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Le emissioni legate ai trasporti stanno aumentando a livello globale. Attualmente, i veicoli leggeri – vale a dire le autovetture, come berline, SUV o minivan – contribuiscono per circa il 20% alle emissioni nette di gas serra negli Stati Uniti. Ma gli studi hanno dimostrato che cambiare la tua auto tradizionale ad alto consumo di gas per un veicolo alimentato da elettricità può incidere in modo significativo sulla riduzione di queste emissioni.

I ricercatori del MIT sviluppano un nuovo modello di emissioni dei veicoli elettrici per quantificare l’importanza dei modelli di ricarica dei veicoli

Un recente studio pubblicato su  Environmental Science and Technology  fa un ulteriore passo avanti esaminando come ridurre le emissioni associate alla fonte di elettricità utilizzata per caricare un veicolo elettrico (EV). Tenendo conto dei modelli di ricarica regionali e dell’effetto della temperatura ambiente sul risparmio di carburante delle auto, i ricercatori della MIT Energy Initiative (MITEI) scoprono che l’ora del giorno in cui viene caricato un veicolo elettrico ha un impatto significativo sulle emissioni del veicolo.

“Se faciliti la ricarica in momenti particolari, puoi davvero aumentare le riduzioni delle emissioni che derivano dalla crescita delle energie rinnovabili e dei veicoli elettrici”, afferma Ian Miller, l’autore principale dello studio e un ricercatore associato al MITEI.

“Allora come lo facciamo? Le tariffe per il tempo di utilizzo dell’elettricità si stanno diffondendo e possono cambiare drasticamente l’ora del giorno in cui i conducenti di veicoli elettrici ricaricano. Se informiamo i responsabili politici di questi grandi impatti sui tempi di ricarica, possono quindi progettare tariffe elettriche per scontare la ricarica quando le nostre reti elettriche sono ricche di energie rinnovabili. Nelle regioni ad alta intensità solare, è mezzogiorno. Nelle regioni con forte vento, come il Midwest, è durante la notte”.

Secondo la loro ricerca, nella California ad alta intensità solare, caricare un veicolo elettrico durante la notte produce il 70% di emissioni in più rispetto a quando fosse caricato a mezzogiorno (quando più energia solare alimenta la rete). Nel frattempo, a New York, dove il nucleare e l’idroelettrico costituiscono una quota maggiore del mix elettrico durante la notte, il miglior tempo di ricarica è l’opposto. In questa regione, caricare un veicolo durante la notte riduce effettivamente le emissioni del 20% rispetto alla ricarica diurna.

“L’infrastruttura di ricarica è un altro fattore determinante quando si tratta di facilitare la ricarica in orari specifici, specialmente durante il giorno”, aggiunge Emre Gençer, coautore e ricercatore presso MITEI. “Se devi ricaricare il tuo veicolo elettrico a mezzogiorno, devi avere abbastanza stazioni di ricarica sul posto di lavoro. Oggi, la maggior parte delle persone carica i propri veicoli nei garage durante la notte, il che produrrà emissioni più elevate nei luoghi in cui è meglio ricaricare durante il giorno “.

Nello studio, Miller, Gençer e Maryam Arbabzadeh, un postdoc al MITEI, fanno queste osservazioni in parte calcolando la percentuale di errore in due approcci comuni di modellazione delle emissioni EV, che ignorano la variazione oraria nella griglia e la variazione della temperatura nel carburante economia. I loro risultati hanno rilevato che l’errore combinato di questi metodi standard supera il 10% nel 30% dei casi e raggiunge il 50% in California, che ospita la metà dei veicoli elettrici negli Stati Uniti.

“Se non si modella il tempo di ricarica e si presume invece la ricarica con la potenza media annuale, è possibile stimare erroneamente le emissioni dei veicoli elettrici”, afferma Arbabzadeh. “A dire il vero, è fantastico avere più energia solare sulla rete e più veicoli elettrici che la utilizzano. Non importa quando carichi il tuo veicolo elettrico negli Stati Uniti, le sue emissioni saranno inferiori a quelle di un’auto simile a benzina; ma se la ricarica dei veicoli elettrici avviene principalmente quando il sole è tramontato, quando si tratta di ridurre le emissioni non otterrai così tanti vantaggi come pensi quando utilizzi una media annuale “.

Cercando di ridurre questo margine di errore, i ricercatori utilizzano i dati della griglia oraria del 2018 e del 2019, insieme ai dati orari di ricarica, guida e temperatura, per stimare le emissioni derivanti dall’uso di veicoli elettrici in 60 casi negli Stati Uniti. Quindi introducono e convalidano un nuovo metodo (con un margine di errore inferiore all’1%) per stimare accuratamente le emissioni di veicoli elettrici. Lo chiamano il metodo del “giorno medio”.

“Abbiamo scoperto che è possibile ignorare la stagionalità delle emissioni di rete e del risparmio di carburante e stimare comunque con precisione le emissioni annuali dei veicoli elettrici e gli impatti sui tempi di ricarica”, afferma Miller.

“Questa è stata una piacevole sorpresa. In Kansas lo scorso anno, le emissioni giornaliere della rete sono aumentate di circa l’80% tra le stagioni, mentre la domanda di energia elettrica è aumentata di circa il 50% a causa dei cambiamenti di temperatura. Studi precedenti hanno ipotizzato che ignorare tali oscillazioni stagionali avrebbe danneggiato l’ accuratezza delle stime delle emissioni di veicoli elettrici, ma non hanno mai effettivamente quantificato l’errore. L’abbiamo fatto, con diverse miscele di reti e climi, e abbiamo trovato l’errore trascurabile”.

Questa scoperta ha implicazioni utili per modellare futuri scenari di emissioni di veicoli elettrici. “È possibile ottenere precisione senza complessità computazionale”, afferma Arbabzadeh. “Con il metodo del giorno medio, è possibile stimare con precisione le emissioni di veicoli elettrici e gli impatti di ricarica in un anno futuro senza dover simulare 8.760 valori di emissioni di rete per ogni ora dell’anno. Tutto ciò di cui hai bisogno è un profilo del giorno medio, che significa solo valori su 24 ore, per le emissioni di rete e altre variabili chiave. Non è necessario conoscere la varianza stagionale da quei profili giornalieri medi “.

I ricercatori dimostrano l’utilità del metodo del giorno medio conducendo un caso di studio nel sud-est degli Stati Uniti dal 2018 al 2032 per esaminare come la crescita rinnovabile in questa regione possa influire sulle future emissioni di veicoli elettrici. I risultati mostrano che le emissioni di veicoli elettrici diminuiscono solo del 16% se la ricarica avviene durante la notte, ma di oltre il 50% se la ricarica avviene a mezzogiorno, ipotizzando una proiezione conservativa della rete della US Energy Information Administration.

Nel 2032, rispetto a un’auto ibrida simile, le emissioni di veicoli elettrici per miglio sono inferiori del 30% se caricate durante la notte e del 65% se caricate a mezzogiorno. Il modello utilizzato in questo studio è un modulo in un programma di modellazione più ampio chiamato Ambiente di modellazione per l’analisi dei sistemi energetici sostenibili (SESAME). Questo strumento, sviluppato presso MITEI, adotta un approccio a livello di sistema per valutare l’impronta di carbonio completa dell’attuale sistema energetico globale in evoluzione.

“L’idea alla base di SESAME è prendere decisioni migliori per la decarbonizzazione e comprendere la transizione energetica dal punto di vista dei sistemi”, afferma Gençer. “Uno degli elementi chiave di SESAME è come è possibile collegare insieme diversi settori – ‘accoppiamento di settore’ – e in questo studio vediamo un esempio molto interessante dai settori dei trasporti e dell’energia elettrica. In questo momento, come abbiamo affermato, è impossibile trattare questi due sistemi di settore in modo indipendente, e questa è una chiara dimostrazione del motivo per cui il nuovo approccio di modellazione di MITEI è davvero importante, così come di come possiamo affrontare alcuni di questi problemi imminenti “.

Nella ricerca in corso e futura, il team sta ampliando la propria analisi di ricarica dai singoli veicoli a intere flotte di autovetture al fine di sviluppare strategie di decarbonizzazione a livello di flotta. Il loro lavoro cerca di rispondere a domande come il modo in cui il divieto proposto dalla California di vendere auto a benzina nel 2035 avrebbe un impatto sulle emissioni dei trasporti.

Stanno anche esplorando cosa potrebbe significare l’elettrificazione della flotta – non solo per i gas serra, ma anche la domanda di risorse naturali come il cobalto – e se le batterie EV possano fornire un significativo accumulo di energia di rete.

“Per mitigare il cambiamento climatico, dobbiamo decarbonizzare sia il settore dei trasporti che quello dell’energia elettrica”, afferma Gençer. “Possiamo elettrificare i trasporti e ridurrà significativamente le emissioni, ma ciò che questo documento mostra è come puoi farlo in modo più efficace”.

Riferimento: “Variazioni orarie della rete elettrica, modelli di ricarica dei veicoli elettrici ed emissioni operative” di Ian Miller, Maryam Arbabzadeh ed Emre Gençer, 26 novembre 2020, Scienze e tecnologie ambientali.