Dal pozzo alla ruota (WTW): ecco come confrontare l’ efficienza energetica dei veicoli con diverse motorizzazioni, nel nuovo articolo del nostro Vittorio Milani. Qui tutti gli articoli della rubrica “La stanza dell’ingegnere”
Vediamo un pò più a fondo come si misurano le emissioni dal pozzo alla ruota con la metodologia di analisi WTW (Well-To-Wheels) utilizzata per valutare l’efficienza energetica complessiva delle varie soluzioni di mobilità. E con qualche considerazione a margine.
Da diversi anni la comunità scientifica ha messa a punto una metodologia chiamata WTW (Well-To-Wheels). Il suo scopo è
valutare un “sistema di mobilità” nel suo insieme, partendo dall’estrazione della materia prima (o dalla fonte primaria di energia) e arrivando all’utilizzo finale con l’obiettivo di valutare:
– La quantità di CO2 emessa lungo tutto il percorso
– L’efficienza energetica, ovvero quanta parte dell’energia “estratta” all’inizio finisce in lavoro utile alla fine.
Le due cose sono ovviamente collegate, in quanto un sistema più efficiente richiede meno energia e quindi, se questa è prodotta in tutto o in parte da combustione fossile, riduce le emissioni di CO2. In questo articolo ci soffermeremo sul secondo aspetto, cioè guarderemo il WTW solo dal punto di vista dell’efficienza energetica.
Obiettivi del WTW e differenza con l’analisi LCA
Spesso si sente parlare anche dell’analisi del ciclo di vita (LCA – Life Cycle-Assesment). In effetti, LCA e WTW sono entrambe metodologie utilizzate per valutare l’impatto ambientale/energetico, e si sovrappongono in parte, ma abbracciano fasi diverse del ciclo di vita.
Semplificando, possiamo dire che l’analisi del ciclo di vita (LCA) valuta l’impatto ambientale/energetico di un prodotto, processo o servizio lungo l’intero ciclo di vita, dalla culla alla tomba, cioè dalla primissima fase di produzione all’eliminazione.
L’analisi WTW invece si concentra sull’impatto ambientale/energetico primariamente nelle valutazioni dei
vari sistemi di trasporto, considerando l’efficienza associata all’energia consumata. In pratica il WTW non considera l’energia utilizzata per costruire il sistema stesso, né le infrastrutture necessarie per far funzionare il tutto, né gli aspetti di fine vita degli stessi, e nemmeno i costi per la società complessivi, come le aree di costo sanitario, sociale o altro. Il vantaggio è che, riducendo l’ambito di analisi, si riduce l’incertezza, e si riescono ad ottenere risultati più precisi e attendibili per confronti pratici fra i vari sistemi di mobilità.
Efficienza energetica: cos’è esattamente?
Quando mi capitava di fare colloqui di assunzione, chiedevo con un certo sadismo la differenza tra efficacia ed efficienza. Pochi, tra coloro che NON avevano condotto studi tecnico-scientifici, superavano di slancio l’ostacolo.
Allora chiariamo la faccenda, non dando nulla per scontato. Il termine “efficacia” definisce la capacità di un sistema, un processo o un’attività di raggiungere gli obiettivi stabiliti.
“Efficienza” indica “come” il sistema riesce a raggiungere gli obiettivi in termini di minor consumo possibile di risorse, come
tempo, denaro, energia o materiali. E adesso parliamo proprio di efficienza.
Un processo qualsiasi è definito da una quantità di energia in ingresso E in e una in uscita E out . La prima rappresenta l’energia consumata, la seconda l’energia utile ai nostri utilizzi:
L’efficienza energetica si esprime come il seguente rapporto (il simbolo si pronuncia “eta”):
Nota: in questo articolo useremo indistintamente “rendimento” come sinonimo “efficienza”.
Il risultato sarà quindi un numero tra 0 e 1 (ovvero tra 0% e 100%) che esprime quanta parte dell’energia utilizzata (Input) il sistema è riuscito a trasformare in energia utile (output).
Per esempio, nel caso di un’auto termica, l’input è l’energia chimica potenziale contenuta in una certa quantità di benzina e l’output è l’energia meccanica che arriva alle ruote utilizzata per far avanzare il mezzo (di quanti km poi dipende dalle condizioni: pianura o salita, velocità, attriti, ecc..). Più questo numero è alto e minore sarà lo spreco di energia per ottenere lo stesso risultato, e quindi avremo un’efficienza energetica (o rendimento) più alto.
Ne consegue che la perdita energetica del processo risulterà:
Perdita = E in – E out .
Per produrre lavoro si perde sempre energia
Nessuna macchina può avere un rendimento pari al 100%. Se così fosse si potrebbe usare l’energia di OUTPUT e rimetterla in ingresso come INPUT, ottenendo il moto perpetuo, cosa che non si è mai vista e mai si vedrà. E sappiamo anche che l’energia definita come “perdita” non sparisce nel nulla ma è semplicemente calore che si disperde nell’ambiente.
Quindi la domanda, del tutto legittima è: perché per ottenere lavoro si deve per forza perdere una quota perde energia? E quanta?
I motivi sono diversi e dipendono dal tipo di sistema. Se parliamo di processi termodinamici (dove il lavoro si ottiene dal calore) la perdita è rappresentata dall’energia termica del fluido che si trova in condizioni di temperatura ancora relativamente alte ma non più utilizzabile per il processo specifico (ad esempio per un normale motore a benzina a ciclo otto).
In altre parole, il processo di una specifica macchina termica “rinuncia” a continuare ad estrarre lavoro dal fluido a quella temperatura e pressione e “preferisce” scartarlo piuttosto che “perdere tempo” per continuare ad estrarre una quantità di energia sempre più
ridotta.
Un esempio pratico giusto per fissare questo concetto: i motori a ciclo Atkinsons sono simili ai comuni motori a ciclo otto ma prevedono una corsa del pistone nella fase attiva (quella con i gas caldi che spingono) più lunga rispetto a quella di aspirazione (ottenuta tramite complessi manovellismi) in modo da
estrarre il più possibile energia dal gas combusto prima di scaricarlo all’esterno.
Tuttavia, a fronte di un effettivo aumento dell’efficienza energetica, la potenza si riduce perché diminuiscono i giri-minuto del motore, che evidentemente perde tempo in questo allungamento della fase di espansione per cercare di “succhiare” più energia possibile. Per questo motivo il normale ciclo otto preferisce scartare l’energia poco utilizzabile per riportare il ciclo termodinamico alle condizioni iniziali, e riavviare velocemente il ciclo successivo (che può essere anche un ciclo continuo, come nelle centrali termiche con turbine a vapore).
In alcuni casi, quando possibile, questo calore è recuperato per utilizzi secondari, ad esempio per il teleriscaldamento che utilizza il calore residuo delle centrali termiche o degli inceneritori). Ecco perché vediamo quelle enormi torri di
raffreddamento delle centrali termonucleari che “sprecano” enormi quantità di calore, oppure non osiamo mettere una mano davanti al tubo di scarico di un auto termica…
Sembra assurdo disperdere tutta quell’energia. Eppure…
Sembra una cosa assurda disperdere tutta quell’energia, ma sono le dure leggi della termodinamica. Nella vita di tutti i giorni, usando un’auto termica, buttiamo via una grande quantità di calore ottenuto bruciando benzina (pagata profumatamente)
per poi tornare a casa e produrre di nuovo calore per riscaldarci bruciando gas metano (pagato profumatamente). Sembra assurdo, e in effetti lo è.
Tutto quanto detto vale per i processi termodinamici, che utilizzano il calore per ottenere lavoro meccanico. Ma non tutti i motori sono di questo tipo, come nel caso delle auto elettriche. Tuttavia, anche in queste macchine, che hanno comunque un rendimento molto più alto, la fisica ci dice che è impossibile
evitare dispersioni e attriti (sia di natura meccanica sia di tipo elettrico). Quindi, concludendo, in ogni caso e con qualsiasi tecnologia dobbiamo aspettarci che una certa quantità energia si perde ad ogni stadio di una trasformazione.
È il prodotto che fa la somma
Chiarito il concetto di efficienza e come si misura, immaginiamo ora un assieme di dispositivi che utilizzano energia collegati in cascata nei quali l’energia fluisce da uno all’altro subendo trasformazioni (per esempio la sequenza motore- cambio – ruote).
In ognuno di questi stadi una quota più o meno rilevante dell’energia in ingresso si perde per diversi motivi, per cui, come detto, l’uscita non sarà mai uguale all’ingresso. Se conosciamo il rendimento di ciascun elemento della catena, come si ottiene il rendimento complessivo? Semplice, basta eseguire il prodotto dei
valori di rendimento di ciascuno di essi (espressi in valori da 0 a 1). Si capisce che basta un solo elemento con un rendimento molto basso per “distruggere” l’efficienza complessiva dell’intero sistema.
L’analisi WTW, guardiamoci dentro
Iniziamo ad addentrarci finalmente nell’analisi WTW. Prima però una premessa doverosa: i dati che mostro sono una sorta di media di quello che ho trovato pubblicato in vari studi e pubblicazioni in rete. Non pretendono di essere “la verità”, che peraltro in questo tipo di studi è ben difficile da trovare, stante l’enorme numero delle variabili in gioco, e su una realtà oltretutto in perenne evoluzione.
Tornando al nostro tema, osserviamo che normalmente il WTW si divide in due fasi: il WTT (Well-To-Tank, dal pozzo al serbatoio) e TTW (Tank-to-Wheel, dal serbatoio alle ruote). È un sistema utile per evidenziare le caratteristiche delle fasi legate alla produzione del “carburante” (WTT) e di quelle legate all’utilizzatore finale (TTW). Una volta inquadrato il problema, vediamo di capire cosa succede lungo la catena energetica
dell’auto termica, e poi dell’auto elettrica.
Spoileriamo subito che mentre per la prima le cose sono abbastanza semplici, la seconda richiede dei distinguo più articolati.
Analisi WTW per le auto termiche
Vediamo per primo il WTT (dal pozzo al serbatoio) delle classiche auto termiche che utilizzano benzina o gasolio come carburante:
-Estrazione e trasporto petrolio greggio: 85%-90% (il dato varia molto a seconda del tipo di giacimento; oggi i giacimenti più facilmente sfruttabili stanno diminuendo per cui le tecniche di estrazione sono sempre più energivore come il fracking per estrarre il petrolio dalle rocce di scisto).
– Raffinazione: 85%-90% (è una stima piuttosto grossolana, non ho trovato in realtà dati certi in merito)
– Trasporto alla pompa: 99%
Facendo il conto risulta che il WTT (dal pozzo al serbatoio) si attesta intorno al 77%-82%. Dunque, una fetta significativa di energia primaria (cioè contenuta nel petrolio greggio) se ne è già andata per portare il carburante raffinato alla pompa della stazione di servizio.
Ma il peggio deve ancora arrivare, con la seconda parte, quella dal serbatoio alla ruota (TTW). Ed è proprio in questa fase che abbiamo lo spreco più rilevante, perché, come noto, i motori endotermici sono in grado di trasformare in energia meccanica solo una parte limitata dell’energia del carburante.
Basiamoci sui seguenti dati per fare due conti (ribadiamo che
sono dati ampiamente suscettibili di variazione a seconda della situazione):
Powertrain motore Otto (benzina):
– Motore: 25% (condizioni operative reali, non al banco)
– Trasmissione e attriti meccanici: 93%
– Sistemi ausiliari: 95%
– Totale TTW veicolo ICE con motore Otto: 22 %
–
Powertrain motore Diesel
– Motore: 35% (condizioni operative reali, non al banco)
– Trasmissione: 93%
– Sistemi ausiliari: 95%
– Totale TTW veicolo ICE con motore Otto: 31%
Calcoliamo quindi il rendimento TTW (dal serbatoio alla ruota) :
-TTW benzina 0,25 * 0,93 * 0,95 = 0,22 ovvero 22 %
-TTW diesel: 0,35 * 0,93 * 0,95 = 0,31 quindi 31%
A questo punto non resta che calcolare il WTW finale applicando la formula WTW = WTT * TTW; i risultati sono mostrati in figura, ci dicono che siamo in un intervallo tra 16%-25%. Davvero molto basso.
In conclusione, l’analisi WTW dei veicoli termici dal pozzo alla ruota ci mostra in modo chiaro quanta poca energia contenuta nella fonte primaria, cioè nel petrolio che se ne stava tranquillo sottoterra, si riesca a trasformare in lavoro alle ruote.
Tutta l’energia non sfruttata, e parliamo di oltre l’80%, si è trasformata in calore non utilizzabile e disperso nell’ambiente.
WTW dei veicoli elettrici: tutto dipende dal mix energetico
Occupiamoci ora del WTW dei veicoli elettrici. Iniziamo dalla prima fase, cioè dalla produzione dell’energia fino alla batteria dell’auto, e le cose si complicano già in quanto abbiamo diversi modi di produrla con rendimenti molto differenti. Per questo motivo l’analisi WTT non può prescindere dal mix di produzione dell’energia elettrica che si prende come riferimento, che cambia molto da paese a paese.
Prendendo l’intero mondo come riferimento, ancora oggi la maggior parte delle centrali elettriche dipende dal carbone e dal gas naturale come combustibile nella misura di circa il 40 % e il 20 % rispettivamente.
Come si produce l’energia elettrica fa tutta la differenza del mondo. Abbiamo visto che nel caso delle auto termiche la maggior parte dello spreco avviene nel TTW (dal serbatoio alle ruote) a causa della inefficienza dei motori endotermici; nel caso delle BEV è esattamente l’opposto: lo spreco maggiore potrebbe verificarsi nella fase WTT, sottolineando la parola “potrebbe”.
Infatti abbiamo diversi modi di produrre l’energia, ciascuno caratterizzato da valori di rendimento molto diversi
tra loro. I più utilizzati sono:
– Centrali a carbone: 32% -42%
– Centrali a gas: 35%-60%
– Rinnovabili (idro-FV-Eolico): 100% per definizione essendo a costo marginale nullo.
– Qui non consideriamo il nucleare per le implicazioni complesse che richiede.
Se l’energia è tutta termoelettrica…
Prima di arrivare alla centrale elettrica, sia il carbone sia il gas devono essere estratti e trasportati, con perdite che comportano un rendimento che stimiamo al 90% grossolanamente. Successivamente dobbiamo considerare le perdite elettriche dovute ai trasformatori e alla trasmissione dell’energia lungo la rete, mettiamoci un 90% di rendimento.
Usando questi dati, abbiamo per la produzione elettrica da fonti termiche un WTT (dalla miniera alla
colonnina) pari a 28% -49%.
Per quanto riguarda la fase TTW, dalla batteria alle ruote, abbiamo le perdite per la ricarica (che qua consideriamo sempre “interne” anche nel caso si utilizzi un caricatore esterno come nelle ricariche ad alta potenza). Calcoliamo il TTW usando questi valori di efficienza:
– Caricatore AC/DC: 90%
– Batteria (durante le fasi di utilizzo): 90%
– Motore: 95%
– Elettronica di regolazione della potenza dell’auto: 95%
– Trasmissione (riduttore) e sistemi ausiliari: 95%
Facciamo il prodotto di questi valori: otteniamo per le auto elettriche TTW = 69%. Non resta che calcolare il WTW totale per le auto elettriche con energia elettrica tutta da fonti fossili, che, come mostrato nella figura sotto, risulta tra 19%-34%.
…e se è tutta da fonti rinnovabili
Vediamo ora il WTW nel caso di produzione dell’energia elettrica tutta da fonti rinnovabili, nelle due ipotesi di produzione da centrali FER o da autoproduzione domestica. In quest’ultimo caso abbiamo considerato un 15% di perdite tra inverter e batteria di accumulo che normalmente si utilizza in queste soluzioni.
Commentiamo ora i due casi limite che abbiamo appena illustrato:
– se l’energia elettrica è prodotta tutta da centrali a carbone o a gas, il WTW di una BEV è paragonabile a quella di una ICE. Infatti, abbiamo un 19%-34% della BEV “da fossili” contro il 16-25% del benzina-diesel.
Quindi, in questo ampio range, è del tutto vero che un moderno diesel può, in situazioni favorevoli, superare per efficienza una BEV con energia prodotta da poco efficienti centrali fossili.
– Se invece l’energia elettrica è prodotta tutta da rinnovabili, la BEV risulta all’incirca tre volte più efficiente rispetto ad una ICE, con un WTW complessivo del 59% contro il 16-25%
Ma nel mondo reale la situazione per quanto riguarda la produzione dell’energia elettrica si pone in punti intermedi tra questi due estremi della scala, cioè tutto fossile e tutto rinnovabile. Vediamo un esempio di una situazione reale, prendendo un paese a caso: l’Italia.
Quindi, in Italia, come siamo messi?
Per prima cosa dobbiamo stabilire un dato medio di efficienza delle centrali termiche effettivamente utilizzate, oggi quasi tutte a gas. Assumiamo il 50% di rendimento medio (ottimistico). Ora dobbiamo stabile quanta energia OGGI si produce con le fonti rinnovabili. Secondo quanto ricavabile dalle pubblicazioni statistiche di Terna, la percentuale netta di energia prodotta da fonti rinnovabili del 2023 è stata pari al 43,8% (escluse importazioni nette). Un valore che certamente sorprenderà molti, ma è così.
Prendiamo come riferimento del mix questo dato per fare due conti per stabilire il WTW reale medio di un’auto elettrica in Italia (si vedano gli schemi mostrati prima per la comprensione dei calcoli)
-WTW elettrico se fosse 100% termico: 0,90 * 0,50 * 0,90 * 0,69 = 0,28
-WTW elettrico se fosse 100% rinnovabile: 0,85 * 0,69 = 0, 59 (come abbiamo visto).
Se pesiamo ora i due dati sulla base delle rispettive quote, 43,8% per le rinnovabili e quindi 56,2% per le fossili, otteniamo:
WTW elettrico mix italia = 0,28 * 0,562 + 0,59 * 0,438 = 0,16 + 0,26 = 0,42.
Dunque, il WTW delle auto elettriche in Italia con l’attuale mix energetico risulta pari al 42%. Ciò significa che già oggi in Italia le BEV risultano il doppio più efficienti delle auto benzina-diesel (che, abbiamo visto, hanno un WTW del 16%-24%, dove ovviamente il dato più basso si riferisce alla motorizzazione a benzina).
E con il passare degli anni, con il crescere continuo della quota di rinnovabili, la distanza sarà sempre maggiore.
Abbiamo dimentico l’idrogeno?
No, in realtà non lo abbiamo dimenticato. Lo abbiamo escluso in partenza perché, almeno per i prossimi anni, non sarà possibile metterlo in gara come alternativa green rispetto al sistema delle BEV pure.
Se oggi non ci sono di fatto auto a idrogeno che circolano per le strade (che sono poi auto elettriche con una piccola batteria al litio e simpatici bomboloni a 700 bar), nonostante la fissazione ammirevole di un molto noto marchio giapponese, una ragione ci sarà. Anzi, più di una ragione, ma non ne parliamo qui.
Come si può vedere dalla figura sotto, dove i dati sono puramente indicativi (è sempre difficile avere dati attendibili) ma rendono l’idea, il WTW è molto basso, siamo a livelli di quelli dell’auto termica a benzina, ma con enormi complicazioni (quindi costi) per renderlo praticabile. Si pensi solo alla creazione dell’infrastruttura distributiva e alla produzione della quantità di idrogeno necessario.
Ma attenzione: l’idrogeno svolgerà un ruolo fondamentale nella transizione energetica. Come sistema di accumulo, per il trasporto pesante (direttamente utilizzando fuel-cell o trasformato in carburante sintetico con cattura di CO2). E, in generale, per tutti i settori “hard to abate”. Avremo infine un crescente uso dell’idrogeno verde come riduttore nell’industria siderurgica.
La morale del WTW: bruciare è sempre una pessima idea
Sono diverse le conclusioni interessanti suggerite dall’analisi WTC, al di là dei freddi numeri. La prima, più scontata, riguarda il confronto tra ICE e BEV. E’ vero, le auto diesel possono essere effettivamente più efficienti delle auto elettriche. Ma solo se quest’ultime sono alimentate esclusivamente con energia elettrica prodotta da centrali a combustibili fossili a bassa efficienza.
Se, all’opposto, la produzione di energia elettrica è ottenuta al 100% da fonti rinnovabili, allora le BEV sono oltre tre volte più efficienti delle auto endotermiche. Ma anche con un mix che vede un’incidenza delle rinnovabili anche solo del 20% le BEV risultano già più efficienti; e va ricordato che nel mondo la quota di rinnovabili copre circa il 30% (40% se consideriamo anche il nucleare) ed è un dato in crescita esponenziale.
Ma la cosa più interessante che, a mio avviso, che ci insegna l’analisi WTC è che bruciare qualcosa per ottenere energia non è mai una buona idea, sia che avvenga nella prima fase, cioè nel WTT come nel caso delle centrali elettriche di tipo termico, oppure nella seconda fase, cioè nel TTW come nel motore endotermico.
Infatti, è proprio la combustione che abbassa drammaticamente l’efficienza complessiva del sistema. Per questo motivo si parla dell’elettrificazione di tutti i sistemi come passaggio obbligato per uscire dall’era del fossile, ovviamente con produzione dell’energia elettrica tutta da fonti rinnovabili.
Un mondo più efficiente è possibile
In un mondo, speriamo non troppo lontano, dove per riscaldarci useremo pompe di calore (che moltiplicano fino a 4/5 volte la resa energetica). E, per muoverci, auto o mezzi comunque elettrici. Con reti intelligenti, e tutto quello che serve per rendere l’intero sistema molto più efficiente, avremo un’enorme riduzione dell’energia primaria necessaria.
È una sfida enorme, richiederà decenni. Ci sono settori hard-to-abate per i quali oggi non abbiamo nemmeno lontanamente la capacità produttiva per fare tutto quello che serve. Così come non abbiamo bene chiaro come risolvere concretamente il problema dell’accumulazione di lungo periodo dell’energia per fronteggiare l’intermittenza delle rinnovabili (con un base-load nucleare? Oppure con l’idrogeno? O con le batterie al litio o al sodio? Con tutte queste cose?).
Ma, come sempre, di fronte alle grandi sfide si possono avere due atteggiamenti. Cercare le soluzioni o cercare i motivi per cui “non si può fare”. Magari negando i motivi alla base dell’urgenza della transizione energetica.
Ognuno giudichi da sé; ricordiamo solo che il 2023 è stato l’anno più caldo mai registrato per il pianeta terra da quando gli misuriamo la febbre.
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