Auto elettriche
Il settore automobilistico è il più grande settore dei trasporti, con circa 80-90 milioni di auto vendute ogni anno a livello globale. La flotta globale di circa 1,1 miliardi di autovetture in uso fornisce il maggior contributo alle emissioni stradali, portando il settore a diventare un punto di riferimento naturale per i responsabili delle politiche ecologiche. Mentre i progetti di auto elettriche risalgono a cento anni fa, i mercati delle auto elettriche come li conosciamo oggi sono in crescita dal 2011 circa. In 20 anni, IDTechEx prevede che le auto elettriche genereranno il 76% di tutti i ricavi del trasporto elettronico. Grazie alle loro dimensioni, i mercati delle auto creano le maggiori opportunità per gli operatori della catena di fornitura dei veicoli elettrici, dai materiali avanzati ai pacchi batteria, all’elettronica di potenza e ai motori elettrici. Inoltre, essi guidano il rapido ritmo dell’innovazione che consente l’elettrificazione in altri settori dei trasporti, sia a livello di tecnologia, che di normative o di modelli commerciali.
Per saperne di più, il nuovo report IDTechEx, “Auto elettriche 2023-2043“, fornisce un’analisi approfondita dei futuri mercati automobilistici con previsioni granulari a lungo termine. La copertura comprende Stati Uniti, Cina, Norvegia, Regno Unito, Francia, Germania, Paesi Bassi, Danimarca e RdM. La copertura tecnologica comprende le auto a batteria (BEV), ibride (PHEV e HEV) e a celle a combustibile (FCEV); i veicoli autonomi (L2, L3, L4); le batterie agli ioni di litio (NMC, NCA, LFP, al silicio, allo stato solido); i motori elettrici (PM, WRSM, ACIM, a flusso assiale, In-wheel); l’elettronica di potenza (SiC, Si IGBT) e altro ancora. Nel paper IDTechEx illustra i principali aspetti in cui le auto elettriche dovranno evolvere per raggiungere l’apice del successo.
Le batterie agli ioni di litio basate su anodi di grafite e catodi di ossido stratificato (NMC, NCA) hanno dominato gran parte dei mercati dei veicoli elettrici. Tuttavia, poiché iniziano a raggiungere i loro limiti di prestazione e vengono evidenziati i rischi ambientali e di approvvigionamento, i miglioramenti e le alternative alle batterie agli ioni di litio diventano sempre più importanti.
Gli ioni di litio avanzati si riferiscono agli anodi di silicio e di metallo, agli elettroliti solidi, ai catodi ad alto tenore di nichel e a vari fattori di progettazione delle celle. Data l’importanza del mercato dei veicoli elettrici, in particolare delle auto elettriche a batteria, nel determinare la domanda di batterie, si prevede che lo ione di litio manterrà la sua posizione dominante. Tuttavia, i miglioramenti graduali di catodi, anodi, design delle celle e densità energetica sono fondamentali. Secondo il rapporto di IDTechEx, entro il 2030 le celle per batterie da 400Wh per kg saranno presenti nei mercati tradizionali.
L’innovazione avviene anche a livello di pacco. Per assemblare un pacco batterie sono necessari diversi materiali, tra cui materiali per l’interfaccia termica, adesivi, guarnizioni, impregnazione, invasatura, riempitivi e altro ancora. È in atto una tendenza generale verso fattori di forma delle celle più grandi e progetti di batterie non modulari da cella a pacco, che ridurranno il numero di connessioni, sbarre e cavi tra celle e moduli.
Nel settore dell’elettronica di potenza per autoveicoli (inverter, caricabatterie di bordo, convertitori CC-CC), si stanno compiendo progressi fondamentali per migliorare l’efficienza del gruppo propulsore, consentendo di ridurre la capacità del pacco batterie o di migliorare l’autonomia. Una delle vie principali per ottenere una maggiore efficienza è il passaggio ai MOSFET al carburo di silicio e alle piattaforme di veicoli ad alta tensione, a partire da 800V. Renault, BYD, GM, Hyundai e altri hanno annunciato piattaforme di veicoli a 800 V che adotteranno MOSFET al carburo di silicio nell’elettronica di potenza fino al 2025.
La transizione presenta nuove sfide per i materiali dei moduli di potenza, in quanto sono richieste frequenze di commutazione più elevate, maggiori densità di potenza e temperature operative più elevate, il tutto mantenendo una vita utile di 15 anni. Il rapporto rileva che le piattaforme da 800 V e gli inverter SiC raggiungeranno almeno il 10% del mercato entro il 2030. Con l’aumento esponenziale della densità di potenza dei chip a semiconduttore, i nuovi progetti di raffreddamento a doppia faccia, i wirebond in rame e le cornici in piombo consentiranno questa tendenza.
I mercati dei motori elettrici sono ancora in evoluzione, con nuovi progetti che migliorano la densità di potenza e di coppia e maggiori considerazioni sui materiali utilizzati. Non si tratta solo di miglioramenti incrementali, con sviluppi come i motori a flusso assiale e vari costruttori che hanno eliminato del tutto le terre rare.
I motori elettrici sono caratterizzati da diversi parametri di prestazione fondamentali. La densità di potenza e di coppia consente di migliorare la dinamica di guida in un pacchetto più piccolo e più leggero, dato che il peso e lo spazio dei veicoli elettrici sono molto importanti. Un’altra area critica è l’efficienza del ciclo di guida. Migliorare l’efficienza significa sprecare meno della preziosa energia immagazzinata nella batteria durante l’accelerazione del veicolo, con conseguente miglioramento dell’autonomia a parità di capacità della batteria. A causa delle numerose considerazioni sulla progettazione dei motori, il mercato dei veicoli elettrici ha adottato diverse soluzioni, tra cui motori a magnete permanente, a induzione e a rotore avvolto.
Il rapporto rivela che, mentre i motori continueranno a essere dominati dai magneti permanenti, nei prossimi anni ci saranno opportunità per le varianti senza magneti, in quanto i costi e la sostenibilità saranno in primo piano.
Le opportunità per le celle a combustibile nei mercati automobilistici sono limitate, anche se i mercati sono ancora in crescita, grazie al sostegno dei governi. L’impiego delle celle a combustibile nei veicoli non è un concetto nuovo. I principali produttori di automobili, tra cui Toyota, Ford, Honda, GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler e BMW, hanno investito ingenti somme negli ultimi 30 anni per far progredire questa tecnologia. Per quanto riguarda le autovetture, lo sviluppo delle celle a combustibile ha comportato enormi sforzi e spese, ma nel 2022 solo due grandi costruttori, Toyota e Hyundai, hanno in produzione auto Fuel Cell e nel 2021 sono stati venduti meno di 20.000 esemplari.
La diffusione dei veicoli a celle a combustibile deve affrontare sfide considerevoli, tra cui la riduzione del costo dei componenti del sistema a celle a combustibile e la realizzazione di un’infrastruttura sufficiente per il rifornimento di idrogeno. Sarà inoltre essenziale la disponibilità di idrogeno “verde” a basso costo, prodotto dall’elettrolisi dell’acqua con l’utilizzo di energia elettrica rinnovabile, che l’analisi del nuovo rapporto IDTechEx sottolinea essere fondamentale per far sì che i veicoli FCEV rispettino le credenziali ambientali su cui vengono venduti.
Veicolo autonomo (AV) è un termine che racchiude i sei livelli definiti dalla SAE. Oggi, la maggior parte delle nuove auto è disponibile con la “guida autonoma” livello 2 che non è altro che un insieme di strumenti per l’assistenza alla guida, pertanto il guidatore non può ancora rimuovere le mani dal volante. L’industria è tecnicamente pronta per il livello 3, una volta superati gli ostacoli normativi.
Negli ultimi anni, i grandi miglioramenti apportati alle tecnologie dei veicoli autonomi, come radar, lidar, telecamere in alta risoluzione e software, hanno spinto i robotaxi verso la soglia della disponibilità sul mercato. In effetti, in alcuni scenari l’autonomia di livello 4 è (discutibilmente) già commercializzata nel 2022, con Cruise e Baidu che hanno introdotto i primi servizi rispettivamente negli Stati Uniti e in Cina. Le previsioni di IDTechEx rivelano come questi servizi arriveranno a dominare lo scenario entro 20 anni. Nel complesso, il rapporto ritiene che i veicoli autonomi diventeranno una tecnologia dirompente che crescerà rapidamente a un tasso fino al 47% per trasformare il mercato dell’auto nei prossimi due decenni.