L’industria automobilistica è il settore dei trasporti più grande, 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 delle prime auto elettriche risalgono a un centinaio di anni fa, i mercati delle auto elettriche come li conosciamo ora sono in crescita solo dal 2011. Grazie alle loro dimensioni, i mercati automobilistici creano le maggiori opportunità per gli attori della catena di approvvigionamento dei veicoli elettrici, dai materiali avanzati ai pacchi batteria, all’elettronica di potenza e ai motori elettrici. Inoltre, guidano il rapido ritmo dell’innovazione che consente l’elettrificazione in altri settori dei trasporti, sia nella tecnologia, nella regolamentazione o nei modelli di business.
Il rapporto di IDTechEx prevede che nel giro di 20 anni l’auto elettrica genererà il 76% dei ricavi totali del trasporto elettrico.
Indice
Gli scenari futi del mercato elettrico
Le vendite di auto elettriche globali hanno registrato un forte aumento nel 2021, superando i 6,4 milioni di unità, e IDTechEx prevede che nel 2022 raggiungeranno quota 9 milioni. Previsioni positive, nonostante persistano alcune sfide, come la mancanza di chip e i problemi di produzione legati alla pandemia. All’orizzonte si profilano gravi carenze di materie prime fondamentali, in particolare il carbonato di litio. Mentre queste sfide potrebbero influire sulle tempistiche e sul ritmo della transizione, i principali mercati automobilistici sono orientati verso un’unica direzione: la decarbonizzazione attraverso i veicoli elettrici.
Il rapporto IDTechEx
Il rapporto fornisce previsioni regionali (Stati Uniti, Cina, Norvegia, Regno Unito, Francia, Germania, Paesi Bassi, Danimarca, RdM) e tecnologiche. 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); il cablaggio ad alta tensione e le infrastrutture di ricarica.
Mentre l’autonomia diventa un terreno di battaglia fondamentale per differenziare i veicoli elettrici in un contesto di scarsità di batterie, nuovi progressi nel campo dei propulsori si fanno strada. Il rapporto illustra l’aumento delle piattaforme a 800 V, degli inverter al carburo di silicio (SiC), dei sistemi di motori più efficienti e della capacità di ricarica rapida in corrente continua.
Celle e batterie
Il rapporto rivela i progressi e le opportunità delle celle a combustibile nei mercati automobilistici, fornendo previsioni globali a 20 anni. 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 2021 solo due grandi OEM (Original equipment manufacturer), Toyota e Hyundai, hanno in produzione auto FCEV e nel 2021 sono stati venduti meno di 20.000 FCEV.
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 secondo l’analisi del nuovo rapporto IDTechEx sarà fondamentale per far sì che i veicoli a celle a combustibile rispettino le credenziali ambientali con cui vengono venduti.
Celle e batterie agli ioni di litio avanzati
Le batterie agli ioni di litio derivati su anodi di grafite e catodi di ossido stratificato (Nmc, Nca) sono le più utilizzate nei veicoli elettrici, ma 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.
La previsione di IDTechEx è che gli ioni di litio manterranno la loro posizione di primo piano nel mercato dei veicoli elettrici, in particolare delle auto elettriche a batteria. Tuttavia, sono necessari miglioramenti incrementali nei catodi, negli anodi, nella progettazione delle celle e nella densità energetica.
L’elettronica di potenza
Si stanno compiendo progressi importanti nel campo dell’elettronica di potenza per autoveicoli (inverter, di bordo, convertitori DC-DC) per migliorare l’efficienza del gruppo propulsore, riducendo la necessità di capacità della batteria o migliorando l’autonomia.
Uno dei modi principali per migliorare l’efficienza è quello di passare ai Mosfet di carburo di silicio e alle piattaforme per veicoli ad alta tensione (800 V o maggiori).
Questa transizione mette alla prova i 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.
L’evoluzione dei motori elettrici
I mercati dei motori elettrici sono ancora oggi in evoluzione, con nuovi progetti, una maggiore 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 OEM 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 altro aspetto fondamentale 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 aumento 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 le tendenze in termini di tecnologia e topologia dei motori, densità di potenza e di coppia, e utilizzo dei materiali. Questo rapporto affronta tali tendenze all’interno dei mercati per le auto elettriche alimentate a batteria con casi d’uso degli OEM e una visione d’insieme della tecnologia in base al tipo di motore: magnete permanente (PM), induzione, rotore avvolto, magnete permanente in-wheel, magnete permanente assiale.