La ricarica di un veicolo elettrico durante la notte produce il 70% di emissioni in più rispetto a quando viene caricata a mezzogiorno

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Le emissioni legate ai trasporti stanno aumentando a livello globale. Attualmente, i veicoli leggeri – vale a dire le autovetture, come berline, SUV o minivan – contribuiscono per circa il 20% alle emissioni nette di gas serra negli Stati Uniti.

Ma gli studi hanno dimostrato che cambiare la tua auto tradizionale ad alto consumo di gas con un veicolo alimentato da elettricità può incidere notevolmente sulla riduzione di queste emissioni.

Un recente studio pubblicato su  Environmental Science and Technology  fa un ulteriore passo avanti esaminando come ridurre le emissioni associate alla fonte di elettricità utilizzata per caricare un veicolo elettrico (EV).

Tenendo conto dei modelli di ricarica regionali e dell’effetto della temperatura ambiente sul risparmio di carburante delle auto, i ricercatori della MIT Energy Initiative (MITEI) scoprono che l’ora del giorno in cui viene caricato un veicolo elettrico ha un impatto significativo sulle emissioni del veicolo.

“Se faciliti la ricarica in momenti particolari, puoi davvero aumentare le riduzioni delle emissioni che derivano dalla crescita delle energie rinnovabili e dei veicoli elettrici”, afferma Ian Miller, l’autore principale dello studio e un ricercatore associato al MITEI.

“Allora come lo facciamo? Le tariffe per il tempo di utilizzo dell’elettricità si stanno diffondendo e possono cambiare drasticamente l’ora del giorno in cui i conducenti di veicoli elettrici ricaricano. Se informiamo i responsabili politici di questi grandi impatti sul tempo di ricarica, possono quindi progettare tariffe elettriche per scontare la ricarica quando le nostre reti elettriche sono ricche di energie rinnovabili. Nelle regioni ad alta intensità solare, è mezzogiorno. Nelle regioni con forte vento, come il Midwest, è durante la notte “.

Secondo la loro ricerca, nella California ad alta intensità solare, caricare un veicolo elettrico durante la notte produce il 70% di emissioni in più rispetto a quando fosse caricato a mezzogiorno (quando più energia solare alimenta la rete).

Nel frattempo, a New York, dove il nucleare e l’idroelettrico costituiscono una quota maggiore del mix elettrico durante la notte, il miglior tempo di ricarica è l’opposto. In questa regione, caricare un veicolo durante la notte riduce effettivamente le emissioni del 20% rispetto alla ricarica diurna.

“L’infrastruttura di ricarica è un altro fattore determinante quando si tratta di facilitare la ricarica in orari specifici, specialmente durante il giorno”, aggiunge Emre Gençer, coautore e ricercatore presso MITEI.

“Se devi ricaricare il tuo veicolo elettrico a mezzogiorno, devi avere abbastanza stazioni di ricarica sul posto di lavoro. Oggi, la maggior parte delle persone carica i propri veicoli nei garage durante la notte, il che produrrà emissioni più elevate nei luoghi in cui è meglio ricaricare durante il giorno “.

Nello studio, Miller, Gençer e Maryam Arbabzadeh, postdoc al MITEI, fanno queste osservazioni in parte calcolando la percentuale di errore in due comuni approcci di modellazione delle emissioni EV, che ignorano la variazione oraria nella griglia e la variazione della temperatura nel carburante economia.

I loro risultati rilevano che l’errore combinato di questi metodi standard supera il 10% nel 30% dei casi e raggiunge il 50% in California, che ospita la metà dei veicoli elettrici negli Stati Uniti.

“Se non si modella il tempo di ricarica e si presume invece la ricarica con la potenza media annuale, è possibile stimare erroneamente le emissioni dei veicoli elettrici”, afferma Arbabzadeh. “A dire il vero, è fantastico avere più energia solare sulla rete e più veicoli elettrici che la utilizzano.

Non importa quando carichi il tuo veicolo elettrico negli Stati Uniti, le sue emissioni saranno inferiori a quelle di un’auto simile a benzina; ma se la ricarica dei veicoli elettrici avviene principalmente quando il sole è tramontato, quando si tratta di ridurre le emissioni non si ottengono così tanti vantaggi come si pensa utilizzando una media annuale “.

Cercando di ridurre questo margine di errore, i ricercatori utilizzano i dati della griglia oraria del 2018 e del 2019, insieme ai dati orari di ricarica, guida e temperatura, per stimare le emissioni derivanti dall’uso di veicoli elettrici in 60 casi negli Stati Uniti.

Quindi introducono e convalidano un nuovo metodo (con un margine di errore inferiore all’1%) per stimare accuratamente le emissioni di veicoli elettrici. Lo chiamano il metodo del “giorno medio”.

“Abbiamo scoperto che è possibile ignorare la stagionalità delle emissioni di rete e del risparmio di carburante e stimare comunque con precisione le emissioni annuali dei veicoli elettrici e gli impatti sui tempi di ricarica”, afferma Miller. “Questa è stata una piacevole sorpresa. In Kansas lo scorso anno, le emissioni giornaliere della rete sono aumentate di circa l’80% tra le stagioni, mentre la domanda di energia elettrica è aumentata di circa il 50% a causa dei cambiamenti di temperatura.

Studi precedenti hanno ipotizzato che ignorare tali oscillazioni stagionali avrebbe danneggiato l’accuratezza delle stime delle emissioni di veicoli elettrici, ma non hanno mai effettivamente quantificato l’errore.

L’abbiamo fatto, con diverse miscele di reti e climi, e abbiamo trovato l’errore trascurabile “.

Questa scoperta ha implicazioni utili per modellare futuri scenari di emissioni di veicoli elettrici. “È possibile ottenere precisione senza complessità di calcolo”, afferma Arbabzadeh. “Con il metodo del giorno medio, puoi stimare con precisione le emissioni di veicoli elettrici e gli impatti di ricarica in un anno futuro senza dover simulare 8.760 valori di emissioni di rete per ogni ora dell’anno.

Tutto ciò di cui hai bisogno è un profilo del giorno medio, che significa solo valori su 24 ore, per le emissioni di rete e altre variabili chiave. Non è necessario conoscere la varianza stagionale da quei profili giornalieri medi “.

I ricercatori dimostrano l’utilità del metodo del giorno medio conducendo un caso di studio negli Stati Uniti sudorientali dal 2018 al 2032 per esaminare come la crescita rinnovabile in questa regione possa avere un impatto sulle future emissioni di veicoli elettrici. I risultati mostrano che le emissioni di veicoli elettrici diminuiscono solo del 16 percento se la ricarica avviene durante la notte, ma di oltre il 50 percento se la ricarica avviene a mezzogiorno, ipotizzando una proiezione conservativa della rete della US Energy Information Administration. Nel 2032, rispetto a un’auto ibrida simile, le emissioni di veicoli elettrici per miglio sono inferiori del 30% se caricate durante la notte e del 65% se caricate a mezzogiorno.

Il modello utilizzato in questo studio è un modulo in un programma di modellazione più ampio chiamato  Ambiente di modellazione di analisi dei sistemi energetici sostenibili  (SESAME). Questo strumento, sviluppato presso MITEI, adotta un approccio a livello di sistema per valutare l’impronta di carbonio completa dell’attuale sistema energetico globale in evoluzione.

“L’idea alla base di SESAME è prendere decisioni migliori per la decarbonizzazione e comprendere la transizione energetica dal punto di vista dei sistemi”, afferma Gençer. “Uno degli elementi chiave di SESAME è il modo in cui è possibile collegare tra loro diversi settori – ‘accoppiamento di settore’ – e in questo studio vediamo un esempio molto interessante dai settori dei trasporti e dell’energia elettrica.

In questo momento, come abbiamo affermato, è impossibile trattare questi due sistemi di settore in modo indipendente, e questa è una chiara dimostrazione del motivo per cui il nuovo approccio di modellazione di MITEI è davvero importante, così come di come possiamo affrontare alcuni di questi problemi imminenti “.

Nella ricerca in corso e futura, il team sta espandendo la propria analisi di ricarica dai singoli veicoli a intere flotte di autovetture al fine di sviluppare strategie di decarbonizzazione a livello di flotta. Il loro lavoro cerca di rispondere a domande come il modo in cui il divieto proposto dalla California di vendere auto a benzina nel 2035 avrebbe un impatto sulle emissioni dei trasporti.

Stanno anche esplorando cosa potrebbe significare l’elettrificazione della flotta – non solo per i gas serra, ma anche la domanda di risorse naturali come il cobalto – e se le batterie EV possano fornire un significativo accumulo di energia di rete.

“Per mitigare il cambiamento climatico, dobbiamo decarbonizzare sia il settore dei trasporti che quello dell’energia elettrica”, afferma Gençer. “Possiamo elettrificare i trasporti e ridurrà significativamente le emissioni, ma ciò che questo documento mostra è come farlo in modo più efficace”.


La transizione ai veicoli elettrici (EV) è in corso. Mentre la trasformazione da veicoli passeggeri convenzionali (quelli con motori a combustione interna, alimentati da combustibili a base di petrolio) a veicoli elettrici (veicoli plug-in a 4 ruote azionati totalmente o in parte dall’elettricità [1]), è certa, la traiettoria di questa transizione è lungi dall’essere risolta.

I veicoli elettrici hanno una lunga storia ed erano piuttosto importanti all’inizio dell’era automobilistica [2]. La tecnologia, tuttavia, ha ceduto al modello di business messo in moto da Henry Ford per il veicolo passeggeri convenzionale e da allora è rimasta nell’ombra. Le ragioni della sua dormienza non sono solo tecniche, ma il fatto che non ha mai, fino ad ora, impegnato una visione del mondo socialmente costruita che creerebbe un potente incentivo per la sua ascesa [3].
La differenza ora è che sia le aziende a scopo di lucro che i paesi percepiscono un interesse commerciale per i veicoli elettrici e, soprattutto, i veicoli elettrici sono percepiti dalla società più ampia come una forza chiave per combattere il cambiamento climatico. Le strategie di decarbonizzazione includono tipicamente la transizione al trasporto elettrico come elemento chiave nei piani a lungo termine [4,5].

Nello specifico, la scintilla per una nuova era dei trasporti è stata fornita da due entità: l’audace e improbabile ascesa del produttore di veicoli elettrici, Tesla [6], e l’ascesa della Cina, e il suo gruppo di startup EV, come hotspot globale di veicoli elettrici. Oltre la metà di tutti i veicoli elettrici venduti nel 2018 e nel 2019, sono stati venduti in Cina, che percepisce una nuova ed enorme opportunità commerciale derivante dalla transizione [7].
Sebbene comprensibilmente più lente, le case automobilistiche convenzionali hanno ora annunciato piani ambiziosi per l’elettrificazione delle rispettive flotte, alcuni dei quali sono delineati nella Tabella 1.

Dozzine di veicoli elettrici hanno già raggiunto il mercato e oggi più di sette milioni sono sulle strade di tutto il mondo [8]. Tuttavia, le vendite sono ancora estremamente ridotte rispetto al mercato complessivo delle autovetture. Nel 2019 [9], le vendite di veicoli elettrici hanno totalizzato 2,2 milioni, solo una quota del 2,5% del mercato, il che significa che solo 1 veicolo passeggeri su 40 venduto era un veicolo elettrico.

Alcuni paesi, come Norvegia, Islanda, Paesi Bassi e Svezia, hanno venduto più del 10% di veicoli elettrici nei rispettivi mercati [8] (la Norvegia ha addirittura registrato vendite superiori al 50%). Tuttavia, le popolazioni relativamente piccole in questi paesi significano che queste vendite non hanno avuto un impatto significativo sui mercati automobilistici globali. Si può affermare con certezza, quindi, che la transizione ai veicoli elettrici è in una fase molto precoce. Un modo per pensare a questo stato di cose è attraverso il modello standard di diffusione del prodotto Rogers [10],
come mostrato nella Figura 1.

Con vendite del 2-3%, i veicoli elettrici sono ancora nella fase iniziale di diffusione, attirando solo gli “innovatori” o le fasi iniziali dei segmenti “early adopter” all’interno di una data popolazione. Gli individui all’interno di questi segmenti della popolazione differiscono da quelli all’interno della popolazione più generale. Sono aperti a sperimentare nuove tecnologie, sono disposti a trascurare le imperfezioni nella tecnologia per raggiungere obiettivi personali o sociali e non sono influenzati dal marketing di massa.

Sono state tentate numerose proiezioni per quando (o se) i veicoli elettrici saliranno la curva di diffusione. Un recente studio che ha confrontato queste proiezioni in termini di percentuale di veicoli elettrici venduti tra vent’anni (2040), ha rivelato che la gamma di queste proiezioni era compresa tra il 10% e il 70% della quota di mercato totale [11]. Ciò mostra chiaramente che non c’è consenso o intuizione convenzionale su quanto rapidamente i veicoli elettrici arriveranno a dominare il mercato delle autovetture.

L’assenza di consenso è un riflesso delle forze contraddittorie attualmente in gioco. Sebbene l’autore ritenga che una rapida transizione ai veicoli elettrici sia fondamentale per affrontare la principale questione di politica pubblica del nostro tempo, il cambiamento climatico, non ci sono garanzie che un ritmo rapido si verificherà. Il ritmo è un prodotto sia del progresso tecnologico che della resa dei conti da parte della società con la sfida del cambiamento climatico. Questo articolo rivela i principali fattori in gioco nel determinare il ritmo della transizione. Le sezioni successive illustreranno il motivo per cui i tassi di adozione dei veicoli elettrici sono scarsi fino ad oggi e le forze al lavoro per anticipare e ritardare le vendite.

Al momento, il forte sostegno governativo per i veicoli elettrici sta spingendo le vendite, ma alla fine il ritmo di questa trasformazione dipenderà da forze di mercato più favorevoli.

Impatto
sulla società Il motivo di fondo per i veicoli elettrici si basa sul fatto che le emissioni di CO2 dal settore dei trasporti sono grandi e crescono più rapidamente delle emissioni di altri settori. Le emissioni sono direttamente attribuibili ai combustibili a emissione di carbonio che alimentano il settore, ovvero i prodotti petroliferi benzina e diesel. Nel 2018, il settore dei trasporti è stato responsabile di circa il 14% di tutte le emissioni di gas serra (GHG) e un quarto delle emissioni derivate dalla combustione di combustibili fossili [12].

I veicoli passeggeri sono responsabili di gran parte (72%) delle emissioni del settore e sono la ragione principale dell’aumento delle emissioni del settore [12]. La sostituzione del carburante, quindi, è un elemento critico nella riduzione dell’impatto climatico proveniente dal settore dei trasporti.

L’impatto della sostituzione del carburante può, ovviamente, essere integrato da un aumento dell’efficienza del carburante, del car sharing, dei trasporti pubblici, ecc. Tuttavia, l’ubiquità della proprietà personale e del funzionamento delle automobili è onnipervasiva (alcuni hanno affermato che abbiamo creato un “auto -centrica ”basata sull’auto-mobilità) [13] e sembra improbabile che diminuisca presto. Il numero di automobili sulle nostre strade ha raggiunto 1 miliardo nel 2010 e ora si attesta a 1,25 miliardi. Alcune proiezioni ora prevedono un totale di 2 miliardi di automobili sulle nostre strade entro il 2035 [14].

In secondo luogo, è ormai ben stabilito che i veicoli elettrici hanno un impatto di CO2 notevolmente inferiore, nella stragrande maggioranza dei paesi, rispetto ai veicoli passeggeri convenzionali [9,15,16]. Quanto siano i veicoli elettrici più puliti è un calcolo complicato che coinvolge diverse variabili, tra cui l’efficienza operativa dei veicoli elettrici e convenzionali e i livelli di carbonio dell’elettricità fornita ai veicoli elettrici (così come i livelli di carbonio dei prodotti petroliferi raffinati).

Il mix di combustibili primari nella produzione di elettricità varia da paese a paese e da città a città all’interno dei paesi. L’Agenzia internazionale per l’energia (IEA) ha calcolato che l’attuale intensità media di carbonio dell’elettricità globale è di 518 gCO2 / kWh, una quantità alla quale i veicoli elettrici tipici sono più puliti della maggior parte dei veicoli convenzionali [9]. Ancora una volta, questa media non tiene conto della grande variazione dell’elettricità ad alta intensità di carbonio tra i paesi, come la variazione tra Polonia e Norvegia.

La buona notizia è che con il previsto maggiore utilizzo di energia rinnovabile nella produzione di elettricità in futuro, i veicoli elettrici diventeranno ancora più puliti nel tempo. Gli sviluppi nel settore energetico, quindi, avranno un’influenza diretta sui benefici sociali che possiamo aspettarci dalla trasformazione dei veicoli elettrici nel settore dei trasporti.

Man mano che la rete elettrica diventa più pulita, i veicoli elettrici daranno anche un contributo significativo alla riduzione dell’inquinamento atmosferico locale, che rimane il più mortale di tutti gli impatti derivanti dalla combustione di combustibili fossili [17]. Ancora una volta, il calcolo dell’impatto dei veicoli elettrici sulla riduzione dell’inquinamento locale è complicato.

L’assenza di inquinanti dallo scarico nei veicoli che attraversano fitte popolazioni urbane è un ovvio vantaggio. Tuttavia, se significa la produzione di più elettricità sporca nella centrale elettrica, e se le emissioni della centrale vanno alla deriva in questi densi conclavi urbani, si otterranno scarsi risultati positivi sull’inquinamento atmosferico. L’analisi site-specific, quindi, è necessaria per determinare l’entità dei benefici dell’inquinamento atmosferico derivati ​​dalla trasformazione dei veicoli elettrici.

Forse il modo migliore di pensare agli impatti dell’inquinamento atmosferico globale e locale del lancio di veicoli elettrici, quindi, è riconoscere che la sua importanza dipende da miglioramenti sinergici e interconnessi nella generazione di elettricità.

Ancora un altro vantaggio della trasformazione dei veicoli elettrici sarà la riduzione delle importazioni di petrolio derivante dalla diminuzione delle vendite di benzina e diesel [12]. La produzione di petrolio su larga scala è concentrata in relativamente pochi paesi, alcuni dei quali sono politicamente instabili. 

Questa instabilità crea condizioni che portano a fluttuazioni dei prezzi e insicurezze nell’offerta. L’elettricità, al contrario, può spesso essere prodotta da risorse domestiche, in particolare se queste risorse sono rinnovabili. Il ritiro del petrolio dal sistema di approvvigionamento energetico, quindi, può portare a una maggiore sicurezza dei prezzi e dell’approvvigionamento.

In sintesi, ci sono buone ragioni per credere che il passaggio ai veicoli elettrici comporterà significativi benefici per la società. Detto questo, tuttavia, è importante ricordare che, a differenza dei segmenti di popolazione “innovatori” o “early adopter”, il pubblico più ampio generalmente farà acquisti di automobili non sulla base del raggiungimento di obiettivi sociali, ma piuttosto in base al gusto personale.

I proprietari vogliono credere che ci siano vantaggi specifici che maturano da soli attraverso l’acquisto di un modello di veicolo rispetto a un altro. Questi vantaggi percepiti possono essere funzionali (come convenienza, affidabilità e comfort) o possono essere simbolici (indicativi di status sociale o appartenenza a un gruppo) [18].

È importante sottolineare, quindi, che ci sono già alcuni vantaggi funzionali e simbolici dei veicoli elettrici che attireranno la popolazione generale. Nella sezione che segue, i vantaggi personali descritti riguardano i proprietari di veicoli completamente elettrici (BEV). Chi possiede veicoli ibridi plug-in (PHEV), ovviamente, vedrà meno vantaggi rispetto a quelli descritti.

Riferimenti

  1. Union of Concerned Scientists. What Are Electric Cars? Available online: https://www.ucsusa.org/resources/ what-are-electric-cars (accessed on 17 July 2020).
  2. Cutcliffe, S.H.; Kirsch, D.A. The electric vehicle and the burden of history. Environ. Hist. 2001, 6, 326–328.
    [CrossRef]
  3. Sovacool, B.K. Early modes of transport in the United States: Lessons for modern energy policymakers. Policy Soc.
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  4. Victor, D.; Geels, F.; Sharpe, S. Accelerating the Low Carbon Transition; Brookings Institution: Washington, DC, USA, 2019.
  5. Project Drawdown. The Drawdown Review: Climate Solutions for a New Decade; A publication of Project Drawdown: San Francisco, CA, USA, 2020.
  6. MacDuffie, J. The Future of Electric Cars is Brighter with Elon Musk in It. 2018. Available online: https://www.
    nytimes.com/2018/10/01/opinion/elon-musk-tesla.html?searchResultPosition=1 (accessed on 27 April 2020).
  7. Kennedy, S. China’s Risky Drive into New-Energy Vehicles; Ctr Strat. & Int. Studies: Washington, DC, USA, 2018.
  8. Global BEV & PHEV Sales for 2019. Available online: https://www.Ev-volumes.com (accessed on 27 April 2020).
  9. International Energy Agency. Global EV Outlook. Available online: https://www.iea.org/reports/global-ev- outlook-2019 (accessed on 17 July 2020).
  10. Rogers, E. Diffusion of Innovations, 3rd ed.; Simon & Schuster: New York, NY, USA, 2003.
  11. Kah, M. Electric Vehicle Penetration and Its Impact on Global Oil Demand: A Survey of Forecast. Trends; A publication of the Columbia Center on Global Energy Policy: New York, NY, USA, 2019.
  12. Wang, S.; Ge, M. Everything You Need to Know About the Fastest-Growing Source of Global Emissions: Transport; World Resources Institute: Washington, DC, USA, 2019.
  13. Urry, J. The system of automobility. Theory Cult. Soc. 2004, 21, 25–39. [CrossRef]
  14. Voelcker, J. Two Billion Vehicles Projected to be on Roads by 2035. Green Car Reports. 2014. Available online: https://www.csmonitor.com/Business/In-Gear/2014/0729/Two-billion-vehicles-projected-to-be- on-roads-by-2035 (accessed on 27 April 2020).
  15. Knobloch, F.; Hanssen, S.V.; Lam, A.; Pollitt, H.; Salas, P.; Chewpreecha, U.; Huijbregts, M.A.J.; Mercure, J.-F. Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time. Nat. Sustain. 2020, 3, 437–447. [CrossRef] [PubMed]
  16. U.S. Department of Energy. Emissions from Hybrid and Plug-In Electric Vehicles. Available online: https:
    //afdc.energy.gov/vehicles/electric_emissions.html (accessed on 21 April 2020).
  17. Schnell, J.L.; Naik, V.; Horowitz, L.W.; Paulot, F.; Ginoux, P.; Zhao, M.; Horton, D.E. Air quality impacts from the electrification of light-duty passenger vehicles in the United States. Atmos. Environ. 2019, 208, 95–102. [CrossRef]
  18. Axsen, J.; Sovacool, B.K. The roles of users in electric, shared and automated mobility transitions. Transp. Res. Part. D Transp. Environ. 2019, 71, 1–21. [CrossRef]

More information: Ian Miller et al. Hourly Power Grid Variations, Electric Vehicle Charging Patterns, and Operating Emissions, Environmental Science & Technology (2020). DOI: 10.1021/acs.est.0c02312

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