Un veicolo elettrico ibrido plug-in (PHEV) è un veicolo ibrido elettrico la cui batteria può essere ricaricata collegandola a una fonte esterna di energia elettrica, nonché dal suo motore e dal suo generatore di bordo. La maggior parte delle PHEV sono autovetture, ma ci sono anche versioni PHEV di veicoli commerciali e furgoni, autocarri, autobus, treni, motocicli, scooter e veicoli militari.

Analogamente ai veicoli completamente elettrici, gli ibridi plug-in spostano le emissioni dal tubo di scappamento dell’auto ai generatori che alimentano la rete elettrica. Questi generatori possono essere rinnovabili, o possono avere emissioni inferiori rispetto a un motore a combustione interna.Caricare la batteria dalla rete può costare meno rispetto all’utilizzo del motore di bordo, contribuendo a ridurre i costi operativi.

Gli ibridi plug-in prodotti in serie erano disponibili al pubblico in Cina e negli Stati Uniti nel 2010. Entro la fine del 2016, c’erano oltre 30 modelli di ibridi plug-in legali per la produzione in serie per le vendite al dettaglio. Le auto ibride plug-in sono disponibili principalmente negli Stati Uniti, in Canada, nell’Europa occidentale, in Giappone e in Cina. I modelli più venduti sono la famiglia Volt della Chevrolet, la Mitsubishi Outlander P-HEV e la Toyota Prius PHV.

A dicembre 2016, lo stock globale di auto ibride plug-in ammontava a quasi 800.000 unità, su oltre due milioni di auto elettriche plug-in per veicoli leggeri sulle strade del mondo alla fine del 2016. A partire da dicembre 2015, gli Stati Uniti classificato come il più grande mercato di auto ibride plug-in del mondo con uno stock di 193.770 unità, seguito dalla Cina con 86.580 veicoli, l’Olanda con 78.160, il Giappone con 55.470 unità e il Regno Unito con 28.250.

Terminologia
La gamma completamente elettrica di un ibrido plug-in è designata da PHEV- [miglia] o PHEV [chilometri] km in cui il numero rappresenta la distanza che il veicolo può percorrere con la sola batteria. Ad esempio, un PHEV-20 può percorrere venti miglia (32 km) senza utilizzare il suo motore a combustione, quindi può anche essere designato come PHEV32km.
Affinché queste vetture funzionino a batteria, passano attraverso processi di ricarica che utilizzano correnti diverse. Queste correnti sono conosciute come corrente alternata (AC) utilizzata per caricatori di bordo e corrente continua (CC) utilizzata per la ricarica esterna.
Altri termini popolari usati a volte per gli ibridi plug-in sono “ibridi collegati alla rete”, “veicoli ibridi elettrici a gas” (GO-HEV) o semplicemente “ibridi a gas”. GM chiama il suo ibrido plug-in della serie Chevrolet Volt un “veicolo elettrico ad autonomia estesa”.

Tecnologia

powertrains
I PHEV sono basati sulle stesse tre architetture powertrain di base degli ibridi convenzionali; un ibrido di serie è azionato solo da motori elettrici, un ibrido parallelo è azionato sia dal motore che dai motori elettrici che operano simultaneamente, e un ibrido in serie parallelo opera in entrambe le modalità. Mentre un semplice veicolo ibrido carica la sua batteria solo dal suo motore, un ibrido plug-in può ottenere una quantità significativa di energia necessaria per ricaricare la batteria da fonti esterne.

Sistemi di ricarica
Il caricabatterie può essere installato a bordo o all’esterno del veicolo. Il processo per un caricatore a bordo viene spiegato nel modo migliore in quanto l’alimentazione CA viene convertita in corrente continua, con conseguente caricamento della batteria. I caricabatterie di bordo hanno una capacità limitata in base al peso e alle dimensioni e alla capacità limitata di prese CA di uso generale. I caricatori off-board dedicati possono essere grandi e potenti quanto l’utente può permettersi, ma è necessario tornare al caricabatterie; i caricabatterie ad alta velocità possono essere condivisi da più veicoli.

L’utilizzo dell’inverter del motore elettrico consente agli avvolgimenti del motore di funzionare come bobine del trasformatore e all’inverter ad alta potenza esistente come caricabatterie da CA a CC.Poiché questi componenti sono già richiesti sull’automobile e sono progettati per gestire qualsiasi capacità di alimentazione pratica, possono essere utilizzati per creare una forma molto potente di caricatore di bordo senza peso o dimensioni aggiuntivi significativi. AC Propulsion utilizza questo metodo di ricarica, denominato “ricarica riduttiva”.

Modalità di funzionamento
Un ibrido plug-in funziona in modalità di esaurimento della carica e di mantenimento della carica. Le combinazioni di queste due modalità sono definite modalità mista o mista. Questi veicoli possono essere progettati per guidare per una gamma estesa in modalità completamente elettrica, solo a bassa velocità o a tutte le velocità. Queste modalità gestiscono la strategia di scarico della batteria del veicolo e il loro utilizzo ha un effetto diretto sulle dimensioni e il tipo di batteria richiesti:

La modalità di riduzione della carica consente a un PHEV completamente carico di funzionare esclusivamente (o in base al veicolo, quasi esclusivamente, tranne durante una forte accelerazione) sull’energia elettrica fino a quando lo stato di carica della batteria non si esaurisce a un livello predeterminato, momento in cui la combustione interna del veicolo il motore o la pila a combustibile saranno impegnati. Questo periodo è la gamma interamente elettrica del veicolo. Questa è l’unica modalità in cui un veicolo elettrico a batteria può operare, quindi la loro portata limitata.

La modalità mista descrive un viaggio utilizzando una combinazione di più modalità. Ad esempio, un’auto può iniziare un viaggio in modalità di riduzione della carica a bassa velocità, quindi entrare in una superstrada e operare in modalità mista. Il conducente potrebbe uscire dalla superstrada e guidare senza il motore a combustione interna fino all’esaurimento del range di energia elettrica. Il veicolo può tornare a una modalità di mantenimento della carica fino al raggiungimento della destinazione finale. Ciò contrasta con un viaggio che impoverisce la carica che verrebbe guidato entro i limiti della gamma completamente elettrica di un PHEV.

Stoccaggio di energia elettrica
Le dimensioni ottimali della batteria variano a seconda che l’obiettivo sia quello di ridurre il consumo di carburante, i costi di gestione o le emissioni, ma uno studio recente ha concluso che “La scelta migliore della capacità della batteria PHEV dipende in modo critico dalla distanza percorsa dal veicolo tra le cariche. I nostri risultati suggeriscono che per condizioni di guida urbana e frequenti cariche ogni 10 miglia o meno, un PHEV a bassa capacità con un AER (tutta la gamma elettrica) di circa 7 miglia sarebbe una scelta valida per ridurre al minimo il consumo di benzina, i costi e il gas serra Per una ricarica meno frequente, ogni 20-100 miglia, i PHEV rilasciano meno gas serra, ma gli HEV sono più convenienti “.

I PHEV richiedono in genere cicli di carica e scarica più intensi rispetto agli ibridi convenzionali.Poiché il numero di cicli completi influisce sulla durata della batteria, questo potrebbe essere inferiore rispetto agli HEV tradizionali che non esauriscono completamente le loro batterie. Tuttavia, alcuni autori sostengono che i PHEV diventeranno presto standard nel settore automobilistico. È necessario risolvere problemi di progettazione e compromessi in termini di durata della batteria, capacità, dissipazione del calore, peso, costi e sicurezza. La tecnologia avanzata delle batterie è in fase di sviluppo, promettendo maggiori densità energetiche sia per massa che per volume, e si prevede un aumento della durata della batteria.

I catodi di alcune delle prime batterie agli ioni di litio del 2007 sono realizzati in ossido di metallo di litio-cobalto. Questo materiale è costoso e le celle prodotte con esso possono rilasciare ossigeno in caso di sovraccarico. Se il cobalto viene sostituito con fosfati di ferro, le cellule non bruciano o rilasciano ossigeno sotto nessuna carica. All’inizio del 2007 i prezzi della benzina e dell’elettricità, il punto di pareggio si raggiunge dopo sei-dieci anni di attività. Il periodo di rimborso può essere più lungo per gli ibridi plug-in, a causa delle batterie più grandi e costose.

Le batterie al nichel-metallo idruro e agli ioni di litio possono essere riciclate; La Toyota, ad esempio, ha in atto un programma di riciclaggio in base al quale i rivenditori ricevono un credito di 200 USD per ogni batteria restituita. Tuttavia, gli ibridi plug-in utilizzano generalmente pacchi batteria più grandi rispetto agli ibridi convenzionali comparabili, e quindi richiedono più risorse. La Pacific Gas and Electric Company (PG & amp; E) ha suggerito che le utility potrebbero acquistare batterie usate per il backup e il livellamento del carico. Affermano che mentre queste batterie usate potrebbero non essere più utilizzabili nei veicoli, la loro capacità residua ha ancora un valore significativo. Più di recente, General Motors (GM) ha affermato di essere stata “avvicinata dalle utility interessate a utilizzare batterie riciclate Volt come sistema di accumulo di energia, un mercato secondario che potrebbe ridurre il costo della Volt e di altri veicoli plug-in per i consumatori” .

Ultracondensatori (o “supercondensatori”) sono utilizzati in alcuni ibridi plug-in, come il prototipo di concetto di AFS Trinity, per immagazzinare energia rapidamente disponibile con la loro elevata densità di potenza, al fine di mantenere le batterie entro limiti di riscaldamento resistivi e prolungare la durata della batteria. L’UltraBattery di CSIRO combina un supercondensatore e una batteria al piombo in una singola unità, creando una batteria per auto ibrida che dura più a lungo, costa meno ed è più potente delle tecnologie attuali utilizzate nei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV).

Conversioni di veicoli di produzione
Esistono diverse società che convertono veicoli ibridi con combustibili fossili in ibridi plug-in:

La conversione aftermarket di un ibrido di produzione esistente a un ibrido plug-in implica in genere l’aumento della capacità del pacco batteria del veicolo e l’aggiunta di un caricabatterie CA-CC a bordo. Idealmente, il software powertrain del veicolo verrebbe riprogrammato per sfruttare appieno la capacità di accumulo di energia e la potenza in uscita.

Molte conversioni di veicoli elettrici ibridi plug-in precoci sono state basate sulla Toyota Prius. Alcuni dei sistemi hanno comportato la sostituzione della batteria originale NiMH del veicolo e della sua unità di controllo elettronica. Altri aggiungono una batteria aggiuntiva sul pacco batteria originale.

Confronto con ibridi non plug-in

Efficienza del carburante e dislocamento del petrolio
Gli ibridi plug-in hanno il potenziale per essere persino più efficienti degli ibridi convenzionali perché un uso più limitato del motore a combustione interna del PHEV può consentire di utilizzare il motore più vicino alla sua massima efficienza. Mentre un Prius è in grado di convertire il combustibile in energia motrice in media a circa il 30% di efficienza (ben al di sotto del 38% di efficienza del motore), il motore di un PHEV-70 potrebbe funzionare molto più spesso vicino alla sua massima efficienza perché il le batterie possono soddisfare le modeste esigenze di potenza nei momenti in cui il motore a combustione è costretto a funzionare ben al di sotto della sua massima efficienza. L’efficienza effettiva raggiunta dipende dalle perdite derivanti dalla generazione di energia elettrica, dall’inversione, dalla carica / scarica della batteria, dal controllore motore e motore stesso, dal modo in cui un veicolo viene utilizzato (il suo ciclo di lavoro) e dalle opportunità di ricarica collegandosi alla rete elettrica.

Ogni chilowattora di capacità della batteria in uso sposterà fino a 50 galloni americani (190 l; 42 imp gal) di combustibili petroliferi all’anno (benzina o diesel). Inoltre, l’elettricità è multi-sourced e, di conseguenza, offre il massimo grado di resilienza energetica.

Il risparmio di carburante effettivo per i PHEV dipende dalle modalità di funzionamento del gruppo propulsore, dalla loro autonomia totale e dalla quantità di guida tra le cariche. Se non viene utilizzata la benzina, le miglia per gallone equivalente a benzina (MPG-e) dipendono solo dall’efficienza del sistema elettrico. La prima produzione in serie PHEV disponibile sul mercato statunitense, la Chevrolet Volt del 2011, con un range EPA di 35 miglia (56 km) e un’ulteriore autonomia di soli 344 miglia (554 km) con benzina ha un EPA Combustibile combinato città / autostrada di 93 MPG-e in modalità completamente elettrica, e 37 mpg-US (6,4 L / 100 km, 44 mpg-imp) in modalità solo benzina, per una valutazione complessiva complessiva del consumo di carburante gas-elettrico di 60 mpg-US (3,9 L / 100 km, 72 mpg-imp) equivalenti (MPG-e). L’EPA includeva anche nell’etichetta del consumo di carburante della Volt una tabella che mostrava il consumo di carburante e l’elettricità consumata per cinque diversi scenari: 30, 45, 60 e 75 miglia (121 km) guidati tra una carica completa e uno scenario mai addebitato. Secondo questa tabella il risparmio di carburante sale a 168 mpg-US (1,40 L / 100 km, 202 mpg-imp) equivalenti (MPG-e) con 45 miglia (72 km) guidati tra cariche complete.

Per l’economia di carburante e l’etichetta ambientale più completi che saranno obbligatori negli Stati Uniti a partire dall’anno 2013, l’Amministrazione nazionale per la sicurezza del traffico stradale (NHTSA) e l’Environmental Protection Agency (EPA) hanno rilasciato due etichette separate per i carburanti ibridi plug-in perché della loro complessità progettuale, in quanto PHEVS può operare in due o tre modalità operative: completamente elettrica, miscelata e solo a benzina. Un’etichetta è per veicoli elettrici ibridi o di serie estesa (come la Chevy Volt), con modalità esclusivamente elettriche e solo benzina; e una seconda etichetta per la modalità mista o ibrida in serie-parallelo, che include una combinazione di funzionamento elettrico a benzina e plug-in; e solo benzina, come un veicolo ibrido convenzionale.

La Society of Automotive Engineers (SAE) ha sviluppato la pratica raccomandata nel 1999 per testare e riportare il risparmio di carburante dei veicoli ibridi e ha incluso il linguaggio per affrontare i PHEV. Un comitato SAE sta attualmente lavorando per rivedere le procedure per testare e riportare il risparmio di carburante dei PHEV. Il Toronto Atmospheric Fund ha testato dieci veicoli ibridi plug-in adattati che hanno raggiunto una media di 5,8 litri per 100 chilometri o 40,6 miglia per gallone nell’arco di sei mesi nel 2008, considerato al di sotto del potenziale della tecnologia.

Nel test del mondo reale utilizzando driver normali, alcune conversioni di Prius PHEV potrebbero non ottenere un risparmio di carburante molto migliore rispetto agli HEV. Ad esempio, una flotta di Prius plug-in, ciascuno con una autonomia di 30 miglia (48 km), in media solo 51 mpg-US (4,6 L / 100 km, 61 mpg-imp) in un raggio di 17.000 miglia (27.000 km). ) test a Seattle e risultati simili con lo stesso tipo di modelli di batterie di conversione nell’iniziativa RechargeIT di Google. Inoltre, il pacchetto batteria aggiuntivo costa US $ 10.000-US $ 11.000.

Costi operativi
Uno studio pubblicato nel 2014 da ricercatori della Lamar University, dell’Iowa State University e dell’Oak Ridge National Laboratory ha confrontato i costi operativi dei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) di varie gamme elettriche (10, 20, 30 e 40 miglia) con i convenzionali veicoli a benzina e veicoli ibridi-elettrici (HEV) per diversi periodi di ammortamento, considerando diversi livelli di dispiegamento dell’infrastruttura di ricarica e prezzi della benzina. Lo studio ha concluso che:

I PHEV risparmiano circa il 60% o il 40% dei costi energetici, rispetto ai veicoli convenzionali a benzina e agli HEV, rispettivamente. Tuttavia, per i conducenti con significative miglia di veicoli giornaliere percorse (DVMT), i veicoli ibridi potrebbero essere una scelta migliore rispetto agli ibridi plug-in con un’autonomia di 40 miglia (64 km), in particolare quando mancano infrastrutture di ricarica pubbliche.
Il costo incrementale della batteria degli ibridi plug-in a batteria grande è difficile da giustificare in base ai risparmi incrementali dei costi operativi di PHEV, a meno che non venga offerto un sussidio per i PHEV a batteria grande.
Quando il prezzo della benzina aumenta da $ 4 a gallone a $ 5 a gallone, il numero di conducenti che beneficiano di una batteria più grande aumenta in modo significativo. Se il prezzo del gas è di US $ 3, un ibrido plug-in con un raggio di 10 miglia (16 km) è l’opzione meno costosa anche se il costo della batteria è di $ 200 / kWh.
Sebbene i caricabatterie rapidi possano ridurre i tempi di ricarica, contribuiscono in misura minima ai risparmi sui costi energetici per i PHEV, a differenza dei caricabatterie Level-2.

Costo delle batterie
Gli svantaggi degli ibridi plug-in includono il costo aggiuntivo, il peso e le dimensioni di un pacco batteria più grande. Secondo uno studio del 2010 del National Research Council, il costo di un pacco batterie agli ioni di litio è di circa $ 1,700 / kW • h di energia utilizzabile, e considerando che un PHEV-10 richiede circa 2,0 kW • he un PHEV-40 circa 8 kW • h, il costo stimato del produttore del pacco batterie per un PHEV-10 è di circa US $ 3.000 e sale a US $ 14.000 per un PHEV-40.Secondo lo stesso studio, anche se si prevede un calo dei costi del 35% entro il 2020, si prevede che la penetrazione del mercato sia lenta e pertanto non si prevede che i PHEV abbiano un impatto significativo sul consumo di petrolio o sulle emissioni di carbonio prima del 2030, a meno che non si verifichi una svolta fondamentale nelle tecnologie delle batterie si verifica.

Secondo lo studio NRC del 2010, anche se un miglio guidato sull’elettricità è più economico di quello azionato a benzina, il risparmio di carburante nel corso della vita non è sufficiente a compensare i costi iniziali elevati dei plug-in e ci vorranno decenni prima che si raggiunga il punto di pareggio.Inoltre, è probabile che occorrano centinaia di miliardi di dollari in sussidi governativi e incentivi per ottenere una rapida penetrazione del mercato dei plug-in negli Stati Uniti.

Confronto dei costi tra un PHEV-10 e un PHEV-40 (prezzi per il 2010)
Collegare  digita per  Gamma EV	Simile  produzione  modello	Tipo di  drivetrain	fabbricante  costo aggiuntivo  rispetto al convenzionale  di medie dimensioni non ibrido	Costo stimato  del pacco batteria	Il costo di  sistema elettrico  aggiornamento a casa	Previsto  gasolio  risparmi  rispetto  ad un HEV	Annuale gasolio  risparmi rispetto  a un HEV (2)
PHEV-10	Prius Plug-in (1)	Parallelo	US $ 6.300	US $ 3.300	Più di US $ 1.000	20%	70 galloni
PHEV-40	Volt di Chevy	Serie	US $ 18.100	US $ 14.000	Più di US $ 1.000	55%	200 galloni
Note: (1) Considera la tecnologia HEV utilizzata nella Toyota Prius con un pacco batteria più grande. La gamma di cavi elettrici stimati Prius Plug-in è di 14,5 miglia (23 km)  (2) Supponendo 15.000 miglia all’anno.

Uno studio del 2013 dell’American Council per un’economia ad alta efficienza energetica ha riportato che i costi delle batterie sono scesi da $ 1,300 per chilowattora nel 2007 a $ 500 per chilowattora nel 2012. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato obiettivi di costo per la sua ricerca sulle batterie sponsorizzate di US $ 300 per kilowattora nel 2015 e US $ 125 per kilowattora entro il 2022. Le riduzioni dei costi grazie ai progressi della tecnologia delle batterie e ai maggiori volumi di produzione permetteranno ai veicoli elettrici plug-in di essere più competitivi con i veicoli convenzionali a combustione interna.

Uno studio pubblicato nel 2011 dal Belfer Center, Università di Harvard, ha rilevato che i risparmi di benzina delle auto elettriche plug-in sulla vita dei veicoli non compensano i loro più alti prezzi di acquisto. Questo risultato è stato stimato confrontando il valore attuale netto della propria vita al 2010 con i costi di acquisto e di gestione per il mercato statunitense e assumendo non sussidiari governi. Secondo le stime dello studio, un PHEV-40 è US $ 5,377 più costoso di un convenzionale motore a combustione interna, mentre un veicolo elettrico a batteria (BEV) costa US $ 4,819 più costoso. Lo studio ha anche esaminato come questo equilibrio cambierà nei prossimi 10 o 20 anni, supponendo che i costi della batteria diminuiranno mentre i prezzi della benzina aumenteranno.Secondo gli scenari futuri considerati, lo studio ha rilevato che i BEV saranno significativamente meno costosi rispetto alle auto convenzionali (da US $ 1,155 a US $ 7,181 in meno), mentre i PHEV saranno più costosi dei BEV in quasi tutti gli scenari di confronto e solo meno costosi rispetto alle auto convenzionali in uno scenario con costi della batteria molto bassi e prezzi elevati della benzina.I BEV sono più semplici da costruire e non usano combustibili liquidi, mentre i PHEV hanno propulsori più complicati e hanno ancora motori a benzina.

Le emissioni si sono spostate su impianti elettrici
Ci si aspetta un aumento dell’inquinamento in alcune aree con l’adozione di PHEV, ma la maggior parte delle aree subirà un calo. Uno studio condotto dall’ACEEE prevede che l’uso diffuso di PHEV in aree fortemente dipendenti dal carbone provocherebbe un aumento delle emissioni locali di biossido di zolfo e mercurio, dati i livelli di emissioni della maggior parte delle centrali a carbone che attualmente forniscono energia alla rete. Sebbene le tecnologie pulite per il carbone possano creare centrali elettriche che forniscono energia elettrica dal carbone senza emettere quantità significative di tali inquinanti, il costo più elevato dell’applicazione di queste tecnologie potrebbe aumentare il prezzo dell’elettricità generata da carbone. L’effetto netto sull’inquinamento dipende dalla fonte di combustibile della rete elettrica (fossile o rinnovabile, per esempio) e dal profilo di inquinamento delle centrali stesse. Identificare, regolare e aggiornare la fonte di inquinamento a punto singolo come una centrale elettrica, o addirittura sostituire una pianta, può essere anche più pratico. Dal punto di vista della salute umana, spostare l’inquinamento lontano dalle grandi aree urbane può essere considerato un vantaggio significativo.

Secondo uno studio del 2009 della National Academy of Science, “I veicoli elettrici e i veicoli ibridi dipendenti dalla rete elettrica (plug-in) hanno mostrato danni non complicati piuttosto elevati rispetto a molte altre tecnologie”. L’efficienza degli ibridi plug-in è anche influenzata dall’efficienza complessiva della trasmissione di energia elettrica. Le perdite di trasmissione e distribuzione negli Stati Uniti sono state stimate al 7,2% nel 1995 e al 6,5% nel 2007. Per l’analisi del ciclo di vita delle emissioni di inquinamento atmosferico, i veicoli a gas naturale sono attualmente il più basso emettitore.

Struttura tariffaria a più livelli per le bollette elettriche
Il consumo elettrico aggiuntivo per ricaricare i veicoli plug-in potrebbe spingere molte famiglie in aree che non hanno tariffe fuori picco nel livello più alto e negare i benefici finanziari. I clienti in base a tali tariffe potrebbero vedere risparmi significativi prestando attenzione a quando il veicolo è stato addebitato, ad esempio, utilizzando un timer per limitare la ricarica alle ore non di punta. Pertanto, un confronto accurato del beneficio richiede a ciascuna famiglia di valutare il suo attuale livello di utilizzo elettrico e le tariffe ponderate rispetto al costo della benzina e il costo operativo effettivo osservato del funzionamento del veicolo in modalità elettrica.

Emissioni di gas serra
L’effetto dei PHEV sulle emissioni di gas serra è complesso. I veicoli ibridi plug-in funzionanti in modalità completamente elettrica non emettono inquinanti nocivi dalla sorgente di alimentazione di bordo. Il beneficio dell’aria pulita è solitamente locale perché, a seconda della fonte di energia elettrica utilizzata per ricaricare le batterie, le emissioni di inquinanti atmosferici vengono spostate nella posizione degli impianti di generazione. Allo stesso modo, i PHEV non emettono gas serra dalla fonte di energia di bordo, ma dal punto di vista di una valutazione well-to-wheel, l’entità del beneficio dipende anche dal combustibile e dalla tecnologia utilizzata per la generazione di elettricità.Dal punto di vista di un’analisi completa del ciclo di vita, l’elettricità utilizzata per ricaricare le batterie deve essere generata da fonti a emissioni zero come rinnovabili (ad esempio energia eolica, energia solare o idroelettrica) o energia nucleare per PEV da avere quasi nessuno o zero bene alle emissioni della ruota D’altra parte, quando i PEV vengono ricaricati dalle centrali a carbone, di solito producono un numero leggermente maggiore di emissioni di gas serra rispetto ai veicoli a combustione interna. Nel caso di un veicolo elettrico ibrido plug-in quando si opera in modalità ibrida con l’assistenza del motore a combustione interna, le emissioni di scarico e di gas serra sono inferiori rispetto alle auto convenzionali a causa del maggiore risparmio di carburante.

Energia del ciclo di vita e valutazioni delle emissioni

Argonne
Nel 2009 i ricercatori dell”Argonne National Laboratory hanno adattato il loro modello GREET per condurre un’analisi completa delle emissioni di gas e gas serra (GHG) di veicoli elettrici ibridi plug-in per diversi scenari, considerando diversi sistemi di bordo combustibili e diverse fonti di energia elettrica per la ricarica delle batterie del veicolo. Tre regioni statunitensi sono state selezionate per l’analisi, California, New York e Illinois, in quanto queste regioni includono importanti aree metropolitane con variazioni significative nei loro mix di generazione di energia. I risultati dell’analisi del ciclo completo sono stati anche riportati per il mix di generazione degli Stati Uniti e l’elettricità rinnovabile per esaminare i casi di mix medi e puliti, rispettivamente. Lo studio del 2009 ha mostrato un’ampia diffusione dell’uso di petrolio e delle emissioni di gas serra tra le diverse tecnologie di produzione di carburante e mix di generazione della rete. La seguente tabella riassume i risultati principali:

PHEV well-to-wheels L’uso di energia da petrolio e le emissioni di gas serra per un range tutto-elettrico tra 10 e 40 miglia (16 e 64 km) con diversi carburanti di bordo. (1) (in% rispetto a un veicolo con motore a combustione interna che utilizza benzina per combustibili fossili)
Analisi	Benzina riformata e diesel a bassissimo contenuto di zolfo	Carburante E85 da mais e panico vergine	Cella a combustibile idrogeno
Riduzione del consumo di energia del petrolio	40-60%	70-90%	oltre il 90%
Riduzione delle emissioni di gas serra (2)	30-60%	40-80%	10-100%
Fonte: Centre for Transportation Research, Argonne National Laboratory (2009). Vedere la Tabella 1. Note: (1) Simulazioni per l’anno 2020  con modello PHEV anno 2015. (2) Nessuna modifica diretta o indiretta dell’uso del suolo inclusa nell’analisi WTW per le materie prime per carburanti biomassa.

Lo studio Argonne ha scoperto che i PHEV offrivano riduzioni nell’uso di energia petrolifera rispetto ai normali veicoli elettrici ibridi. Più risparmi energetici di petrolio e anche più riduzioni delle emissioni di gas serra sono state realizzate con l’aumento della gamma elettrica, tranne quando l’elettricità utilizzata per ricaricare era dominata dal carbone o dalla generazione di energia alimentata a petrolio. Come previsto, l’elettricità da fonti rinnovabili ha realizzato le maggiori riduzioni del consumo di energia petrolifera e le emissioni di GHG per tutti i PHEV, con l’aumento della gamma elettrica. Lo studio ha anche concluso che i veicoli plug-in che impiegano combustibili a base di biomassa (biomassa-E85 e idrogeno) potrebbero non realizzare i benefici delle emissioni di gas serra rispetto agli ibridi regolari se la produzione di energia è dominata da fonti fossili.

Oak Ridge
Uno studio condotto nel 2008 dai ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory ha analizzato le emissioni di gasolio e gas serra (GHG) di ibridi plug-in relativi a veicoli elettrici ibridi in diversi scenari per gli anni 2020 e 2030. Lo studio ha preso in considerazione il mix di fonti di energia per 13 Stati Uniti regioni che verrebbero utilizzate durante la ricarica dei veicoli, in genere una combinazione di carbone, gas naturale e energia nucleare e, in misura minore, l’energia rinnovabile. Uno studio del 2010 condotto presso l’Argonne National Laboratory ha raggiunto risultati simili, concludendo che i PHEV ridurranno il consumo di petrolio, ma potrebbero produrre emissioni di gas serra molto diverse per ciascuna regione a seconda del mix energetico utilizzato per generare l’elettricità per ricaricare gli ibridi plug-in.

Agenzia per la protezione ambientale
Nell’ottobre 2014, l’Environmental Protection Agency statunitense ha pubblicato l’edizione 2014 del suo rapporto annuale “Tecnologia per veicoli leggeri, emissioni di anidride carbonica e tendenze dell’economia del carburante”. Per la prima volta, il rapporto presenta un’analisi dell’impatto dei veicoli a carburanti alternativi, con enfasi sui veicoli elettrici plug-in perché la quota di mercato si avvicina all’1%, i PEV hanno iniziato ad avere un impatto misurabile sul carburante complessivo del nuovo veicolo negli Stati Uniti economia ed emissioni di CO2.

Il rapporto dell’EPA includeva l’analisi di 12 auto passeggeri interamente elettriche e 10 ibridi plug-in disponibili sul mercato come modello dell’anno 2014. Ai fini di una stima accurata delle emissioni, l’analisi ha preso in considerazione le differenze di funzionamento tra quelle PHEV come la Chevrolet Volt che può funzionare in modalità completamente elettrica senza usare benzina, e quelli che operano in modalità mista come la Toyota Prius PHV, che utilizza sia l’energia immagazzinata nella batteria che l’energia dal serbatoio della benzina per spingere il veicolo, ma che può fornire una guida completamente elettrica in modalità mista. Inoltre, poiché la gamma interamente elettrica di ibridi plug-in dipende dalle dimensioni del pacco batteria, l’analisi ha introdotto un fattore di utilità come proiezione, in media, della percentuale di miglia che verranno guidate utilizzando l’elettricità (in elettrico solo e modalità miste) da un autista medio. La seguente tabella mostra l’EV complessivo / consumo di carburante ibrido espresso in termini di miglia per gallone di benzina equivalente (mpg-e) e il fattore di utilità per i dieci ibridi plug-in MY2014 disponibili sul mercato statunitense. Lo studio ha utilizzato il fattore di utilità (poiché in modalità EV pura non ci sono emissioni dallo scarico) e la migliore stima dell’EPA delle emissioni di gas di scarico prodotte da questi veicoli nelle città e nelle autostrade del mondo reale basate sulla metodologia dell’etichetta EPA a 5 cicli, utilizzando una ponderata 55% città / 45% di guida in autostrada. I risultati sono mostrati nella seguente tabella.

Inoltre, l’EPA ha contabilizzato le emissioni di CO2 a monte associate alla produzione e alla distribuzione di elettricità necessarie per caricare i PHEV. Poiché la produzione di elettricità negli Stati Uniti varia in modo significativo da regione a regione, l’EPA ha considerato tre scenari / intervalli con il limite inferiore dell’intervallo corrispondente al fattore di emissione della centrale elettrica della California, al centro dell’intervallo rappresentato dal fattore di emissione medio nazionale delle centrali elettriche, e il limite superiore dell’intervallo corrispondente al fattore di emissione del gruppo propulsore per le Montagne Rocciose. L’EPA stima che i fattori di emissione di GHG dell’elettricità per varie regioni del paese variano da 346 g CO2 / kWhh in California a 986 g CO2 / kWhh nelle Montagne Rocciose, con una media nazionale di 648 g CO2 / kWhhh . La seguente tabella mostra le emissioni dallo scarico e le emissioni combinate di scarico e upstream per ciascuno dei 10 MY 2014 PHEV disponibili sul mercato statunitense.

Ufficio nazionale di ricerca economica
La maggior parte delle analisi delle emissioni utilizza tassi di emissioni medi in tutte le regioni anziché generazione marginale in diversi momenti della giornata. Il precedente approccio non tiene conto del mix di generazione all’interno dei mercati elettrici interconnessi e dei profili di carico in movimento durante la giornata. Un’analisi di tre economisti affiliati al National Bureau of Economic Research (NBER), pubblicata nel novembre 2014, ha sviluppato una metodologia per stimare le emissioni marginali della domanda di elettricità che variano in base alla località e all’ora del giorno negli Stati Uniti. Lo studio ha utilizzato i dati relativi alle emissioni e al consumo dal 2007 al 2009 e ha utilizzato le specifiche per la Chevrolet Volt (autonomia totale di 35 miglia (56 km)). L’analisi ha rilevato che i tassi di emissione marginali sono più di tre volte più grandi nell’Alto Midwest rispetto agli Stati Uniti occidentali e, all’interno delle regioni, i tassi per alcune ore del giorno sono più del doppio di quelli per gli altri. Applicando i risultati dell’analisi marginale ai veicoli elettrici plug-in, i ricercatori NBER hanno scoperto che le emissioni di PEV in carica variano in base alla regione e alle ore del giorno. In alcune regioni, come gli Stati Uniti occidentali e il Texas, le emissioni di CO2 per chilometro rispetto alla guida dei veicoli sportivi sono inferiori a quelle derivanti dalla guida di un’auto ibrida. Tuttavia, in altre regioni, come l’Upper Midwest, la ricarica durante le ore raccomandate della mezzanotte alle 4 del mattino implica che il PEV generi più emissioni per miglio rispetto all’auto media attualmente sulla strada. I risultati mostrano una tensione fondamentale tra la gestione del carico di elettricità e gli obiettivi ambientali, poiché le ore in cui l’elettricità è la meno costosa da produrre tendono ad essere le ore con le maggiori emissioni. Ciò si verifica perché le unità a carbone, che presentano tassi di emissione più elevati, sono più comunemente utilizzate per soddisfare la domanda di elettricità di base e non di picco; mentre le unità di gas naturale, che hanno tassi di emissioni relativamente bassi, sono spesso portate online per soddisfare la domanda di punta. Questo modello di cambio di combustibile spiega perché i tassi di emissione tendono ad essere più elevati durante la notte e più bassi durante i periodi di picco della domanda al mattino e alla sera.