The environmental impact of electric vehicles : a comparative LCA-based evaluation framework and its application to the Italian context

In the last years it has been observed a progressive shift from the traditional mobility (fuel-powered vehicles) toward the so-called e-mobility, which has as primary objective that of favouring a (more) sustainable mobility. The achievement of a complete shift toward the electric mobility represents one of the biggest challenges that the present together with future generations will need to face. One of the most important topics tightly linked with this alternative form of mobility is that of the greenhouse gas emissions produced along vehicle’s life cycle, and as demonstrated by this thesis work, an electric vehicle can be claimed to be “zero-emissions” as much as it is the energy mix used for its production and its use phase. The main aim of the present thesis work is to develop an emission-model that is able to calculate the 〖CO〗_2 emissions produced along the entire vehicle’s life cycle, so to estimate electric vehicle emission values and to compare such results with those of traditional fuel-powered vehicles. At the beginning, of such work, a brief history overview about the inventions and innovations of the first road-vehicles with respect to the different vehicle typologies has been performed. The milestones that promoted and that still promote the diffusion of electric vehicles across all countries have been evaluated. Successively the scenarios for the countries with the highest market penetration for electric vehicles have been presented and the actions that governments across the world are trying to implement in order to boost the diffusion of e-mobility. It has been analysed which is the actual condition related to the emissions coming from the transportation sector and which are the measures and policies that are being introduced by different national governments so to tackle and reduce these emissions in the upcoming years. Then, numerous LCA studies, industrial reports, scientific papers and research papers have been analysed with the aim of investigating the state-of-art on the emissions associated to electric vehicles, adapting a “cradle-to-grave” approach. It has been dedicated particular attention to the study of the main cycles (battery, electric energy/fossil fuels and vehicle) and the life cycle phases of an electric and traditional vehicle. Grounded on such literature review, have been developed the 〖CO〗_2 emission-models to track all the emissions coming from the entire vehicle’s life cycle for electric and traditional vehicles. The models have been, successively, applied to the analysis conducted on several scenarios evaluated and to the comparison of the emission results among the 2 vehicle typologies, so to quantify the gap in terms of emissions. To deepen more into such evaluation have been performed 3 sensitivity analysis to estimate how the variation of some parameters has an impact over the entire vehicle’s life cycle emissions. It has been demonstrated that emissions associated to electric vehicles increase as it increases the weight of the vehicle and of the battery. There is still a significant portion of emissions arising from the manufacturing of the battery pack and this represents the main gap to be filled with respect to internal combustion engine vehicles. The 〖CO〗_2 emission results allowed also to evaluate how increasing the vehicle segment both for electric and traditional vehicles there is a progressive shift toward higher values of break-even points. Considering the Italian scenario, it has been proved that the increasing RES penetration is positively impacting on the overall environmental footprint produced by electric vehicles. Furthermore, the development of a “100% made in Italy” electric vehicle would strongly reduce the overall emissions associated to the whole life cycle. To conclude such thesis work it is provided a section with comments on the emission-models and the obtained results, together with some general observations about the future development of e-mobility in the upcoming years.

Negli ultimi anni si è osservato un progressivo cambiamento da una mobilità tradizionale (veicoli a combustione interna) verso una mobilità elettrica, il cui obiettivo primario è quello di favorire una (maggiore) mobilità sostenibile. Il raggiungimento di un passaggio completo verso la mobilità elettrica rappresenta una delle sfide maggiori che la presente insieme alle future generazioni si troveranno ad affrontare. Uno degli aspetti più importanti e strettamente correlati a questa alternativa forma di mobilità è quello dei gas ad effetto serra prodotti lungo l’intero ciclo di vita del veicolo, e come dimostrato da questo elaborato di tesi, un veicolo elettrico può essere definito a “zero-emissioni” tanto quanto lo è il mix energetico usato per la sua produzione e la sua fase di utilizzo. L’obbiettivo di questo elaborato di tesi è quello di sviluppare un modello che sia in grado di calcolare le emissioni di 〖CO〗_2 prodotto lungo tutto il ciclo vita del veicolo, così da stimare i valori di emissioni dai veicoli elettrici e compararli con quelli dei veicoli tradizionali. All’inizio di questo elaborato è stata realizzata una panoramica sulle invenzioni e innovazioni dei primi veicoli da strada, rispettivamente per le diverse tipologie. Sono state valutate le principali misure che hanno promosso e che ancora oggi promuovono la diffusione dei veicoli elettrici nei vari paesi. Successivamente sono stati presentati gli scenari dei paesi con il più alto tasso di penetrazione di veicoli elettrici sul mercato nazionale e quali siano le azioni che i governi dei vari paesi stanno cercando di attuare per favorire la diffusione della mobilità elettrica. Sono state analizzate le condizioni attuali associate alle emissioni derivanti dal settore dei trasporti e quali siano le misure e le politiche che in questi ultimi anni vengono introdotte dai diversi governi per contrastare e ridurre le emissioni di 〖CO〗_2. A seguire, sono stati analizzati numerosi studi di LCA, report industriali, paper scientifici e vari documenti sui veicoli elettrici con l’obbiettivo di valutare lo stato dell’arte, adottando una prospettiva cradle-to-grave, sulle emissioni derivanti dai veicoli elettrici. Partendo da questa analisi di letteratura, sono stati sviluppati i modelli per il calcolo delle emissioni di 〖CO〗_2 sull’intero ciclo vita dei veicoli elettrici e a combustione interna. I modelli sono stati poi applicati all’analisi di diversi scenari e alla comparazione dei valori di emissioni tra le due tipologie di veicolo esaminate, così da quantificare il gap esistente in termini di emissioni. Per ampliare la valutazione, sono state condotte 3 analisi di sensitività per stimare come la variazione di alcuni parametri abbia un impatto sulle emissioni lungo il ciclo di vita. È stato dimostrato che le emissioni associate ai veicoli elettrici aumentano con l’aumentare del peso del veicolo e della batteria. Una porzione significativa delle emissioni deriva dalla fase di produzione della batteria e questa rappresenta il divario maggiore che deve ancora essere colmato rispetto ai veicoli a combustione interna. I risultati delle emissioni di 〖CO〗_2 hanno anche permesso di valutare che all’aumentare del segmento di veicolo considerato, sia per veicoli elettrici che tradizionali, c’è un progressivo spostamento verso valori più alti di break-even point. Considerando lo scenario italiano, è stato dimostrato che la crescente quota di energia prodotta da fonti rinnovabili impatta in maniera positiva sull’impatto ambientale prodotto dai veicoli elettrici. Inoltre, la realizzazione di una filiera “100% made in Italy” per i veicoli elettrici ridurrebbe notevolmente le emissioni totali associate al ciclo vita. Per concludere questo elaborato è riportata una sezione con commenti sui risultati ottenuti dal modello, insieme a osservazioni di carattere generale sullo sviluppo futuro della mobilità elettrica nei prossimi anni.