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I 5 aspetti fondamentali per lo sviluppo delle auto elettriche nei prossimi 20 anni

I 5 aspetti da sviluppare per un mercato dell'auto sempre più sostenibile

Categorie Automotive
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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.

Celle e pacchi batteria agli ioni di litio avanzati

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.

Produzione batterie al litio per le auto elettriche: come nasce una batteria
La produzione di batterie al litio

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.

Elettronica di potenza per le auto elettriche

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.

Motori elettrici

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.

Motore elettrico Quark
Motore elettrico Quark

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.

Celle a combustibile

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.

Celle a combustibile di idrogeno
Il rifornimento di un veicolo Fuel Cell

Auto elettriche: la guida autonoma

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.

FONTI VERIFICATE

IDTechEx: Auto elettriche 2023-2043

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