Essendo un elemento fondamentale del sistema di propulsione di un veicolo elettrico, la sostenibilità dei motori elettrici è cruciale anche nell'analisi della sostenibilità complessiva del veicolo. Il rapporto IDTechEx, "Electric Motors for Electric Vehicles 2025-2035: Technologies, Materials, Markets, and Forecasts", prevede un fabbisogno di oltre 160 milioni di motori elettrici all'anno entro il 2035. Questo articolo si propone di esaminare alcuni dei fattori chiave e dei compromessi da considerare nella progettazione dei motori elettrici se la sostenibilità è l'obiettivo finale.
L'impatto della scelta dei materiali
Nella stragrande maggioranza dei casi, i materiali utilizzati nello statore dei motori elettrici per il mercato dei veicoli elettrici sono molto simili, con lamierini di acciaio e avvolgimenti in rame. La differenza principale risiede nei materiali del rotore. I motori a magneti permanenti in terre rare costituiscono la maggior parte del mercato e, secondo le previsioni di IDTechEx, dovrebbero raggiungere una quota di mercato dell'85% nel settore delle auto elettriche entro il 2023.
Tra i materiali considerati per i motori elettrici (acciaio, alluminio, rame), gli elementi delle terre rare hanno il maggiore impatto ambientale per chilogrammo, se si considera il loro potenziale di riduzione dello strato di ozono, riscaldamento globale, acidificazione, eutrofizzazione e formazione di ozono fotochimico. Sebbene rappresentino una porzione relativamente piccola del motore (meno di 1-2 kg), i motori contenenti elementi delle terre rare tendono ad avere un maggiore impatto ambientale per kilowatt di potenza rispetto alle alternative che ne sono prive, anche se i motori senza magneti in genere richiedono maggiori quantità di altri materiali come il rame. Tuttavia, i motori senza magneti possono richiedere ulteriori fasi di produzione che potrebbero aumentare il consumo energetico durante la fabbricazione.
Figura 1: Analisi IDTechEx sull'impatto ambientale dei materiali utilizzati nei motori di vari veicoli elettrici commerciali. Fonte: IDTechEx
Aumentare la densità e l'efficienza energetica per migliorare la sostenibilità
In parole semplici, un motore più efficiente significa che si spreca meno energia per far muovere il veicolo. Questo si traduce in un minore prelievo di elettricità dalla rete, il che, a seconda della rete stessa, potrebbe ridurre significativamente le emissioni di CO2. Inoltre, un motore più efficiente consente di utilizzare una batteria più piccola per ottenere la stessa autonomia, riducendo così il consumo di materiali e l'impatto ambientale complessivo del sistema di batterie.
Un altro aspetto importante è la densità di potenza. Un motore con una maggiore densità di potenza utilizzerà meno materiale per raggiungere la stessa potenza. Prendendo come esempio estremo un motore a flusso assiale ad alta densità di potenza, i produttori intervistati da IDTechEx hanno affermato che è possibile ottenere 190 kW di potenza con meno di 1,2 kg di magneti, ovvero circa 6,3 grammi/kW. Si confronti questo dato con quello di un moderno motore a flusso radiale, che pesa circa 10 grammi/kW.
Abbiamo bisogno di più motori?
Una ricerca di IDTechEx ha rilevato che il numero medio di motori utilizzati dai veicoli elettrici a batteria (BEV) nel 2023 era superiore del 13% rispetto al 2015, a causa della crescente diffusione di veicoli con configurazioni a due, tre o quattro motori. Naturalmente, un maggior numero di motori in un veicolo comporta un aumento del consumo di materiali, non solo per il motore stesso, ma anche per tutta l'elettronica e i componenti di gestione termica ad esso associati.
Ci si potrebbe chiedere: quanti consumatori hanno effettivamente bisogno di più di un motore? È indubbiamente un lusso desiderabile e le case automobilistiche in genere preferiscono vendere questi veicoli con specifiche più elevate, che offrono un margine di profitto maggiore. Ciò riduce la sostenibilità del veicolo; tuttavia, se significa che più persone sono disposte ad acquistare un veicolo elettrico a batteria (BEV), può essere considerato un passo nella giusta direzione per l'ambiente nel suo complesso. IDTechEx ritiene che un passo fondamentale per rivitalizzare la crescita del mercato dei veicoli elettrici sarà la disponibilità di modelli a basso costo (soprattutto in Europa) che probabilmente adotteranno una soluzione a motore singolo per contenere i costi.
Quanto è importante la sostenibilità?
La sostenibilità è un obiettivo fondamentale per la maggior parte delle aziende moderne, molte delle quali si sono prefissate traguardi di emissioni nette pari a zero in un futuro non troppo lontano e hanno interi reparti dedicati alla riduzione dell'impatto ambientale aziendale. Mentre le case automobilistiche si sforzano di rendere i veicoli elettrici più redditizi – veicoli che saranno un fattore determinante nella decarbonizzazione del trasporto su strada – la sostenibilità dei componenti dei veicoli elettrici passerà spesso in secondo piano rispetto a fattori come prestazioni, efficienza e prezzo. Inoltre, si presta spesso maggiore attenzione ai materiali delle batterie, e giustamente, viste le quantità utilizzate rispetto ai motori. Ciò si riflette nelle prime normative, come il passaporto delle batterie in Europa, che richiede la rendicontazione dell'impronta di CO2 della batteria. Inizialmente, l'attenzione sulla sostenibilità si concentrerà principalmente su questo aspetto, ma in futuro il motore potrebbe rivelarsi un'importante risorsa per migliorare la sostenibilità dei veicoli.
IDTechEx prevede che nel 2035 saranno necessari oltre 160 milioni di motori elettrici per il mercato dei veicoli elettrici e che, nello stesso anno, circa il 30% del mercato automobilistico utilizzerà tecnologie prive di terre rare.
Autore: Dr. James Edmondson, Direttore della ricerca presso IDTechEx
