Sfida tecnologica, mercato mancante o paura di riuscire?

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di !"#$%&'()"*+"# - Università di Bologna
DICAM, Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna
Sfida tecnologica, mercato mancante o paura di riuscire?
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Lo sviluppo tortuoso dell'auto
elettrica
Si vede passare, quasi silenziosamente,
un veicolo simile ad un uovo, che si
tiene in equilibrio solo su due ruote. Il
conducente lascia il volante, ma il veicolo continua il suo percorso lungo una
traccia invisibile. Dietro se ne avvicina
un secondo, simile. Sembra quasi che
percepisca la presenza del primo avvicinandosi sempre di più fino a formare
un piccolo treno. Ecco la visione della
General Motors (GM) per la mobilità
nell'anno 2030: un'auto elettrica, piccola, leggera, intelligente e connessa alle
infrastrutture circostanti. Un concentrato di tecnologia avanzata dentro un
piccolo veicolo a due posti è la risposta
di questa casa automobilistica ai problemi urbani legati alla congestione e
all'inquinamento atmosferico.
Questa visione non è però il risultato
di uno sviluppo tecnologico semplice e
lineare. Al contrario l'auto elettrica ha
vissuto nel corso del secolo un'evoluzione piuttosto difficile e tortuosa. E’ utile
ricordare allora alcuni eventi storici, per
capire meglio la complicata relazione tra
aziende automobilistiche e sviluppo di
auto elettriche e per provare a predire i
prossimi passi verso l'elettro-mobilità.
La prima auto elettrica è arrivata con
un'autonomia garantita di 160 km: sulle
strade americane si contano già 30.000
auto a motore elettrico. Siamo nell'anno
1908 quando l'azienda Fritchle Electric
propone la sua macchina elettrica come
auto “per donne”. Nello stesso periodo,
Thomas Edison, fondatore della General Electric Corporation, cerca di convincere il suo amico Henry Ford, fondatore della Ford Motor Corporation, a
produrre insieme una macchina elettrica a basso costo. Edison afferma di poter sviluppare una batteria meno costosa
e più potente. Nel 1914 le aziende di
Ford ed Edison completano il prototipo. La nuova batteria di Edison non è
però pronta. Dopo due anni i test sulla
nuova batteria falliscono e Ford perde
ogni interesse a proseguire nello sviluppo della macchina elettrica. I giorni delle macchine elettriche sono comunque
contati per ben altri motivi: i motori
a benzina garantiscono già un'autonomia superiore e diventano sempre più
affidabili, più puliti e meno cari; si sviluppa inoltre una fitta rete di pompe di
benzina e il costo del petrolio scende.
Infine l'introduzione del motorino di
avviamento elimina l'ultimo svantaggio
dell'avvio a manovella.
Il problema della batteria troppo cara
e troppo pesante è un difetto storico
che le auto elettriche si sono portate
dietro fino ad oggi. Però la faccenda è
più complessa. La tecnologia su cui si
basa lo sviluppo delle batterie ha fatto
in un secolo enormi progressi, tuttavia
l'impiego di batterie elettriche nella produzione di automobili non è mai riuscito a radicarsi. Fra gli anni '60 e '80,
all'Istituto Batelle di Ginevra viene sviluppata, con il supporto della DaimlerBenz e della Volkswagen, una batteria
al nichel-metallo idruro (NiMH), che
aumenta la densità specifica di energia
del 50% rispetto alle tradizionali batterie al piombo. Questa tuttavia viene
prima scarsamente impiegata e poi del
tutto abbandonata dalle aziende automobilistiche. Negli anni successivi la
batteria al NiMH viene ulteriormente
migliorata e viene a tutt'oggi prodotta
da Panasonic e Sanyo.
Un primo timido tentativo di produzione di serie di auto elettriche avviene nel
1990, quando l'Agenzia per la protezione dell'atmosfera dello stato di California (abbreviazione in inglese: CARB),
rilascia un decreto (lo “zero emission
vehicle mandate”) che costringe tutte
le case automobilistiche a vendere entro il 2003 almeno il 10% di automobili elettriche in California. L'industria
automobilistica reagisce, adottando due
strategie quasi opposte: ogni casa automobilistica comincia effettivamente
a sviluppare e produrre macchine elettriche per soddisfare la quota imposta
dalla legge californiana. Esempi sono la
EV1 della GM, la Honda EV plus, la
Toyota RAV4, la Ford Ranger e Think
e la Nissan Altra. Le auto elettriche
prodotte non vengono però realmente
vendute, ma date solo “a noleggio” ai
clienti. Contemporaneamente le aziende automobilistiche combattono il decreto, sia per vie legali, sia utilizzando
strumenti divulgativi che mettono in
dubbio i benefici e i vantaggi delle automobili elettriche. Come primo risultato, la GM e le altre aziende del settore
riescono ad ottenere il ritiro della legge
che impone la quota di produzione del
10% di auto elettriche se queste non
vengono richieste dal cliente. Quando
la CARB accetta tale modifica, la GM
comincia a licenziare lo staff di vendita
e chiude la fabbrica di produzione del
veicolo EV1. Il secondo colpo arriva nel
2003, quando la GM, la Daimler Crysler ed altre aziende intraprendono vie
legali e denunciano il “emission vehicle
mandate” della CARB. La CARB cede
e ritira il decreto in modo definitivo. A
Filo Diretto Dirigenti Febbraio 2011
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questo punto le case automobilistiche
ritirano tutte le macchine date a noleggio ai clienti. Nessuno dei contratti stipulati prevedeva infatti la possibilità di
tenere o comprare la macchina.
Molto amata dagli automobilisti è stata
la macchina sportiva della GM, la EV1.
Il motore elettrico aveva una potenza
di 145 cavalli e, con un'accelerazione
perfettamente costante, copriva, quasi
silenziosamente, da 0 a 100 km/h in 8
secondi. Il ritiro delle ultime EV1 dalla
GM è drammatico, alcuni clienti provano a bloccare il carro attrezzi offrendo il
pagamento intero della macchina di ca.
$ 44.000. La GM declina però l'offerta
e manda le EV1 rimaste, in grande parte
ancora nuove, nella pressa per rottami.
Molto probabilmente, questa misura
drastica venne adottata dalla GM e dalle
altre case automobilistiche, per evitare
che la legge californiana obbligasse ogni
produttore a fornire pezzi di ricambio
per almeno 15 anni. Nessuna macchina
elettrica doveva più girare sulle strade
della California. Tuttavia non è mai stato chiaro perché le aziende automobilistiche si opponessero così fermamente
alla produzione di macchine elettriche.
Secondo la GM, la macchina EV1 era
stata ben pubblicizzata, ma non si vendeva in quanto più costosa di una macchina a combustione interna con prestazioni equivalenti. Si riteneva inoltre che
l'auto avesse notevoli limitazioni di autonomia e di tempo per la ricarica delle
batterie. Non esistono informazioni sul
numero di clienti potenziali, ma ci sono
indicazioni certe da parte dei potenziali
clienti che la GM non aveva alcun interesse a vendere la EV1.
Successivamente, alcune case automo-
22
bilistiche decisero di promuovere una
nuova tecnologia alternativa alla batteria elettrica: la pila a combustibile (in
inglese fuel cell) che sarebbe in grado di
produrre energia elettrica dall'idrogeno.
Questa tecnologia risulta di notevole
fascino in quanto l'automobilista è in
grado di passare dalla benzina all'idrogeno liquido senza dovere rinunciare
all'autonomia e senza produrre emissioni inquinanti, tranne vapore d'acqua.
Il governo americano lancia allora nel
2004 un programma da 1,2 miliardi
di dollari per lo sviluppo della pila a
combustibile e per l'installazione delle infrastrutture per la distribuzione di
idrogeno. L'introduzione dell'idrogeno
comporta tuttavia una serie di problematiche di non facile risoluzione: l’unica pila a combustibile affidabile contiene metalli preziosi, come il platino, che
aumenta significativamente il prezzo
della macchina; la produzione dell'idrogeno stesso è costosa e non esistono
infrastrutture per distribuirlo; infine,
l'efficienza energetica complessiva della
macchina a idrogeno è simile a quella
del motore a combustione interna (intorno al 22%). Nel 2009, il governo di
Obama propone di tagliare i fondi per
la ricerca sulla pila a combustibile per
automobili, la proposta viene tuttavia
respinta dal congresso nel 2010. Alcune
case automobilistiche continuano a fare
sviluppo tecnologico basandosi sulla
pila a combustibile e alla fine del 2010
la Toyota annuncia che la prima macchina a idrogeno sarà pronta per l'anno
2015 (ad un prezzo di circa $ 50.000).
Parallelamente allo sviluppo di tecnologie alternative al motore a combustione,
il miglioramento della batteria ricarica-
Filo Diretto Dirigenti Febbraio 2011
bile viene invece sostenuto e realizzato
dai produttori di dispositivi elettronici
portatili come cellulari o computer, per
i quali un’alta densità di energia elettrica
è fondamentale. Sony è la prima azienda
a commercializzare la batteria agli ioni
di litio (Li-Iion) che contiene il 30% in
più di energia al kg rispetto alla vecchia
tecnologia NiMH. La batteria Li-Iion è
più cara, ma realizzando una produzione su grande scala, si prevede che il prezzo cali da 600 $/kWh (nel 2010) circa a
250 $/kWh circa.
E' grazie allo sviluppo dell'elettronica
per l'intrattenimento che la batteria torna ad essere utilizzata per le auto elettriche. Nell'ottobre del 2010, Mirko Hannemann, un fisico dell’azienda tedesca
Dbm, migliora la batteria a litio-polimero e decide di trasformare una Audi
A2 convenzionale in una elettro-mobile.
Con una sola carica, Hannemann riesce
ad andare da Monaco a Berlino coprendo una distanza record di 600 km. La
nuova batteria ha una capacità pari a 3
volte quella delle batterie agli ioni di litio. Nessuna azienda automobilistica ha
però fatto a tutt'oggi un'offerta di collaborazione. Per contro, l'auto che ha realizzato il record è stata misteriosamente
bruciata nella fabbrica di Berlino. Prima
di tentare di dare una spiegazione a questi eventi, diamo uno sguardo alle auto
elettriche che possono essere trovate al
giorno d'oggi sul mercato.
La lenta partenza della macchina elettrica
La Nissan Leaf può essere considerata
come la prima macchina elettrica prodotta in grande quantità. Ha tutte le caratteristiche di una macchina normale di
medie dimensioni (vedi Tab. 1). Le differenze fondamentali sono l'autonomia
limitata a ca. 120 km ed un consumo
di 2,3 litri equivalenti per 100 km. Per
garantire sempre all'automobilista una
carica sufficiente, quest'auto è dotata di
un display dove è possibile visualizzare
una mappa con indicate tutte le stazioni di ricarica raggiungibili con l'energia
rimasta. Con il modo “quick charge” ad
alta tensione, il pieno viene fatto in 30
minuti e costa meno di 3 €. Una ricarica effettuata con la presa di casa (220V)
impiega invece circa 16 ore. Nonostante
il prezzo di 35.000 € (negli Usa meno di
$ 29.000 compresi incentivi), la Nissan
ha già venduto 26.000 modelli fino a
Dicembre 2010. Ciò impegnerà l'intera
produzione fino a Marzo 2011. Già dai
primi mesi di vendita della Nissan risulta evidente l'esistenza di una fascia di
clienti che è pronta a pagare un prezzo
ben superiore pur di possedere un'auto
elettrica. Ci si aspetta che la Leaf verrà
comprata prevalentemente come seconda auto da clienti spinti da motivazioni
ambientaliste o semplicemente come
nuovo status symbol. L'uso è naturalmente riservato al pendolarismo casalavoro o ai viaggi brevi. Grazie al costo
inferiore dell'energia elettrica (12 cent/
kWh) rispetto alla benzina (€ 1,50/litro) quest'auto consente di risparmiare
fino a 650 € circa ogni 10.000 km. Tuttavia, nonostante il risparmio energetico, l'acquisto della Leaf non si riesce a
giustificare con argomenti economici. Il
mercato sembra comunque limitato ed
è fortemente dipendente dagli incentivi
e dal prezzo del petrolio. Di conseguenza, le previsioni prevedono una quota di
auto elettriche vendute nell'anno 2020
Tabella 1 - Caratteristiche delle prime macchine elettriche di serie
1
2
,*--./%0".1%
2*3-45*-(*%*62*78
Numero porte/passeggeri
5/5
5/4
Lunghezza/larghezza [m]
4,4 / 1,7
3,9 / 1,6
Velocità massima [km/h]
150
130
Potenza [kW]
80
47
Autonomia
(ciclo combinato/city) [km]
117 / 160
80 / 160
Efficienza [kWh/km]
0,15 - 0,21
0.10 - 0.12
Peso totale [kg]
1521(Li-io)
1080(Li-io)
Peso batterie [kg]
300 (Li-io)
250 (Li-io)
Energia batterie [kWh]
24
16
Costo batterie [€]
con 375,0 €/kWh1
9000(Li-io)
7500(Li-io)
Costo2 [€]
35.000
33.000-35.000
Stima del costo per batterie al litio basata sul prezzo di un ricambio di batterie della Nissan Leaf
Prezzo di vendita in Europa previsto senza incentivi statali
(Li-io) = Batterie al litio, (Pb) = Batterie al piombo.
di solo il 10%.
Alla luce del progresso tecnologico fatto
negli ultimi 100 anni, risulta comunque
sorprendente che una macchina elettrica a basso costo, così come l'aveva progettata Edison, ancora non sia realtà.
Un'auto elettrica piccola potrebbe migliorare le nostre città
Circa l'80% dei cittadini europei vivono in zone urbane, dove il traffico è un
problema cronico. Per ridurne gli effetti
negativi, un'auto dovrebbe essere innanzitutto piccola e leggera. Già questo
aumenterebbe la capacità delle strade,
consentirebbe di occupare meno parcheggi, e risulterebbe meno pericoloso
per i pedoni. Occorrono inoltre macchine maneggevoli, senza emissioni, silenziose e con un basso consumo di energia
nel traffico “stop and go”. La velocità
massima dei veicoli dovrebbe essere li-
mitata perché comunque non si possono superare i 50 km/h nelle aree urbane,
e al massimo i 100 km/h per poter accedere alle superstrade. L’italiano si sposta
mediamente ca. 40 km al giorno, una
macchina con 100 km di autonomia
sarebbe sufficiente per più del 90% degli automobilisti. In media 1,3 persone
occupano una macchina, quindi 2 posti
sarebbero più che sufficienti per la maggior parte dei viaggi. Queste specifiche
sono quelle tipiche di un'auto elettrica:
piccola, leggera e con autonomia limitata, richiede una ridotta quantità di
batterie e quindi costi più bassi. Grazie
alla possibilità di recuperare l’energia di
frenata, la macchina elettrica consuma
inoltre meno in città che sull’autostrada.
Ciò che in realtà fa da deterrente all'acquisto di una “auto urbana piccola” è il
fatto che occasionalmente si desidera
percorrere più di 100 km al giorno o a
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volte occorre un bagagliaio più grande.
Ad ogni modo, come seconda macchina sarebbe ideale per la maggior parte
delle famiglie. Quindi, un mercato latente per macchine “a misura di città”
esiste ed alcune case produttrici di auto
piccole, stanno già da anni puntando su
quel mercato. Purtroppo una auto elettrica piccola e a basso costo non esiste
ancora. Le cause di ciò sono molteplici: da una batteria ancora troppo cara a
interessi economico-politici che vedono
l'alleanza tra industria del petrolio, governo americano e industria automobilistica. Qui di seguito tenteremo di dare
delle spiegazioni alternative al mancato
fiorire delle auto elettriche che potrebbero avere (e aver avuto) una influenza
decisiva.
Meno peso, meno batterie costose
Quasi tutte le auto, quelle piccole incluse, hanno aumentato il loro peso nel
tempo, ad ogni nuova versione. Ciò è
dovuto principalmente all'aumento
della quantità di nuovi dispositivi elettro -meccanici ed elettronici forniti con
la macchina (è stato introdotto l’airbag, l’ABS, gli ammortizzatori attivi,
etc.). E' stato allora necessario compensare l'aumento di peso con un motore
sempre più potente, che a sua volta aumentava ulteriormente il peso dell'auto.
Oggi, senza determinati accessori, una
macchina non è più percepita come
tale. A titolo di esempio, la prima Volkswagen Golf del 1976 pesava 750 kg,
la Golf IV del 2000 1.050 kg. con un
aumento di ben 300 kg. Quindi, con
meno accessori e meno potenza, è possibile costruire una macchina elettrica
24
più leggera. Riducendo inoltre il numero di dispositivi elettronici si ridurrebbe
anche il consumo di elettricità. Ma se
anche il veicolo fosse più leggero, quali sarebbero le sue prestazioni e il suo
prezzo? Probabilmente, le aziende automobilistiche temono l’assenza di domanda per una macchina spartana. In
ogni caso, una riduzione di peso si tradurrebbe anche in un valore aggiunto
inferiore per i produttori.
Lo sviluppo di auto elettriche piccole
tuttavia sta prendendo piede rapidamente, e aziende indiane e cinesi hanno
già iniziato a produrre e offrire macchine elettriche a basso costo. Esempi sono
la nuova Reva NXR o la Electric Nano
della Tata Motors. Da notare è il peso
di 850 kg della Reva NXR (vedi Tab.
2) in confronto ai 1080 kg della Mitsubishi i-MiEV. Secondo l’azienda Reva,
che costruisce solo macchine elettriche,
è stato ridotto sistematicamente il peso
ed il numero di componenti. Il prezzo
annunciato per la Reva NXR scenderà a
breve sotto € 20.000. Con un risparmio
di € 700 all'anno sulla benzina e con €
2000 di incentivi, quest'auto potrebbe
realisticamente diventare un prodotto competitivo. Ci sono ancora ampi
margini per un’ulteriore abbassamento
dei costi, passando dalla produzione di
30.000 a 300.000 macchine all’anno.
Nel gruppo dell' “elettro-mobilità”
sono da menzionare anche quelle piccole macchine elettriche la cui velocità è limitata per legge a 45 km/h. Tali
veicoli sono un esempio ad extremis
della filosofia di riduzione di peso, delle
batterie, dell’autonomia, ma anche del
prezzo. Un esempio è dato dalla Birò
dell’azienda Italiana Estrima (vedi Tab.
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2) in vendita a circa € 8.328, senza incentivi.
Fa male strappare il cuore della
macchina
Il design e la produzione del motore a
combustione interna con il suo sistema
di trazione è considerato una competenza chiave dell’azienda, e costituisce circa
il 30% del valore aggiunto della macchina. Il motore non è da considerarsi
come una componente qualsiasi di una
macchina. Nella sua progettazione, produzione, assemblaggio ed installazione
sono coinvolti ingegneri, operai, e macchine speciali. Secondo una stima dei
sindacati, solo in Germania sono direttamente impiegate ca. 200.000 persone
nella realizzazione dei motori. Una rapida sostituzione del motore a combustione con un motore elettrico avrebbe effetti disastrosi sia in termini economici,
sia in termini umani per gli operai e gli
impiegati coinvolti. Le case automobilistiche non hanno competenze particolari nel campo dei motori elettrici, e non
sono più leader nella produzione di batterie. Quindi, batterie, motori e invertitori sarebbero acquisiti da aziende esterne. Il valore aggiunto della batteria e del
motore elettrico costituiscono fino al
50% della macchina elettrica. Tale valore non resterebbe all'interno dell'azienda produttrice dell'auto ma sarebbe incassato dai produttori di batterie come
la Panasonic o la Sanyo. Producendo
meno macchine a petrolio, il know-how,
in termini di brevetti, accumulato dalle
aziende automobilistiche non viene ad
essere più valorizzato, e gli investimenti elevati effettuati nei processi di produzione non si possono ammortizzare.
In quest’ottica appare più comprensibile
il comportamento delle case automobilistiche nei confronti dello sviluppo delle
auto elettriche: cercano di evitare una
loro rapida introduzione, pur lavorando
costantemente all'appropriarsi di nuove
competenze strategiche da sostituire a
quelle raggiunte nell'ambito dei motori a petrolio. Sotto quest'ottica si spiega
come mai hanno cominciato ad investire
nell’idrogeno nel 2003, oppure, recentemente, in macchine futuristiche come
quelle del EN-V “concept car”. Invece,
una macchina elettrica a basso costo non
è interessante da produrre in massa in
quanto rappresenterebbe un serio concorrente per le macchine convenzionali a
fronte comunque di guadagni molto bassi.
Ciò che però probabilmente i produttori di automobili temono ancora di
più è il devastante effetto di una “macchina modulare” a basso costo, dove
le componenti chiave della macchina,
come ad esempio il motore, diventano
interscambiabili. In un mercato simile
a quello dei personal computer, si potrebbe scegliere il motore elettrico e la
batteria più potente. La carrozzeria diventerebbe allora un argomento secondario, così come il processore e il disco
rigido di un PC sono più importanti
dell'involucro. Un mercato di questo
genere lascerebbe più libertà nella scelta dei componenti, ma diminuirebbe
ulteriormente il know-how delle case
produttrici di macchine.
Tabella 2 - Caratteristiche di macchine elettriche leggere
9":.%,;9%
7-3#*<.%=*#>
Numero porte/passeggeri
%
%
3/4
2 / 2+ piccolo bagaglio
Lunghezza /larghezza [m]
3,28 / 1,52
1,74 / 1,03
Velocità massima [km/h]
104
45
Potenza [kW]
25
4
Autonomia
(ciclo combinato/city) [km]
? / 160
? / 70
Efficienza [kWh/km]
0.08
0.07
Peso totale [kg]
850 (Li-io)
370 (Pb)
Peso batterie [kg]
ca.175 (Li-io)
125 (Pb)
53 (Li-io)5
Energia batterie [kWh]
14
4,8
Costo batterie [€]
con 375,0 €/kWh1
5250 (Li-io)
1616 (Li-io)5
Prezzo di vendita2 [€]
20.000 (Li-io)3
10.000 (Pb)4
8.328 (Pb)
Una piccola previsione
Le grandi aziende continueranno a sviluppare automobili elettriche e ibride,
con il comfort delle macchine di oggi,
ma ad un prezzo intorno ai 25.00035.000 €. Contemporaneamente nuovi produttori emergeranno con la loro
produzione di piccole macchine elettriche con accessori ridotti. Questi nuovi
produttori cercheranno di aumentare la
produzione e di abbassare i costi, e alcuni collaboreranno con le grandi case automobilistiche. Il prezzo per una macchina come la Reva potrebbe scendere
ben sotto i 15.000 €, batterie incluse.
Tuttavia la velocità con cui si passerà alla
produzione di massa dipenderà sia dalle trattative con le grande industrie, sia
dagli eventuali incentivi o dalle barriere
alle importazione imposte dai governi
dei paesi sviluppati.
Lo sviluppo di nuove tecnologie per
batterie, come quella della azienda
Dbm, potrebbero potenzialmente dare
una spinta decisiva verso la produzione
di massa del motore elettrico. Una conseguente più larga diffusione delle macchine elettriche limiterebbe in modo significativo gli effetti negativi del traffico
sulle città. Per concludere, la macchina
elettrica a basso costo di Edison, forse è
più vicina di quanto si pensi e l’industria
automobilistica sarà dunque costretta a
riciclarsi rapidamente.
1
Stima del costo per batterie al litio basata sul prezzo di un ricambio di batterie della Nissan Leaf
Prezzo di vendita in Europa previsto senza incentivi statali
Versione Intercity prezzo con batterie (o € 15.000 più una quota mensile per le batterie)
4
Versione City con 80 km di autonomia, 80km/h e batteria al piombo
5
Stima (al momento Estrima Birò non viene offerta con batterie al litio)
(Li-io) = Batterie al litio, (Pb) = Batterie al piombo
2
3
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