Auto elettrica: le cinque tendenze fondamentali del futuro

Il settore automobilistico costituisce la maggior parte del settore dei trasporti, con circa 80-90 milioni di auto vendute ogni anno in tutto il mondo. Un parco auto complessivo di circa 1,1 miliardi di veicoli in circolazione è il maggior responsabile delle emissioni, il che ha reso il settore un obiettivo naturale per i responsabili delle politiche ecologiche.

Mentre i progetti per le auto elettriche risalgono a un centinaio di anni fa, i mercati delle auto elettriche come li conosciamo oggi sono in crescita dal 2011 circa. IDTechEx prevede che in 20 anni l’auto elettrica genererà il 76% di tutti i ricavi del trasporto elettrico. 

In seguito alle loro dimensioni, i mercati automobilistici stanno creando le opportunità maggiori per gli operatori della catena di fornitura delle auto elettriche, dai materiali avanzati alle batterie, dall’elettronica di potenza ai motori elettrici. Inoltre, stanno guidando il rapido ritmo dell’innovazione che sta consentendo l’elettrificazione in altri settori dei trasporti, sia a livello di tecnologia, che di normative o di modelli commerciali. 

Il futuro del mercato dell’auto elettrica

Il nuovo rapporto di IDTechEx, “Electric Cars 2023-2043”, offre un’ampia visione dei futuri mercati automobilistici con previsioni a lungo termine. La copertura regionale comprende Stati Uniti, Cina, Norvegia, Regno Unito, Francia, Germania, Paesi Bassi, Danimarca e il resto del mondo. La copertura tecnologica comprende auto elettriche a batteria (Bev), ibride (Phev e Hev) e a celle a combustibile (Fcev); veicoli autonomi (L2, L3, L4); batterie agli ioni di litio (Nmc, Nca, Lfp, silicio, semiconduttori); motori elettrici (PM, Wrsm, Acim, a flusso assiale, In-wheel); elettronica di potenza (SiC, Si Igbt) e altro ancora.

Celle e batterie 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 del mercato 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 stanno diventando sempre più importanti. 

Gli ioni di litio avanzati si riferiscono agli anodi di silicio e di metallo Li, agli elettroliti solidi, ai catodi ad alto tenore di Ni 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 gli ioni di litio manterranno la loro posizione dominante. Tuttavia, sono essenziali miglioramenti incrementali nei catodi, negli anodi, nella progettazione delle celle e nella densità energetica. Il rapporto IDTechEx indica che entro il 2030 saranno disponibili sui mercati di consumo batterie da 400Wh per kg.

Per assemblare un pacco batteria sono necessari diversi materiali, tra cui quelli per l’interfaccia termica, adesivi, guarnizioni, impregnazione, invasatura, riempitivi e altri. È in atto una tendenza generale verso forme delle celle più grandi e progetti di batterie non modulari, che ridurranno il numero di connessioni, sbarre e cavi tra celle e moduli.

Il ruolo dell’elettronica di potenza

Nel campo dell’elettronica di potenza per autoveicoli (inverter, caricabatterie di bordo, convertitori DC-DC), si stanno compiendo importanti progressi per migliorare l’efficienza del gruppo propulsore, riducendo la capacità della batteria o migliorando l’autonomia.

Una delle vie principali per ottenere migliori efficienze è il passaggio ai Mosfet (Metal oxide semiconductor field effect transistor) al carburo di silicio e alle piattaforme per veicoli ad alta tensione (800 V o più). Renault, Byd, GM, Hyundai e altri hanno annunciato piattaforme di veicoli a 800V che adotteranno Mosfet al carburo di silicio nell’elettronica di potenza fino al 2025.

Questa transizione presenta nuove sfide per i materiali dei moduli di potenza, in quanto richiede frequenze di commutazione, densità di potenza e temperature di esercizio più elevate, pur mantenendo una durata di 15 anni. 

Il rapporto afferma che, le piattaforme a 800V e gli inverter SiC rappresenteranno almeno il 10% del mercato entro il 2030. L’aumento esponenziale della densità di potenza dei chip a semiconduttore, i nuovi design di raffreddamento a doppia faccia, i fili di rame e i telai di piombo consentiranno questa tendenza.

I motori elettrici migliorano sotto tutti gli aspetti

I mercati dei motori elettrici continuano ad evolversi, con nuovi progetti che migliorano la densità di potenza e di coppia e una maggiore attenzione ai materiali utilizzati. Non si tratta di miglioramenti incrementali: sviluppi come i motori a flusso assiale e vari Oem (Original equipment manufacturer) hanno eliminato completamente le terre rare. 

Esistono diversi parametri di prestazione chiave per i motori elettrici: la potenza e la densità di coppia consentono di migliorare la dinamica di guida in un pacchetto più piccolo e leggero, dato che il peso e lo spazio sono fondamentali nei veicoli elettrici. 

L’efficienza del ciclo di guida è un altro aspetto fondamentale. Una maggiore efficienza significa che una parte minore della preziosa energia immagazzinata nella batteria viene sprecata durante l’accelerazione del veicolo, migliorando così l’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, le varianti senza magneti offriranno opportunità nei prossimi anni, grazie all’aumento dei costi e della durata.

Le sfide dei veicoli a 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 di celle a combustibile nei veicoli non è un concetto nuovo. I principali Oem, tra cui Toyota, Ford, Honda, GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler e Bmw, hanno effettuato investimenti significativi negli ultimi 30 anni per far progredire la tecnologia. Per quanto riguarda le autovetture, sono stati dedicati enormi sforzi e spese allo sviluppo delle celle a combustibile, ma entro il 2022 solo due grandi Oem, Toyota e Hyundai, avranno auto Fcev in produzione e meno di 20mila Fcev saranno venduti entro il 2021.

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 utilizzando energia elettrica rinnovabile. L’analisi contenuta nel nuovo rapporto IDTechEx sottolinea che ciò sarà fondamentale se i veicoli a celle a combustibile devono soddisfare i criteri ambientali in base ai quali vengono venduti.

Il tema dei veicoli autonomi

Veicolo autonomo (AV) è un termine generico che copre i sei livelli definiti dalla Sae (Society of automotive engineers). Oggi, la maggior parte delle nuove auto viene consegnata con l’opzione di funzionalità di livello 2 e il settore è tecnicamente pronto per il livello 3, una volta superati gli ostacoli normativi. Negli ultimi anni, i significativi miglioramenti nelle tecnologie dei veicoli a guida autonoma, come radar, lidar, telecamere HD e software, hanno spinto i taxi robot sull’orlo della commercializzazione. 

In effetti, in alcuni scenari, l‘autonomia di livello 4 verrà probabilmente 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 prenderanno piede entro 20 anni. 

Nel complesso, il rapporto indica che i veicoli a guida autonoma diventeranno una tecnologia dirompente che crescerà rapidamente fino al 47% per trasformare il mercato automobilistico nei prossimi due decenni.