Il settore automobilistico rappresenta l’industria dei trasporti più grande al mondo, con una vendita annuale di circa 80-90 milioni di veicoli. Attualmente, esistono circa 1,1 miliardi di veicoli in circolazione, il che contribuisce in modo significativo alle emissioni di gas nocivi, rendendo così il settore un obiettivo prioritario per gli sforzi di sostenibilità ambientale.
Sebbene i primi progetti di veicoli elettrici risalgano a circa un secolo fa, i mercati delle auto elettriche come li conosciamo oggi sono in crescita solo dal 2011. L’industria automobilistica, grazie alla sua vasta dimensione, offre un’ampia gamma di opportunità per gli attori della catena di fornitura di veicoli elettrici, che vanno dai materiali avanzati per batterie, all’elettronica di potenza, fino ai motori elettrici. Inoltre, l’industria automobilistica guida l’accelerazione dell’innovazione che favorisce l’elettrificazione anche in altri settori dei trasporti, sia a livello tecnologico che normativo, nonché nei modelli di business.
Secondo il rapporto di IDTechEx, entro i prossimi 20 anni, l’auto elettrica rappresenterà il 76% dei ricavi totali nel settore dei trasporti elettrici.
Le vendite globali di veicoli elettrici hanno mostrato una forte crescita nel 2021, superando i 6,4 milioni di unità. Secondo le previsioni di IDTechEx, si stima che nel 2022 raggiungeranno quota 9 milioni. Nonostante le sfide come la mancanza di chip e i problemi di produzione derivanti dalla pandemia, le prospettive rimangono positive. Tuttavia, si profilano alcune preoccupazioni legate alle carenze di materie prime fondamentali, in particolare il carbonato di litio. Sebbene queste sfide possano influire sulle tempistiche e sul ritmo della transizione, i principali mercati automobilistici stanno chiaramente puntando verso la decarbonizzazione attraverso i veicoli elettrici.
Il rapporto di IDTechEx fornisce previsioni sia a livello regionale (Stati Uniti, Cina, Norvegia, Regno Unito, Francia, Germania, Paesi Bassi, Danimarca, Resto del Mondo) che a livello tecnologico. La copertura tecnologica comprende veicoli elettrici a batteria (BEV), veicoli ibridi (PHEV e HEV) e veicoli a celle a combustibile (FCEV); veicoli autonomi di livello 2, 3 e 4; batterie agli ioni di litio (NMC, NCA, LFP, silicio, stato solido); motori elettrici (PM, WRSM, ACIM, a flusso assiale, In-wheel); elettronica di potenza (SiC, Si IGBT); sistemi di cablaggio ad alta tensione e infrastrutture di ricarica.
Nell’ambito della competizione per differenziare i veicoli elettrici, l’autonomia diventa un fattore chiave, considerando la scarsità di batterie. Tuttavia, sono in corso progressi significativi nel campo dei propulsori. Il rapporto evidenzia l’adozione delle piattaforme a 800 V, degli inverter al carburo di silicio (SiC), dei sistemi di motori più efficienti e delle capacità di ricarica rapida in corrente continua.
La diffusione delle auto a celle a combustibile deve affrontare notevoli sfide, come la riduzione dei costi dei componenti del sistema delle celle a combustibile e la creazione di un’infrastruttura adeguata per il rifornimento di idrogeno. Sarà inoltre fondamentale garantire l’accesso a idrogeno “verde” a basso costo, ottenuto attraverso l’elettrolisi dell’acqua utilizzando energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili. Secondo un nuovo rapporto di IDTechEx, questo sarà un requisito essenziale affinché le auto a celle a combustibile rispettino gli standard ambientali per cui vengono commercializzate.
Le batterie agli ioni di litio, che utilizzano anodi di grafite e catodi di ossido stratificato (Nmc, Nca), sono attualmente le più diffuse nei veicoli elettrici. Tuttavia, stanno raggiungendo i loro limiti di prestazione e vengono evidenziati i rischi ambientali e di approvvigionamento. Pertanto, diventa sempre più importante cercare miglioramenti e alternative a queste batterie.
Le batterie agli ioni di litio avanzate includono anodi di silicio e di metallo Li, elettroliti solidi, catodi ad alto tenore di Ni e una varietà di fattori di progettazione delle celle. Queste soluzioni sono considerate come possibili miglioramenti per le prestazioni delle batterie agli ioni di litio.
Secondo le previsioni di IDTechEx, le batterie agli ioni di litio manterranno comunque la loro posizione di primo piano nel mercato dei veicoli elettrici, soprattutto per le auto elettriche a batteria. Tuttavia, per continuare a progredire, sono necessari miglioramenti incrementali nei catodi, negli anodi, nella progettazione delle celle e nella densità energetica.
Sono in corso importanti progressi nell’ambito dell’elettronica di potenza per i veicoli, come inverter di bordo e convertitori DC-DC, al fine di migliorare l’efficienza complessiva del sistema di propulsione. Questo permette di ridurre la necessità di capacità della batteria o di migliorare l’autonomia del veicolo.
Uno dei principali approcci per aumentare l’efficienza è quello di adottare Mosfet a carburo di silicio e piattaforme ad alta tensione (800 V o superiori). Questa transizione rappresenta una sfida per i materiali utilizzati nei moduli di potenza, in quanto richiede frequenze di commutazione più elevate, densità di potenza maggiori e temperature di esercizio più estreme, mantenendo allo stesso tempo una durata operativa di 15 anni.
L’obiettivo è sviluppare materiali e tecnologie che possano supportare le esigenze di prestazioni richieste, garantendo al contempo l’affidabilità a lungo termine dei moduli di potenza. Questi progressi sono essenziali per continuare a ottimizzare l’efficienza energetica dei veicoli elettrici, consentendo una maggiore autonomia e una riduzione delle dimensioni e del peso del sistema di alimentazione.
