Veicoli elettrici e pompe di calore: I motori elettrici giocano un ruolo cruciale nella transizione energetica

I motori elettrici sono implicati in due grandi opzioni di decarbonizzazione che coinvolgono l'elettrificazione: i veicoli elettrici (EV) e le pompe di calore. Questo porterà a una crescita significativa del mercato, così come a crescenti responsabilità riguardanti l'efficienza, la flessibilità e l'uso dei materiali.

Il settore dell'energia elettrica è il più veloce da decarbonizzare a causa dell'ampia varietà di fonti di energia senza carbonio che possono generare elettricità, come il fotovoltaico, l'eolico e l'idroelettrico. Questo significa che l'elettrificazione può aiutare altri settori a decarbonizzarsi velocemente e su larga scala. La quota di elettricità nel consumo finale lordo di energia nell'UE dovrebbe aumentare dall'attuale 17% a circa il 60-70% nei prossimi 30 anni. Il maggior potenziale di elettrificazione si trova nel riscaldamento e raffreddamento degli edifici, nel riscaldamento dell'acqua, nei trasporti e in vari tipi di uso industriale dell'energia. La maggior parte di queste applicazioni coinvolge i motori elettrici. Di conseguenza, la quota dei sistemi di motori elettrici crescerà almeno insieme al processo di elettrificazione, dall'attuale 9% a circa il 30% dell'uso finale di energia dell'UE. In vista di questa forte crescita del mercato, aumenterà anche l'impatto dei motori sull'ambiente e sul funzionamento della rete.

L'elettrificazione dei trasporti

Il settore dei trasporti è quello che contribuisce maggiormente alle emissioni di gas serra (GHG) legate all'energia nell'UE-28. Una svolta nel mercato dei veicoli elettrici (EV) per il trasporto privato potrebbe portare a una forte e immediata riduzione di queste emissioni, poiché gli EV hanno un'efficienza well-to-wheel molto più alta rispetto alle automobili con un motore a combustione interna (ICE) alimentato da combustibili fossili. Inoltre, c'è un forte incentivo tecnologico per aumentare ulteriormente l'efficienza energetica dei motori EV, poiché così facendo si aumenta l'autonomia di guida per una capacità fissa della batteria. E con la duratura decarbonizzazione del settore dell'energia elettrica, le riduzioni delle emissioni di carbonio raggiunte dai veicoli elettrici continueranno ad aumentare.

La maggior parte dei produttori di veicoli elettrici optano attualmente per motori sincroni a magnete permanente (PMSM). Altri tipi di motori EV includono motori a induzione AC con rotori in rame e motori sincroni a campo avvolto. Tuttavia, con la prospettiva di un futuro mercato di massa, gli azionamenti elettrici automobilistici sono oggetto di intensi sforzi di R&S, con - tra gli altri - un focus sullo sviluppo di motori con un contenuto ridotto di terre rare. Nei prossimi anni sono attesi importanti miglioramenti che porteranno a spostamenti tra i tipi di motori preferiti.

L'elettrificazione dell'HVAC

Un terzo delle emissioni di gas serra in Europa può essere attribuito agli edifici, e molti di questi sono legati al riscaldamento e al raffreddamento. Con la direttiva sul rendimento energetico degli edifici (EPBD), l'UE mira a diminuire le emissioni degli edifici del settore residenziale e terziario dell'88-91% entro il 2050 rispetto alla base del 1990. Poiché i tassi di costruzione e ristrutturazione sono bassi, una tecnologia installata in un edificio potrebbe rimanere per 30-40 anni o più. Questo significa che i sistemi dovrebbero essere progettati pensando al futuro, considerando in particolare la prevista diminuzione duratura delle emissioni di gas serra dalla produzione di elettricità. Il tipo preferito di tecnologia di riscaldamento dipende da molti fattori, ma per la maggior parte delle abitazioni, una pompa di calore locale o un sistema di teleriscaldamento altamente decarbonizzato saranno le opzioni preferite. Le pompe di calore si basano su un compressore azionato elettricamente e possono essere usate sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. La sua tecnologia è più matura di quella dei veicoli elettrici, e non ci si devono aspettare cambiamenti tecnologici fondamentali nel prossimo futuro. Con le normative europee che si evolvono gradualmente verso l'imposizione di edifici a energia quasi zero, il settore è stimolato ad aumentare ulteriormente l'efficienza energetica delle pompe di calore. La scelta della giusta strategia di variazione del carico del compressore gioca un ruolo importante in questo senso.

L'efficienza energetica rimane all'ordine del giorno

La prevista crescita del mercato dei sistemi a motore rende un percorso di decarbonizzazione efficace per aumentare ulteriormente la loro efficienza fino al livello del più basso costo del ciclo di vita. Estendere l'Ecodesign MEPS ad altre categorie di motori e rimuovere alcune eccezioni sarebbe un prossimo passo logico che potrebbe portare a significativi risparmi di emissioni di carbonio. I motori piccoli e grandi potrebbero essere inclusi, e le eccezioni per i motori autofrenanti e a prova di esplosione potrebbero essere rimosse, così come la scelta di optare per una categoria di efficienza inferiore se combinata con un azionamento a velocità variabile (VSD). Questi quattro passi porterebbero a un risparmio totale di 22,3 TWh o 9,97 milioni di tonnellate di_CO2eq all'anno. Per i motori di media e grande potenza, il livello di efficienza minima potrebbe essere portato a IE4 a partire dal 2022. Ciò sarebbe economicamente valido e farebbe risparmiare altri 9,3 TWh e 4,16 milioni di tonnellate di_CO2eq all'anno.

Il più grande potenziale di risparmio energetico, tuttavia, risiede probabilmente in un approccio che si concentra sull'intero sistema del motore invece che sul dispositivo isolato. Lo svantaggio di un tale "approccio esteso al prodotto" è la difficoltà di tradurlo in un regolamento praticabile. Una promozione più attiva dello standard IEC 61800-9, che prende in considerazione l'intero sistema motore, sarebbe utile, così come lo sviluppo di uno strumento software che possa assistere nell'implementazione di questo standard. Un altro modo - complementare - potrebbe essere quello di promuovere l'efficienza del sistema attraverso la norma ISO 50001 sulla gestione dell'energia e le sue guide di attuazione.

Spostare il consumo verso momenti di produzione abbondante

La quota crescente di sistemi di energia rinnovabile collegati alla rete, che sono caratterizzati da una produzione naturalmente variabile, rende il compito degli operatori di rete sempre più complesso. L'elettricità non solo deve essere utilizzata in modo efficiente, ma il suo consumo deve essere spostato il più possibile verso i momenti di produzione abbondante. Alcuni settori con un gran numero di sistemi a motore in uso sono ben attrezzati per offrire questa flessibilità. Questi includono l'HVAC degli edifici (stanze ben isolate rappresentano da sole una capacità tampone), la gestione dell'acqua (guidata principalmente da sistemi di pompe) e gli impianti di processo industriale. Dovrebbero essere messi in atto dei meccanismi per collegare gli utenti dell'elettricità con gli operatori di rete in modo da ottenere un impegno così ampio da parte dei consumatori.

I motori nell'economia circolare

Infine, la transizione energetica può essere sostenibile solo se si tiene conto dell'uso dei materiali. Con il pacchetto sull'economia circolare, anche la Commissione europea è giunta a questa conclusione. Il previsto aumento del numero di motori necessari durante la transizione energetica ci porta alla domanda se questi motori hanno il potenziale per essere parte dell'economia circolare.

Se i motori sono composti principalmente da rame, acciaio e alluminio, il loro potenziale di esaurimento rimane limitato e il loro livello di riciclabilità elevato. I motori sono stati riavvolti e riciclati per decenni. I motori sincroni a magnete permanente (PMSM) contengono vari metalli delle terre rare che appaiono nella lista UE delle materie prime critiche e quindi non sono raccomandati per diventare una parte importante della soluzione per i mercati di massa emergenti. Il sostegno alla ricerca e all'innovazione dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di azionamenti privi di terre rare.

IlDesign for Recycling(DfR) considera lo sforzo tecnico ed economico necessario per recuperare quanto più materiale possibile durante la riparazione e la revisione e alla fine del ciclo di vita. Potrebbe essere stimolato fornendo agli acquirenti di motori elettrici informazioni sulla riciclabilità, ad esempio attraverso un'etichetta Design for Recycling.

I motori elettrici hanno un futuro luminoso. Se riusciranno a continuare la loro impresa di continui miglioramenti dell'efficienza energetica e allo stesso tempo lavoreranno verso un uso responsabile dei materiali, privo di metalli delle terre rare e incorporato in un'economia veramente circolare, potrebbero diventare uno dei maggiori vincitori della transizione energetica.

Maggiori informazioni su questo argomento nel libro bianco di Leonardo Energy ElettricoMotori elettrici nella transizione energetica.