-life-cycle

Kifor CV, Grigore NA. Circular Economy Approaches for Electrical and Conventional Vehicles. Sustainability. 2023; 15(7):6140. https://doi.org/10.3390/su15076140  —> https://www.mdpi.com/2071-1050/15/7/6140

Xiaoning Xia, Pengwei Li, A review of the life cycle assessment of electric vehicles: Considering the influence of batteries, Science of The Total Environment, Volume 814, 2022, 152870, ISSN 0048-9697, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152870

Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab

Elena Perotti, Senior data analyst