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sistemi

Cappelaro, F.

Cellura, M.

Longo, S.

Masoni, P.

Lo sviluppo della trazione elettrica stradale, in particolare con l’uso di batterie al litio, è uno degli
approcci più promettenti alle problematiche di carattere ambientale e per la diversificazione delle
fonti di energia. Il lavoro descrive una delle attività svolta nell’ambito dell’Accordo di Programma
Ministero dello Sviluppo Economico ed ENEA sulla ricerca del sistema elettrico. In particolare
l’ENEA e il Dipartimento dell’Energia dell’Università di Palermo hanno condotto uno studio
di LCA delle batterie per autotrazione per valutare le prestazioni energetico-ambientali di questi
sistemi

Cappelaro, F

Masoni, P

CELLURA, Maurizio

LONGO, Sonia

Archivio istituzionale della ricerca - Università di Palermo

53Life Cycle Assessment di sistemi per leauto elettricheFrancesca Cappellaro francesca.cappellaro@enea.it, Paolo Masoni – ENEA, BolognaMaurizio Cellura, Sonia Longo – Università di PalermoRiassuntoLo sviluppo della trazione elettrica stradale, in particolare con l’uso di batterie al litio, è uno degliapprocci più promettenti alle problematiche di carattere ambientale e per la diversificazione dellefonti di energia. Il lavoro descrive una delle attività svolta nell’ambito dell’Accordo di Program-ma Ministero dello Sviluppo Economico ed ENEA sulla ricerca del sistema elettrico. In particola-re l’ENEA e il Dipartimento dell’Energia dell’Università di Palermo hanno condotto uno studiodi LCA delle batterie per autotrazione per valutare le prestazioni energetico-ambientali di questisistemi.SummaryThe electric mobility development, especially using the lithium-ion batteries for electric vehicles,is one of the most promising approach to solve the environmental issues and for the differentia-tion of the energy sources. The work describes one of the activities carried out in the context of theresearch of electric system under the national programme of the Italian Ministry of EconomicDevelopment and ENEA, Italian Agency for New Technology, Energy and Sustainable economicdevelopment. ENEA and Energy Department of University of Palermo realized an LCA study onthe batteries with the aim to assess the energy and environmental performances of these systems.1. IntroduzioneSulla mobilità elettrica, a livello internazionale, il dibattito scientifico è intenso e numerosesono le attività di ricerca in corso. Sono molteplici anche le potenziali aree di miglioramentodelle prestazioni energetico-ambientali, alcune delle quali riguardano il peso del veicolo, laproduzione della batteria, il mix energetico di generazione dell’energia elettrica impiegata peralimentare l’autotrazione, l’efficienza energetico-ambientale del sistema e anche i diversi stili divita e di mobilità [1]. Con riguardo agli aspetti più propriamente ingegneristici, il ruolo dellabatteria elettrica è uno dei parametri significativi nel miglioramento dell’eco-profilo della “mo-bilità elettrica”. Per tale ragione, studi sulle batterie elettriche incentrati su un approccio diciclo di vita appaiono importanti, anche per evitare di spostare gli impatti ambientali da unafase all’altra del ciclo di vita della tecnologia indagata. L’ENEA e il Dipartimento dell’Energiadell’Università degli Studi di Palermo hanno condotto uno studio di Life Cycle Assessment(LCA) per valutare gli impatti energetico – ambientali connessi alle batterie di avviamentocostituite da celle basate sulla tecnologia ferro-fosforo da impiegare nelle auto elettriche. Laricerca è stata svolta nell’ambito dell’Accordo di Programma MSE-ENEA che prevede diversi54studi ed applicazioni relativi al settore dei nuovi materiali e dei componenti innovativi per ilsistema elettrico. Tra le attività previste dall’Accordo di Programma vi sono una ricerca dedi-cata allo sviluppo di metodologie di progettazione, realizzazione ed assemblaggio di materialie strutture leggere e riciclabili; un’altra sul tema dei sistemi di accumulo elettrico (sviluppo dibatterie modulari di piccola taglia e/o a ricarica rapida) e delle infrastrutture di ricarica; infineuna linea di ricerca è rivolta al tema dell’azionamento (sviluppo di prototipi di veicoli e sistemidi trazione) ed è all’interno di quest’ultima che è stato realizzato lo studio di LCA delle batterieper autotrazione.2. Relazione2.1. Le batterie al Li-IoneLe batterie al litio costituiscono un sistema complesso ed integrato di chimica, elettrochimica,ingegneria ed elettronica. Il sistema “batteria” è costituito dalle singole celle o moduli, dalsottosistema di gestione e controllo (BMS, Battery Management System) e dal sottosistema dicondizionamento termico. L’uso di batterie al litio nei veicoli elettrici ed ibridi è uno degliapprocci più promettenti per la soluzione dei problemi di carattere ambientale e per la diversi-ficazione delle fonti di energia [1]. I costi attuali delle batterie al litio non consentono però unamassiccia diffusione dei sistemi elettrici, per cui, vista anche l’assenza di produttori nazionaliper le batterie avanzate, si è reso quindi necessario un ulteriore sforzo di ricerca e sviluppomirato a creare le giuste condizioni per la penetrazione nel mercato nazionale. Un valido ap-proccio per conseguire la diminuzione dei prezzi è rappresentato dall’adozione di elementimodulari standard, che consentirebbero ad un ipotetico operatore economico di poter soddi-sfare le esigenze delle varie applicazioni gestendo un medesimo prodotto e ciò si tradurrebbein alti volumi di produzione, o acquisto, e quindi in un contenimento dei prezzi. La modulari-tà, associata ad infrastrutture di ricarica rapida, permetterebbe anche di conseguire una ridu-zione del peso del pacco batterie e dell’intero veicolo, altro fattore limitante delle prestazionidei mezzi in quanto peggiorativo dal punto di vista dei consumi in fase d’uso.2.1.1 Aspetti energetico-ambientali delle batterieLa possibilità di riduzione dei consumi energetici, delle emissioni di gas serra e di altri impattiambientali legati all’elettrificazione del trasporto sono dipendenti dai pathway di produzione edi utilizzo dell’energia elettrica, nonché dal ciclo di produzione di componenti innovativi comele batterie di nuova generazione. La realizzazione di veicoli a basso impatto ambientale concaratteristiche competitive in termini di prestazioni e sostenibilità, quest’ultima intesa comecosti economici ed impatto ambientale, dipende quindi dai materiali, componenti, tecnologiee processi ad alto grado di innovazione, per i quali vi è la necessità di valutare gli impatti e ibenefici ambientali in maniera scientificamente affidabile. Come dimostrano anche le recentipolitiche europee su ambiente, energia, risorse e rifiuti [2,3,4,5,6], a cui si sono affiancateanche numerose iniziative private, la metodologia Life Cycle Assessment è diventata semprepiù uno strumento necessario per valutare i potenziali impatti di prodotti industriali già in fasedi progettazione, considerando tutte le fasi della loro vita, dall’estrazione delle materie primefino allo smaltimento finale. Attraverso questa visione olistica e di sistema, l’LCA consenteinfatti di evitare lo spostamento dei carichi ambientali da uno stadio all’altro del ciclo di vita,ottenendo una valutazione complessiva delle prestazioni energetico-ambientali di processi,prodotti, sistemi e tecnologie.552.1.2 Studi di LCA sulle batterieA livello internazionale esistono studi di LCA sui combustibili per i veicoli elettrici, ma traquesti sono ancora pochi quelli che si focalizzano sugli impatti energetico-ambientali dellebatterie [7,8]. I risultati sono presentati in forma altamente aggregata e senza riportarne gliinventari e ciò ne limita fortemente l’usabilità e la significatività fisica. Dagli studi, in particola-re i più recenti [9, 10, 11, 12], risulta che la fase d’uso ha un significativo impatto sul ciclo divita della batteria. In particolare, sebbene il litio (Li) sia presenta nella crosta terrestre con unaconcentrazione inferiore a 0,01% e quindi si debba considerarlo un metallo a scarsa disponibi-lità, in una batteria a Li-Ione il contenuto di litio è molto piccolo (circa 0,7% – 1,4% in peso )e quindi è piccolo anche il suo impatto sulla categoria Abiotic Resource Deplation. Inoltre,essendo il processo di estrazione e raffinazione del litio non particolarmente energivoro, èminimo anche il suo contributo ad altre categorie di impatto correlate con il consumo energe-tico. Invece gli altri metalli presenti nella batteria e nel BMS e i relativi processi di produzionedanno un contributo significativo agli impatti complessivi. Un aspetto ancora da approfondireriguarda infine il potenziale di risparmio di risorse derivanti dal riciclaggio delle batterie.2.3 Caso studio di LCA delle batterie Li-IoneLo studio di Life Cycle Assessment delle batterie di avviamento per autotrazione di ultimagenerazione è stato realizzato dal Dipartimento dell’Energia dell’Università di Palermo e daENEA, in accordo alle norme della serie ISO 14040 [13,14] e all’International Reference LifeCycle Data System ILCD Handbook[15, 16, 17, 18], linee guida internazionali per redigerestudi LCA. In conformità con lo standard internazionale ISO 14040 la realizzazione dellostudio di LCA ha comportato la raccolta dei dati relativi a tutte le fasi del ciclo di vita, lavalutazione degli impatti e l’interpretazione dei risultati.2.3.1 Obiettivo dello studio e campo di applicazioneL’obiettivo dello studio è l’applicazione della metodologia LCA per la valutazione degli impat-ti energetico – ambientali connessi al ciclo di vita di tre tipologie di batterie di avviamentocostituite da tre differenti tipologie di celle basate sulla tecnologia ferro-fosforo (LiFePO4) deltipo HP-PW prodotte da un’azienda leader a livello mondiale. In particolare sono state sele-zionate le seguenti Unità Funzionali:– UF1: N.1 batteria con celle al LiFePO4 del tipo HP-PW-30AH;– UF2: N.1 batteria con celle al LiFePO4 del tipo HP-PW-60AH;– UF3: N.1 batteria con celle al LiFePO4 del tipo HP-PW-100AH.Ogni unità funzionale è costituita dai seguenti componenti principali:– N.4 celle del tipo HP-PW;– Box di contenimento della batteria, in acciaio inox;– Sistema di raffreddamento della batteria, in acciaio inox;– Battery Management System, costituito da una scheda elettronica, un lettore di corrente e daicavetti per le connessioni alle singole celle.I confini del sistema includono (Figura 1):– Produzione dei principali componenti della batteria;– Uso della batteria;– Manutenzione della batteria;– Processo di trattamento alla fine della vita utile della batteria.56A causa di carenza di dati rappresentativi, sono state escluse dall’analisi le seguenti fasi:– Assemblaggio della cella;– Trasporti delle materie prime dal luogo di produzione a quello di utilizzo;– Trasporto della batteria dal luogo di assemblaggio a quello di utilizzo;– Trasporto della batteria dal luogo di utilizzo all’impianto di trattamento/smaltimento;– Consumo degli imballaggi, sia quelli utilizzati per l’approvvigionamento dei componentinecessari a realizzare la batteria, sia quelli impiegati per la batteria stessa.2.3.2 Analisi d’inventario e valutazione degli impattiCome indicato in precedenza la metodologia LCA è stata applicata a 3 differenti tipologie dibatterie di avviamento al LiFePO4 del tipo HP-PW. I dati dello studio sono stati forniti dal-l’azienda produttrice che però ha comunicato solo le informazioni relative ai materiali checostituiscono la cella e al loro peso percentuale sul totale. Per gli altri dati si è fatto riferimentoa stime (materiali e relative masse del box batteria e consumo di energia in fase d’uso) e a datidi letteratura (Battery Management System, sistema di raffreddamento, impatti connessi al finevita, eco-profili di materiali ed energia). Gli indici energetico-ambientali selezionati per sinte-tizzare i dati di inventario e per stimare gli impatti connessi al ciclo di vita delle batterie inesame sono stati:– Consumo di energia primaria rinnovabile e non rinnovabile;– Potenziale del riscaldamento globale (Global Warming Potential – GWP);– Distruzione dello strato di ozono (Ozone Depletion Potential – ODP);– Formazione di ossidanti fotochimici (Photochemical Ozone Creation Potenzial – POCP);– Eutrofizzazione potenziale (Eutrophication Potential – EP);– Acidificazione potenziale (Acidification Potential – AP).I dati relativi al ciclo di vita del sistema in esame, una volta raccolti, sono stati implementati nelsoftware LCA SimaPro7, utilizzando come metodi di valutazione degli impatti il CumulativeEnergy Demand (CED) per la stima del consumo di energia primaria rinnovabile e non rinno-vabile e l’EDP 2008 per gli altri impatti ambientali.I risultati sono illustrati in Tabella 1 e 2.Fig. 1 – Confini del sistema della batteria.573. ConclusioniLo studio di LCA ha permesso di stimare le prestazioni energetico- ambientali connesse alciclo di vita di batterie di avviamento basate sulla tecnologia ferro-fosforo da impiegarenelle auto elettriche. Relativamente al consumo di energia primaria i risultati ottenuti han-no evidenziato che la fase d’uso delle batterie è responsabile dei maggiori impatti energe-tico–ambientali (dal 56 al 65%) durante l’intero ciclo di vita. Trascurabile risulta invece lafase di fine vita, i cui impatti sono pari circa al 2% del totale. La fase di produzione incidesul totale degli impatti energetico-ambientali per una percentuale variabile dal 35 al 44%.I parametri che maggiormente influenzano l’eco-profilo della batteria sono la vita utile, ledimensioni, il processo produttivo, i materiali impiegati per la produzione, oltre che il mixenergetico impiegato per alimentare la batteria, nel caso in specie si è ipotizzato che labatteria utilizzi energia elettrica prodotta considerando il mix energetico europeo. Occor-re sottolineare che nel corso dello studio di LCA si sono riscontrate alcune limitazionicausate dalla scarsa disponibilità di dati primari, ossia dei dati ottenuti dai produttori chehanno fornito solo alcune informazioni relative ai materiali e ai componenti delle celle, cherappresentano l’elemento fondamentale della batteria. Ulteriori sviluppi della ricerca po-trebbero consistere nell’utilizzare l’analisi di LCA per valutare le prestazione energetico-ambientali di altri componenti e materiali innovativi sviluppati nell’ambito dell’Accordodi Programma MSE-ENEA, come ad esempio i moduli integrati completi di BMS, i siste-mi di ricarica rapida, i materiali metallici cellulari, i materiali cellulari ibridi polimerometallo, i materiali compositi a base di fibre naturali e le schiume metalliche ad AluminumFoam Sandwich AFS. La LCA può infatti costituire un valido strumento di supporto pervalutare le potenzialità dei componenti e dei materiali innovativi al fine di ridurre l’impat-to ambientale complessivo di un veicolo. UF1 UF2 UF3 GWP (kgCO2eq)  166,8 297,2 486,5 POCP (kg C2H4eq)  0,10 0,17 0,28 ODP (kg CFC-11eq)  2,4E-03 4,3E-03 7,2E-03 AP (kg SO2eq)  1,01 1,79 2,94 EP (kg PO43-eq)  1,11 2,02 3,37  UF1 UF2 UF3 Consumo di energia primaria totale (MJ) 2575,13 4669,08  7647,94 MJ Consumo di energia primaria per la fase di produzione (MJ) 1070,40 1643,30 2525,14 Consumo di energia primaria per la fase d’uso (MJ) 1449,60 2927,90 4959.60 Consumo di energia primaria per la fase di fine vita (MJ) 55,20 97,90 163,20  Tab. 1 – Valutazione degli impatti ambientali (EDP, 2008).Tab. 2 – Consumo di energia primaria (CED).58Bibliografia[1]Frischknecht R., Flury K., “Life cycle assessment of electric mobility: answers and challenges”, Zurich,April 6, 2011, Int J Life Cycle Assess (2011) 16:691–695 DOI 10.1007/s11367-011-0306-6;[2]COM (2005) 666, 2005, “Portare avanti l’utilizzo sostenibile delle risorse – Una strategia tematicasulla prevenzione e il riciclaggio dei rifiuti”;[3]COM(2003) 302, 2003, “Politica integrata dei prodotti – sviluppare il concetto di ciclo di vita deiambientale. Comunicazione sulla IPP”;[4]COM(2004) 38 , 2004, “Incentivare le tecnologie per lo sviluppo sostenibile: piano d’azione per letecnologie ambientali nell’Unione europea” ETAP (Environmental Technologies Action Plan);[5]COM(2008) 397, 2008, “Piano di azione per la produzione e il consumo sostenibile e Politica indu-striale sostenibile”;[6] EUP Dir (2005) “Direttiva quadro 2005/32/CE– (EuP) Definizione di specifiche per l’eco-design eper la certificazione di prodotti con elevati consumi energetici.”[7] Hawkins, T. R.; Gausen, O. M.; Strømman, A. H. “Environmental Impacts of Hybrid and ElectricVehicles: A Critical Review”. Int. J. Life Cycle Assess. 2011 in review;[8] Delogu M., Berzi L. “Metodologie ed applicazioni di LCA al settore automobilistico”. In (a cura di)Cappellaro F. e Scalbi S. “La Rete Italiana LCA: prospettive e sviluppi del Life Cycle Assessment inItalia”. 2011;[9] Majeau-Bettez G., Hawkins T.R., Stromman A.H., “Life cycle environmental assessment of lithium-ion and nickel metal hydride batteries for plug-in hibryd and battery electric vehicles”, EnvironmentalScience & Technology, doi: 10.1021/ es 103607 c , April 20, 2011, available on: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es103607c;[10] Matheys J., Van Mierlo J., Timmermans J.M., “Life-cycle assessment of batteries in the context ofthe EU Directive on end-of-life vehicles”, Int. J. Vehicle Design, Vol.46 No., 2008, 189-203;[11] Van den Bossche P, Vergels F., Van Mierlo J., Matheys J., Van Autenboer W., “SUBAT: an assessmentof sustainable battery technology”, Journal of Power sources 162 (2006) 913-919;[12] Zackrisson M., Avellàn L., Orlenius J., “Life cycle assessment of lithium-ion batteries for plug-inhybrid electric vehicles – Critical issues”, Journal of Cleaner Production 18 (2010) 1519-1529;[13]ISO (UNI EN) 14040, Environmental Management – Life Cycle Assessment – Principles andFramework, ISO 14040:2006(E), International Organization for Standardization, 2006, Geneve,Switzerland;[14] ISO (UNI EN) 14044, Environmental Management – Life Cycle Assessment – Requirements andGuidelines, ISO 14040:2006(E), International Organization for Standardization, 2006, Geneve,Switzerland;[15]JRC-IES European Commission Ispra, Italy. (2010) “ILCD Handbook: General guide for life cycleassessment – provisions and action steps.” http://lct.jrc.ec.europa.eu/pdf-directory/ILCD-Handbook-General-guide-for-LCA-PROVISIONS-online-12March2010.pdf;[16] JRC-IES European Commission Ispra, Italy. (2010) “ILCD Handbook: Reviewer qualification forLife Cycle Inventory data sets.” http://lct.jrc.ec.europa.eu/pdf-directory/ILCD-Handbook-General-guide-for-LCA-PROVISIONS-online-12March2010.pdf;[17] JRC-IES European Commission Ispra, Italy. (2010) “ILCD Handbook: Specific guide for Life CycleInventory (LCI) data sets.” http://lct.jrc.ec.europa.eu/pdf-directory/ILCD-Handbook-Specific-guide-for-LCI-online-12March2010.pdf;[18]JRC-IES European Commission Ispra, Italy. (2010) “ILCD Handbook: Framework and requirementsfor Life Cycle Impact Assessment (LCIA) models and indicators” http://lct.jrc.ec.europa.eu/pdf-directory/ILCD-Handbook-LCIA-Framework-requirements-online-12March2010.pdf.

Life Cycle Assessment di sistemi per le auto elettriche

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