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rapporti - Rapporto di Sintesi

Progetto 10 “Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici” – Documento di sintesi dell’attività 2009

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Progetto 10 “Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici” – Documento di sintesi dell’attività 2009

Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. La mobilità elettrica individuale su strada non è certo una novità: basta ricordare come il primo veicolo elettrico sia stato messo a punto nel lontano 1832, ben prima dell’invenzione del motore a combustione interna. Malgrado ciò, questo settore della mobilità è da allora rimasto confinato ad applicazioni di nicchia e, nonostante le ricorrenti fiammate di interesse, non ha ancora trovato una diffusione di massa. Anche alla fine del secolo passato si era assistito ad un rigurgito di interesse per tutte le tecnologie legate all’automobile elettrica, ma i principali progetti sono abortiti per una serie di cause, quali ad esempio: • il costo ridotto dei prodotti petroliferi, che ha motivato i principali costruttori automobilistici ad investire sulla tecnologia a motore endotermico, più redditizia sul breve periodo; • la mancanza di un’infrastruttura di ricarica capillare sul territorio che garantisse la disponibilità diffusa di energia; • l’autonomia limitata delle automobili elettriche legata all’utilizzo delle batterie al piombo. In questo contesto risulterebbe improponibile un progetto di ricerca sull’impatto della mobilità elettrica. In realtà, il contesto sta rapidamente modificandosi e si stanno creando le premesse per quella che viene percepita come l’opportunità decisiva per lo sviluppo e la diffusione di questa tecnologia. Infatti, si stanno concatenando tutte le condizioni al contorno che possono portare al raggiungimento di una vera penetrazione della tecnologia elettrica nella mobilità individuale, ed in particolare: • il significativo aumento del costo dei prodotti petroliferi che hanno toccato recentemente punte di 150 dollari al barile; • l’impegno europeo al raggiungimento degli obiettivi ambientali del 2020, con particolare riferimento alla riduzione del 20% delle emissioni di CO 2 ; • l’accresciuta consapevolezza pubblica relativa al gravissimo degradamento della qualità dell’aria nelle grandi città: i livelli di inquinamento da ossidi di zolfo ed il superamento dei livelli di particolato sottile stanno motivando le amministrazioni locali a prendere provvedimenti di limitazione del traffico sempre più estesi e restrittivi ed a incentivare l’uso di combustibili meno inquinanti e la mobilità elettrica; • i target di emissioni di CO 2 fissati dalla Commissione Europea per i veicoli a combustione interna (EURO 4, EURO 5 ecc.) sempre più restrittivi e la decisa presa di posizione a favore della mobilità elettrica; • l’evoluzione tecnologica nel settore dei sistemi di accumulo elettrico che consentono di disporre, grazie alle tecnologie NIMH e Litio-Polimeri, di un livello di densità di energia che progressivamente si avvicina ai target che rendono possibile l’applicazione di mobilità elettrica (in termini di rapporto peso/autonomia); • il conseguente impegno diretto delle principali case automobilistiche (fino ad ora assenti da questa fascia di mercato) che propongono, con obiettivo 2010-2012 intere gamme di veicoli elettrici o ibridi con autonomie comparabili a quelle dei modelli a combustione interna; • l’interesse dei distributori di energia elettrica allo sviluppo delle infrastrutture di ricarica, nell’ambito della progressiva trasformazione del sistema elettrico verso le “smart grids”: infatti la mobilità elettrica può offrire, come vedremo, un valido strumento di modulazione della domanda e di accumulo diffuso che consente in prospettiva una più agevole integrazione delle sorgenti di energia distribuite e variabili, come quelle legate alle fonti rinnovabili;

• la disponibilità di tecnologie molto avanzate di trasmissione e gestione delle informazioni (ICT) che consentono la predisposizione di servizi molto flessibili di mobilità elettrica, il cui strumento principale è costituito dal contatore elettronico; • la possibilità che flotte diffuse e numerose di veicoli elettrici collegati alla rete per molte ore possano fornire, con meccanismi tecnici, economici e regolatori ancora da definire, servizi ancillari alla rete di distribuzione, come il supporto alla regolazione della tensione, il mantenimento del livello di qualità della fornitura, ed eventualmente l’alimentazione provvisoria di porzioni di rete in isola, in mancanza di altre fonti di alimentazione La combinazione di queste circostanze rende quindi molto interessante la tecnologia elettrica in questo nuovo contesto. Oltre alla tecnologia specifica del veicolo (accumulo, controllo, trasmissione, ottimizzazione energetica ecc.), oggetto dei programmi di ricerca dei costruttori automobilistici, risultano di particolare importanza gli aspetti di sistema, che interessano maggiormente il nostro progetto, ed in particolare la valutazione degli impatti tecnici, economici ed ambientali della diffusione di flotte significative di mobilità elettrica individuale. Va precisato innanzitutto che il progetto di ricerca si riferisce ai veicoli elettrici ricaricabili dalla rete di distribuzione; questa caratteristica viene descritta con la notazione “Plug-In”. I veicoli elettrici “Plug-In” possono essere dotati di sola propulsione elettrica con serbatoio di energia costituito dalle sole batterie di accumulatori (a questi si farà riferimento nel seguito come PEV: Plug-In Electric Vehicles), oppure possono essere dotati anche di un motore a combustione interna che ne consente una percorribilità chilometrica superiore a quella della sola batteria di accumulatori (denominati nel seguito PHEV: Plug-In Hybrid Electric Vehicles). Le diverse tipologie di veicolo elettrico sono raffigurate in Figura 1. Per dovere di completezza, si riporta (a sinistra nella figura) anche la configurazione ibrida “parallela” che è quella attualmente più diffusa, (utilizzata nelle automobili del tipo Toyota Prius e Honda Insight), che però non offre particolare interesse per il sistema elettrico data la capacità della batteria molto limitata. Di maggiore interesse risulta la configurazione “tutto elettrico” (a destra nella figura) e ibrido serie (al centro nella figura) caratterizzate da una batteria che consente percorrenze in modalità elettrica dell’ordine delle decine di chilometri e che possono essere collegate alla rete di distribuzione in fase di ricarica. Il progetto di ricerca si articola lungo il seguente percorso logico: • si definisce innanzitutto uno scenario di mobilità elettrica considerando un arco di tempo che, partendo dalla situazione odierna, si estende al 2030; • in base ai risultati di un’analisi approfondita dello stato dell’arte dei PEV/PHEV, vengono ipotizzati i livelli di consumo energetico specifico (Wh/km) in funzione del segmento di mercato del veicolo; • sulla base dello scenario di sviluppo e del consumo specifico, si valuta la crescita della domanda di energia elettrica legata a questa tipologia di mobilità e si determina il mix ottimale di generazione necessario per l’alimentazione di questo carico supplementare, valutando altresì l’impegno economico connesso a questo nuovo mix di generazione; • la conoscenza del parco di generazione e delle percorrenze previste permettono di valutare le emissioni di gas serra e degli altri inquinanti sia su scala nazionale che su scala locale; • alla luce delle ipotesi formulate circa l’evoluzione del sistema, si analizzano gli impatti sulla rete di distribuzione elettrica, per determinare eventuali sovraccarichi delle cabine e delle linee elettriche che sono chiamate ad alimentare, oltre al carico convenzionale, anche le colonnine di ricarica; • in parallelo alle attività sopra descritte, sono stati effettuati studi e sperimentazioni tecnologici sui filoni di maggiore interesse, come le colonnine di ricarica, i sistemi di telecomunicazione, le tecnologie di accumulo; Figura 1: le diverse tipologie di veicolo elettrico e quelli di interesse per il sistema elettrico Scenario di mobilità elettrica al 2030 Lo scenario di mobilità elettrico al 2030 è stato determinato attraverso l’applicazione di un approccio metodologico che tiene conto di numerosi parametri statistici quali: • la popolazione italiana e le previsioni di crescita formulate da ISTAT, • il parco delle autovetture circolanti (si è ipotizzato un tasso di crescita basato su di un modello previsivo logistico), • le percorrenze in auto (si è ipotizzata un’evoluzione basata sull’applicazione di un modello di regressione lineare), • la segmentazione del parco auto in funzione di categorie tecnologiche e del tipo di alimentazione. E’ stato applicato un modello di ottimizzazione che ipotizza andamenti analoghi nell’immatricolazione e nella rottamazione di ciascuna tipologia di veicoli, nel rispetto di opportuni vincoli di congruenza e si sono stimate le percorrenze medie annue del parco auto, sulla base della categoria, alimentazione ed età dei veicoli. Il risultato dello studio relativo al parco circolante è illustrato in Figura 2. In termini percentuali, focalizzando l’attenzione sui PEV/PHEV, la penetrazione sul circolante viene riportata in Figura 3. PARCO AUTO 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 35000000 40000000 45000000 19 90 19 93 19 96 19 99 20 02 20 05 20 08 20 11 20 14 20 17 20 20 20 23 20 26 20 29 PLUGIN 2 PLUGIN 1 EURO 8 EURO 7 EURO 6 EURO 5 EURO 4 EURO 3 EURO 2 EURO 1 CONV ECE 4 ECE 3 ECE 2 ECE 1 PREECE Figura 2: evoluzione del parco automobilistico circolante in Italia Motore a combustion e Motore elettric Batteri Impatto Ambientale locale Veicoli di Interesse per il sistema elettrico Figura 3: penetrazione percentuale dei PEV/PHEV in un orizzonte 2010-2030 Valutazione del consumo specifico dei PEV/PHEV La diffusione dei PEV/PHEV, come verrà meglio illustrato nel seguito, non avverrà in modo uniforme su tutte le tipologie di veicoli (classi di utilizzo). Si prevede infatti che inizialmente avranno maggiore diffusione i PEV di piccole dimensioni (segmento di mercato A e B) per trasporto prevalentemente urbano. Questi veicoli (delle dimensioni di una Smart o di una city car) saranno equipaggiati con batterie di capacità relativamente limitata (circa 15-16 kWh) e, consumando molto poco (si fa l’ipotesi di un consumo energetico di circa 125 Wh/km) potranno avere un’autonomia di circa 130 km. Le automobili di classe superiore (segmenti C e D) saranno inizialmente prevalentemente ibridi (PHEV), consentendo quindi, attraverso la trazione con motore a scoppio, percorrenze simili agli ibridi odierni, ma avendo batteria di piccole dimensioni, disporranno di un’autonomia elettrica di poco più di 50 km (va notato come questa percorrenza rappresenti la percorrenza media giornaliera del 70% circa dei veicoli stradali). Settore di diffusione più lenta sarà quello delle grandi automobili elettriche (segmenti C – D) che disporranno di batterie da 30 kWh per percorrenze di più di 150 km. Le caratteristiche principali dei PEV/PHEV di interesse per la nostra ricerca sono riportate nella Figura 4. Tipo di veicolo Segmento commerciale Capacità batteria [kWh] Consumo medio [Wh/km] Autonomia stimata [km] PEV A – B 16 125 130 (ciclo combinato standard) PEV C – D 30 180 170 (ciclo combinato standard) PHEV (parallelo) C – D 5 0.04 lt/km in ibrido 20 (in solo elettrico) PHEV (serie) C – D 16 0.03 lt/km in ibrido 60 (in solo elettrico) Figura 4: Caratteristiche principali dei PEV/PHEV di interesse per il sistema elettrico La valutazione del consumo energetico dei PEV/PHEV riveste un’importanza fondamentale in vista della valutazione dei profili e delle intensità di ricarica necessari. L’argomento merita approfondimenti sistematici che saranno condotti nel corso del prosieguo del progetto. In questo contesto si è già effettuata la messa a punto della metodologia di misura del profilo di consumo energetico in funzione delle caratteristiche fisiche del veicolo (peso, caratteristiche geometriche ecc.), dello stile di guida e delle tipologie di percorso. La metodologia di misura, basata sull’uso di accelerometri e girometri inerziali interfacciati con un rilevatore di

posizione GPS, è stata validata su due veicoli a motore endotermico della flotta aziendale ERSE e sarà applicata su una popolazione più estesa e rappresentativa. I risultati di questa indagine consentiranno di disporre di dati reali di profili di consumo su percorsi rappresentativi, di verificare i dati di consumo pubblicati dalle case automobilistiche (valutati a banco e su rulli e rappresentativi di percorsi standard e poco realistici), di determinare il dimensionamento ottimale delle batterie, valutare i margini per l’applicazione di algoritmi di ottimizzazione del consumo energetico e di determinare possibili profili di ricarica in vista della valutazione dell’impatto sulla rete elettrica, sia in termini energetici che in termini di profilo di carico. Andamento della domanda di energia elettrica legata allo sviluppo della mobilità Alla luce dell’evoluzione del parco circolante e dei consumi specifici determinati, è stato possibile determinare i consumi elettrici totali previsti dallo scenario di penetrazione sviluppato per le diverse categorie di veicoli. Va notato che, per quanto riguarda l’evoluzione dei consumi, si è partiti dai valori definiti nell’analisi dello stato dell’arte delle tecnologie come riferimento al 2010 e vi sono stati applicati due fattori correttivi: • una “efficienza di conversione Real World” pari a 0.9 per tutti i segmenti auto considerati, per tenere conto del peggioramento dovuto all’utilizzo dei veicoli in cicli di guida diversi da quelli standard • un miglioramento graduale dei consumi dell’1% all’anno dovuto all’aumento previsto di capacità specifica delle batterie Queste assunzioni richiederanno un approfondimento nella prosecuzione dell’attività (in particolare per determinare, possibilmente anche con misure sperimentali, l’effetto sui consumi del fattore “Real World”). I risultati ottenuti per i diversi anni compresi nel periodo 2010 – 2030, sono riportati in Figura 5. Nella prima parte della tabella (in verde) è mostrata l’evoluzione nel tempo dei consumi per i due segmenti di veicoli considerati (dove MB è l’ipotizzato fattore di miglioramento delle batterie). Nella seconda parte è mostrata l’evoluzione nel tempo dei consumi elettrici a fronte della prevista introduzione dei PEV, PHEV e totali. Il risultato sintetico finale è che lo scenario ipotizzato implicherebbe un aumento della domanda di energia elettrica di circa 2.3 TWh al 2020, 17.5 TWh al 2030. Figura 5: consumi elettrici incrementali nel periodo 2010-2030 legati alla mobilità elettrica Evoluzione del parco di generazione necessario per soddisfare la crescita della domanda elettrica Le elaborazioni per determinare l’evoluzione del parco di generazione sono state realizzate utilizzando il modello MATISSE del sistema elettrico nazionale, sviluppato da ERSE in collaborazione con il Politecnico di Torino e l’Associazione Italiana Economisti dell’Energia, e basato sul generatore di modelli Markal- TIMES dell’Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP) dell’International Energy Agency (IEA). MATISSE è in grado di combinare vincoli energetici, socio-economici ed ambientali per determinare

le configurazioni ottimali (in termini di minimo costo complessivo) del sistema elettrico, modellato con dettaglio regionale, su orizzonti temporali che si estendono al 2030. Venendo ai risultati degli scenari elaborati con il modello MATISSE, nella Figura 6 si può notare la differenza di potenza di generazione installata: in particolare, al 2030 lo scenario con PEV/PHEV prevede circa 2400 MW di cicli combinati in più, a fronte di circa 300 MW di turbogas a ciclo aperto in meno. La potenza installata delle altre tecnologie rimane sostanzialmente inalterata nei due scenari, comprese le fonti rinnovabili, la cui produzione in entrambi gli scenari si attesta a circa 93 TWh nel 2020 ed a circa 106 TWh nel 2030. Figura 6: Potenza di generazione installata dal modello MATISSE negli scenari analizzati. Valutazione delle emissioni di gas serra e degli altri inquinanti su scala nazionale: L’introduzione dei PEV/PHEV in sostituzione di veicoli equivalenti a motore a combustione interna comporta una significativa riduzione delle emissioni per i trasporti su strada. La Figura 7 illustra i risultati di questa evoluzione. Le valutazioni delle emissioni in atmosfera sono state calcolate mediante l’utilizzo del modello COPERT4 versione 7.0 (Computer Programme to calculate Emissions from Road Traffic) utilizzato in ambito comunitario per la valutazione delle emissioni dai trasporti stradali. La penetrazione ipotizzata dei PEV/PHEV sul mercato nel 2030 porta ad una riduzione dei consumi del 20% ed ad una riduzione delle emissioni che vanno dal 5% al 30%, in funzione dei diversi inquinanti considerati. Figura 7: Riduzione delle emissioni nello scenario 2030 PEV/PHEV rispetto allo scenario base 2030 2030ev FC CO NOX NMVOC SO2 CO2 PM_exh [Gg] [Gg] [Gg] [Gg] [Gg] [Gg] [Gg] Gasoline Unleaded 5241 65.9 4.4 6.5 0.26 16297 0.09 Diesel 529 0.9 1.6 0.1 0.04 1660 0.02 totale 5770 66.8 6.0 6.7 0.3 17957 0.11 var% [(2030EV-2030)/2030] -20.6 -18.1 -14.3 -18.8 -27.1 -20.8 -13.8 Inoltre, l’evoluzione del parco di generazione, resa necessaria dall’aumento di consumi legato alla mobilità elettrica, porta ad una modifica dello scenario emissivo. La Figura 8 riporta un primo bilancio complessivo delle emissioni di CO 2 dello scenario PEV/PHEV, considerando anche le maggiori emissioni dovute alla produzione di energia elettrica necessaria a ricaricare le batterie dei veicoli. Tale bilancio è stato fatto in due modi: • prendendo a riferimento, in modo cautelativo, il parco termoelettrico attuale e le relative emissioni specifiche nette di CO 2 derivabili dai dati statistici pubblicati da TERNA per l’anno 2007 e tenendo conto anche delle perdite di rete (609 g/kWh);

• considerando i risultati dell’applicazione del modello MTSIM nello scenario 2030 ed in particolare la maggiore produzione richiesta nello scenario PEV/PHEV 1 che porta a maggiori emissioni di CO 2 per circa 7,5 Mt che, ripartite sulla domanda netta dei PEV/PHEV, corrispondono ad un’emissione specifica di 428 gCO 2 /kWh Figura 8: Scenario PEV/PHEV – Bilancio emissioni al 2030 Scenario PEV/PHEV 2030 TERNA 2007 MTSIM 2030 Emissioni specifiche di CO 2 per kWh consumato [g/kWh] 609 428 Consumi elettrici totali per ricarica PEV/PHEV [GWh] 17495 Emissioni di CO 2 per ricarica PEV/PHEV [Gg] 10655 7494 Emissioni evitate nei trasporti [Gg] -17957 Emissioni nette [Gg] -7302 -10463 In entrambe le valutazioni il bilancio vede una riduzione delle emissioni complessive di CO 2 testimoniando l’efficacia dei veicoli PEV/PHEV nella riduzione delle emissioni di gas serra L’impatto sulla qualità dell’aria a scala nazionale delle emissioni in atmosfera derivanti dagli autoveicoli convenzionali e PEV/PHEV e dal parco di generazione che, nelle ipotesi di scenario, deve essere sviluppato per fare fronte all’accresciuta domanda di energia elettrica, è stato studiato con l’applicazione del sistema modellistico WRF-SMOKE-CAMx messo a punto nel corso del precedente triennio di ricerche e applicato allo scenario emissivo delineato dall’inventario delle emissioni nazionale redatto da ISPRA per l’anno 2005. Come si può osservare dall’esempio di Figura 9, relativo ai soli ossidi di azoto, il contributo degli autoveicoli è molto significativo e si concentra in corrispondenza delle aree urbane e delle principali arterie stradali (es. autostrada Milano-Bologna e Adriatica) con il massimo di concentrazione nell’area di Milano. Diversamente, il contributo della produzione di energia dal settore termoelettrico risulta decisamente modesto (inferiore a 1 ppb in tutto il territorio nazionale). Ciò è determinato dal fatto che, pur trattandosi di un contributo emissivo rilevante, esso è associato a sorgenti in quota, quindi meno influenti in termini di concentrazione al suolo. I risultati ottenuti hanno evidenziato la probabile efficacia di interventi sul settore dei trasporti, evidenziando nel contempo che le eventuali conseguenze (maggiore produzione, maggiori emissioni) sul settore termoelettrico, non dovrebbero peggiorarne l’incidenza in modo apprezzabile. Per l’impatto dei veicoli PEV/PHEV alla scala locale (quartiere, strada ecc.) è stato messo a punto e validato il modello a particelle SPRAY con particolare riferimento alla trattazione delle reazioni chimiche degli ossidi di azoto. 1 La domanda di energia elettrica richiesta dai veicoli PEV/PHEV, secondo il modello MTSIM è soddisfatta da una maggiore produzione dei cicli combinati, con un contributo tuttavia non trascurabile degli impianti a carbone. Commento [B1]: Di questo non si è ancora parlato nel rapporto: sono stati citati solo i risultati di MATISSE relativamente allo sviluppo della capacità di generazione.

Figura 9: Esempio di contributo alla concentrazione media annua di ossido di azoto dovuto al trasporto su strada auto veicolare ed alla produzione di energia dal settore termoelettrico. Le mappe riportano il contributo come frazione rispetto alla concentrazione totale Impatti sulla rete di distribuzione elettrica Al fine di valutare il potenziale impatto sulla rete elettrica di distribuzione della ricarica di flotte di PEV/PHEV, occorre innanzitutto verificare che i flussi di potenza nei principali rami della rete di bassa tensione non presentino cadute di tensione lungo i rami della rete al di fuori dei valori consentiti dalle regole di fornitura e che non vengano superati i valori di dimensionamento dei principali componenti della rete (trasformatori e linee elettriche aeree ed in cavo). Le caratteristiche della rete di distribuzione di bassa tensione italiana sono molto variegate e risulta molto difficile definire un modello di rete rappresentativo. In linea di principio possono essere definite due principali categorie di rete: Rurale ed urbana. In questa prima fase dello studio, che necessariamente deve proseguire nel corso dello sviluppo del progetto, sono state prese a riferimento le strutture di rete di distribuzione utilizzate nel progetto europeo Dispower come rappresentative della situazione italiana. Al fine di validare il modello di rete ed ottenere un primo set di risultati, si è utilizzato un profilo di carico di riferimento proposto da CIGRE, un’ipotesi di penetrazione dei PEV/PHEV varabile tra il 5% ed il 20%, ed un profilo di ricarica dei PEV/PHEV focalizzato sulla ricarica notturna. Queste ipotesi di partenza, che servono per dimostrare la validità della metodologia, andranno adattate agli altri output di progetto. Ipotizzando che i veicoli effettuino solo una tipologia di carica a potenza costante tale da permettere di ricaricare completamente la batteria in 6 ore, considerando una efficienza di ricarica pari al 90%, ed adottando un profilo orario di carica con massima concentrazione di ricarica durante le ore notturne (con presa di carico in tre step temporali a partire dalle 19:00) e concentrazione di ricarica minore intorno alle 12:00, si ottengono, con riferimento alla rete di distribuzione urbana e per quattro livelli di penetrazione di PEV/PHEV (5%, 10%, 15%, 20%), i diagrammi di carico riportati in Figura 10. L’aggiunta del carico dovuto alla ricarica dei PEV/PHEV, sebbene aumenti il carico notturno contribuendo a spianare il profilo, contribuisce ad innalzare il livello di picco, specialmente per le utenze residenziali. Tali utenze, infatti hanno il picco spostato verso la tarda sera, proprio nel momento in cui le PEV/PHEV verranno verosimilmente collegate alla rete.

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 00: 0 0 00: 3 0 01: 0 0 01: 3 0 02: 0 0 02: 3 0 03: 0 0 03: 3 0 04: 0 0 04: 3 0 05: 0 0 05: 3 0 06: 0 0 06: 3 0 07: 0 0 07: 3 0 08: 0 0 08: 3 0 09: 0 0 09: 3 0 10: 0 0 10: 3 0 11: 0 0 11: 3 0 12: 0 0 12: 3 0 13: 0 0 13: 3 0 14: 0 0 14: 3 0 15: 0 0 15: 3 0 16: 0 0 16: 3 0 17: 0 0 17: 3 0 18: 0 0 18: 3 0 19: 0 0 19: 3 0 20: 0 0 20: 3 0 21: 0 0 21: 3 0 22: 0 0 22: 3 0 23: 0 0 23: 3 0 Po t e n z a ( k W ) Tempo (hh:mm) PHEV 5% PHEV 10% PHEV 15% PHEV 20% Caso b ase Figura 10: diagramma di carico relativo alla rete urbana, con differenti penetrazioni di PEV/PHEV Ipotizzando una struttura di rete come quella urbana italiana utilizzata nell’ambito del progetto europeo Dispower, si possono valutare il tasso di utilizzo delle linee elettriche e dei trasformatori. Il grafico in Figura 11, riporta il fattore di utilizzo (frazione del carico nominale di progetto) a livello delle diverse linee che compongono il modello della porzione di rete (rappresentata da 29 linee di bassa tensione denominate 1 a 29). Si può notare che, all’aumentare del livello di penetrazione del parco PEV/PHEV si ha un fattore di utilizzo che progressivamente si avvicina al 100% (le linee analizzate vengono caricate alla loro corrente di dimensionamento). Il superamento delle condizioni di progetto indica una condizione di sovraccarico. Queste valutazioni rappresentano un punto di partenza per le simulazioni e gli studi estesi che saranno effettuati nel prosieguo delle attività: infatti, oltre alla validazione dei modelli di rete adottati, occorrerà lavorare sul posizionamento dei punti di ricarica in rete, sui profili di carico di base e sulle curve e politiche di ricarica dei PEV/PHEV. Le simulazioni da effettuare consentiranno altresì di valutare l’effetto della disponibilità di punti di accumulo diffusi sulla fornitura di servizi ancillari alla rete di distribuzione. -10,00 10,00 30,00 50,00 70,00 90,00 110,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829 Caso base PEV 5% PEV 10% PEV 15% PEV 20% Figura 11: Fattore di utilizzo dei feeders di distribuzione per diverse penetrazioni di PEV/PHEV Il modello di business sottinteso dalle simulazioni di rete effettuate nel corso del presente anno è fondato sull’ipotesi che la ricarica avvenga in bassa tensione, in modo estremamente diffuso. Nel corso dello

sviluppo dell’attività verrà considerata la possibilità di disporre di stazioni di ricarica extra-rapida collegate sulla rete di media tensione. Valutazioni tecnologiche Tecnologie di accumulo per veicoli elettrici Le prospettive di diffusione su larga scala dei PEV/PHEV sono strettamente legate allo sviluppo delle prestazioni dei sistemi di accumulo elettrico. È infatti necessario che i sistemi di accumulo abbiano valori di densità di energia (da cui dipende l’autonomia del veicolo) e di densità di potenza adeguati, che possano essere ricaricati con elevati valori di corrente e abbiano una vita attesa, espressa sia in anni che in cicli, comparabile con la durata di vita del veicolo. Oggi sono disponibili alcune tecnologie che, seppure con margini di miglioramento, hanno le caratteristiche adatte ad un utilizzo nella trazione elettrica. Si tratta degli accumulatori al litio e delle batterie Na/NiCl, comunemente dette Zebra. Nel corso dell’attività sono stati acquisiti alcuni moduli che sono stati sottoposti ad una serie di test per la caratterizzazione delle prestazioni. Le metodologie di prova attualmente normate sono focalizzate sull’accumulo statico e necessitano una validazione anche per l’accumulo dedicato alla trazione elettrica, inoltre, la fase di sperimentazione effettuata ha permesso di affinare la procedura di test e dimensionarla sulla tecnologia al litio, oltre che di analizzare e confrontare le prestazioni delle diverse tipologie di cella. Sono state condotte due campagne sperimentali, ognuna dedicata ad uno specifico ambito di test: di base e specifico. ƒ Prove di caratterizzazione di base: hanno lo scopo di identificare, tramite una serie di prove di carica e scarica a diversi regimi e a temperatura controllata, dei parametri che ne definiscono le prestazioni (ad esempio la capacità al variare del regime e della temperatura, la densità di energia e di potenza, il rendimento energetico e amperorametrico, ecc). ƒ Prove di caratterizzazione specifiche: hanno l’obiettivo di analizzare le prestazioni delle tecnologie nelle modalità operative tipiche delle applicazioni veicolari e di verificare che il sistema di accumulo abbia le prestazioni in termini di potenza/energia di cui il veicolo elettrico ha bisogno per circolare. Prove specifiche sono ad esempio la misura delle prestazioni in scarica dinamica o in cicli di carica/scarica elaborati a partire dai cicli utilizzati per la misura dei consumi dei veicoli in fase di omologazione (come il ciclo di omologazione ECE-15 o il ciclo di omologazione SFUDS). La Figura 12 mostra l’andamento della tensione e corrente di una batteria litio-polimeri composta da 10 celle in serie da 100 Ah – 3,6 V/cella, registrate durante l’esecuzione di un ciclo di prova standardizzato. Le prove hanno evidenziato che la capacità delle celle al litio non è dipendente dal regime di scarica. 30.00 31.00 32.00 33.00 34.00 35.00 36.00 37.00 38.00 39.00 40.00 1 12 23 34 45 56 67 78 89 100 111 122 133 144 155 166 177 188 199 210 221 232 243 254 265 276 287 298 [s] [V] 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00 [A] Vtot Corr.[2] Figura 12: Andamento della tensione e corrente della batteria Kokam durante la prova di scarica dinamica Le stazioni di ricarica

Le stazioni di ricarica possono essere suddivise in quattro diverse tipologie che si differenziano in funzione della diversa collocazione (in aree pubbliche o private) e della possibilità, nel caso delle aree private, di permettere o meno l’accesso pubblico. ƒ La stazione di ricarica in area pubblica con accesso pubblico è normalmente installata in località definite in concerto con l’amministrazione locale e con la possibilità che chiunque possa accedervi per ricaricare il proprio veicolo. ƒ La stazione di ricarica in area privata con accesso pubblico è installata in parcheggi privati di centri commerciali, cinema, stadi e in generale in luoghi dove è prevista la permanenza per più di qualche ora. Anche in questo caso è prevista la possibilità che chiunque possa accedervi per ricaricare il proprio veicolo. Questa stazione si differenzia dalla precedente solo per la minore complessità che ne deriva dall’installazione. ƒ La stazione di ricarica in area privata con accesso privato è presente nei parcheggi privati delle flotte aziendali, in questo caso l’accesso è consentito solo agli autorizzati. ƒ Il punto di ricarica privato è installato in box o parcheggio privato (con accesso privato) del singolo cliente. Le stazioni di ricarica con “Accesso Pubblico” sono utilizzate in aree pubbliche (strade e piazze) o in area privata con accesso pubblico (Centri Commerciali, Cinema, parcheggi interscambio MM, ecc.). Rappresenta la situazione più complessa, che racchiude in sé tutte le funzionalità di questo tipo di struttura. Il punto di “ricarica singolo privato”, normalmente costituito da un quadro elettrico, è dedicato ai parcheggi privati (box singolo o parcheggio privato). A rigore, la ricarica dei PEV/PHEV a valle di un punto di consegna dell’utenza domestica è vietata dal regime normativo vigente: occorre necessariamente appoggiarsi ad un contratto “altri usi” e quindi disporre di un misuratore distinto e di un nuovo punto di consegna. La questione riguarda il regime dell’IVA da applicare (agevolazione per “uso domestico” e non per “altri usi”) e le accise sul consumo, che per uso domestico sono su base comunale, mentre per altri usi sono su base provinciale. Questa soluzione permette di abilitare il controllo dell’energia destinata alla ricarica dei PEV/PHEV differenziandola rispetto ai normali consumi elettrici, fa sì che la potenza assorbita dall’auto non interferisca sui normali comportamenti di consumo della famiglia e rende facile una tariffazione dedicata alla ricarica dei PEV/PHEV anche incentivata rispetto alle forniture tradizionali domestiche e industriali. Le tecnologie di comunicazione La comunicazione tra PEV/PHEV e infrastruttura di rete si rivela un elemento essenziale per massimizzare il valore del PEV/PHEV come carico connesso. I distributori di energia o di servizi di mobilità avranno necessità di comunicare con questi veicoli per incentivare la ricarica durante le ore a basso profilo di carico, per la fatturazione del consumo di elettricità e, forse in futuro, per l’utilizzo dei PEV/PHEV come dispositivi di accumulo distribuito. Più in dettaglio, le informazioni scambiate durante la fase di ricarica di un veicolo PEV connesso ad una colonnina di ricarica equipaggiata ad uno Smart Meter potrebbero essere le seguenti: ƒ identificazione dell’utente tramite tecnologia Rfid per l’accesso al sistema ƒ autorizzazione dell’utente alla ricarica e verifica di un contratto attivo ƒ sblocco del sistema di protezione della presa ƒ controllo integrità del cavo ƒ identificazione dello stato di carica della batteria ƒ erogazione di energia elettrica per la ricarica ƒ misura, ai fini fiscali, dei dati di consumo di elettricità (durata ricarica, Id utente e kWh erogati) ƒ riconoscimento di malfunzionamento degli apparati ƒ riconoscimento di interruzione dell’erogazione di energia elettrica ƒ pagamento della ricarica (es: scheda prepagata, fattura a domicilio) ƒ comunicazione, in tempo reale tramite tecnologia dati al centro di controllo ƒ gestione e trasmissione di informazioni relative a servizi a valore aggiunto

Mentre singoli operatori presenti in un’area limitata da loro servita possono selezionare il sistema di comunicazione più idoneo in base alle opzioni disponibili, alla geografia, ai clienti e ai dispositivi serviti, al carico e alla generazione, quando il territorio è vasto e geograficamente composto da aree di tipologia differente non è possibile utilizzare una singola tecnologia di comunicazione ma potrebbe essere necessario avvalersi di differenti tecnologie. Queste scelte si baseranno su una varietà di tecnologie che includono i cellulari, le fibre ottiche, i PLC, ZigBEE, ZWave, WiFi, WiMax, e altro. Tali tecnologie possono essere di proprietà e direttamente operate dall’utility o possono essere fornite da una compagnia di telecomunicazione. Nella Figura 13 viene riportato un esempio di tecnologie di comunicazione che possono essere impiegate durante lo scambio di informazioni con la rete elettrica La necessità di sviluppare standards armonizzati La standardizzazione della “mobilità elettrica” risulta non essere semplice in quanto il PEV/PHEV può essere considerato sia come un dispositivo elettrico sia come veicolo su strada: ciascuno con i propri comitati regolatori e con approcci differenti. Il veicolo elettrico in quanto veicolo su strada è regolato dal comitato ISO attraverso il sottocomitato TC22 SC21 mentre se visto come dispositivo elettrico è regolato dal comitato IEC TC69. L’armonizzazione degli standard è essenziale per una massiccia introduzione e diffusione del veicolo elettrico in tutta l’Europa e nel mondo: uno standard comune consentirebbe a chi guida un veicolo elettrico plug-in di trovare, in tutte le nazioni, le medesime interfacce per la connessione del veicolo all’infrastruttura di ricarica e per esempio il pagamento della ricarica in modo simile al “roaming” della telefonia cellulare. Figura 13:Tecnologie di comunicazione utilizzabili tra veicolo e rete Il problema più immediato è la mancanza di standard armonizzati sugli aspetti connettore/cavo e sui protocolli di comunicazione (come sintetizzato nella Figura 14) che rappresenta un grave ostacolo alla diffusione del veicolo elettrico in Europa. Sul mercato sono presenti vari tipi di connettori, alcuni dei quali permettono la coesistenza di differenti funzioni: ci sono connettori che consentono solo la funzione di ricarica demandando l’aspetto di comunicazione ad esempio a smart card che vengono “strisciate” sulla colonnina dotata di smart meter, altri che, oltre ad avere particolare forma fisica e disposizione dei pin, alloggiano i canali di comunicazione che consentono il colloquio con il resto dell’infrastruttura (colonnina di ricarica-rete).

Un unico connettore e un’unica interfaccia di comunicazione con il resto della rete consentirebbero a tutti i modelli di PEV/PHEV circolanti, indipendentemente dal costruttore, di poter accedere a qualunque colonnina di ricarica. Figura 14: settori di attività nei quali non sono ancora disponibili standards armonizzati per i PEV/PHEV

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