Il presente Rapporto si riferisce alle attività di ricerca svolte nel periodo Gennaio 2010÷Marzo 2011 nel Progetto “Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici” dell’Area “Razionalizzazione e risparmio nell’uso dell’energia elettrica”, una delle tre Aree di ricerca definite nell’Accordo di Programma triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico ed RSE S.p.A. stipulato il 30 luglio 2009. Gli obiettivi e l’articolazione del progetto sono descritti nel documento “Piano Annuale di Realizzazione 2010” prot. RSE 10004429 (Novembre 2010). La mobilità elettrica riscuote un interesse crescente da parte di tutti gli attori della filiera. Si stanno moltiplicando le iniziative di ricerca, dimostrazione, incentivazione e diffusione sia in Italia che in Europa. Le municipalità percepiscono il potenziale di miglioramento della qualità dell’aria nelle grandi città, soffocate dai gas di scarico dei veicoli a motore termico. I maggiori costruttori automobilistici colgono un’interessante opportunità di rilancio di un settore in crisi ed offrono nei loro listini le opzioni elettriche a fianco di quelle convenzionali; gli operatori di rete si stanno attrezzando per dotare le città delle necessarie infrastrutture di ricarica; gli enti regolatori e normatori, infine, stanno elaborando delle regole di tariffazione e di incentivazione e dei protocolli di interoperabilità che garantiscano uguali opportunità per tutti gli operatori e la massima facilità di uso per gli utenti. In questo contesto in veloce evoluzione si inserisce il progetto di Ricerca di Sistema, prevalentemente focalizzato sull’impatto di questa tipologia di mobilità sul sistema elettrico di distribuzione. Il progetto studia l’impatto sulla rete della diffusione dei veicoli elettrici a batteria (PEV) ed ibridi plug-in (PHEV). L’approccio adottato è multidisciplinare: • Strategico: analisi di scenario della mobilità elettrica al 2030 e valutazione del relativo impatto sul sistema energetico nazionale; • Ambientale: studio degli effetti della diffusione della mobilità elettrica sulle emissioni di CO2, sui principali inquinanti dell’aria a scala nazionale, regionale e locale; • Ingegneristico: valutazione della capacità della rete di distribuzione di ospitare la ricarica contemporanea di diversi veicoli elettrici (hosting capacity), le implicazioni di una modalità di ricarica intelligente che possa essere utilizzata come mezzo di modulazione del diagramma di carico, l’effetto dello sfruttamento dell’accumulo distribuito rappresentato dai veicoli elettrici carichi collegati alla rete; • Normativo: analisi dei settori che devono essere considerati dalla normativa tecnica per regolamentare la connessione dei PHEV/PEV in rete; • Regolatorio: regole tariffarie per la ricarica dei veicoli e modelli di business Il progetto intende offrire lo spunto per rispondere ai seguenti quesiti:

Nel corso del secondo anno di attività del progetto si sono proseguite le attività iniziate nel 2009 con particolare riferimento ai seguenti aspetti: • Scenario di mobilità elettrica Sulla base degli scenari ISTAT di evoluzione della popolazione, della densità di automobili, utilizzando i più recenti studi comunitari sulla mobilità al 2030, osservando l’andamento delle politiche di incentivazione (GPL) e le restrizioni al traffico a forte emissione di particolato (diesel), si è costruito uno scenario di mobilità elettrica, aggiornando quello sviluppato nel 2009. Lo scenario conferma una previsione totale di circa 40 milioni di auto in circolazione, con una composizione di parco come nella figura seguente: un quarto del parco a benzina, un quarto circa ad alimentazione diesel, un decimo circa ad alimentazione gas, ed il resto suddiviso nelle diverse categorie di mobilità elettrica, pura o ibrida. Tenendo conto della numerosità del parco auto a livello provinciale, della disponibilità economica locale, del livello di qualità dell’aria locale, della disponibilità di posti auto privati e condominiali, si è ipotizzata una ripartizione del parco autoveicoli elettrici circolante al 2030 come quello indicato in figura:

• Valutazione dei livelli di consumo energetico specifico Nel corso del 2009 era stata avviata una campagna di misura dei valori e delle modalità di consumo energetico durante il moto finalizzata all’individuazione di misure di ottimizzazione del rendimento energetico (attraverso il recupero di energia in diverse fasi del moto) ed alla previsione delle necessità di ricarica nel corso delle missioni o tra missioni successive per comprendere e dominare i fattori tecnici che governano il dimensionamento delle batterie, la possibile flessibilizzazione del profilo di ricarica in vista dell’ottimizzazione combinata della gestione delle missioni e del diagramma di carico della rete di distribuzione. In conseguenza della tipologia di flotta selezionata (flotta aziendale con missione regionale) si riscontra un utilizzo prevalente nei giorni lavorativi della settimana come quello mostrato in figura: Sun Mon Tue Wed Thu Fri Sat0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Giorni della settimana Pe rce ntu ale de i g ior ni di ac ce ns ion e[% ] Alla luce dei dati acquisiti, possono essere effettuate anche alcune considerazioni relative al dimensionamento delle batterie: il dimensionamento energetico delle batterie, alla base dell’autonomia del veicolo, è fortemente influenzato, oltre che dal consumo specifico, dalla possibilità di usufruire di ricariche parziali durante le soste diurne (il cosiddetto “biberonaggio”). Con riferimento ai dati di uno dei veicoli monitorati, a titolo di esempio, e considerando la sola configurazione con frenata rigenerativa (possibile grazie alla tecnologia elettrica), si ottiene, in assenza di ricarica diurna (considerando solamente la ricarica notturna), una capacità della batteria di 16.3 kWh, mentre in presenza di ricarica diurna (biberonaggio) il valore ottenuto diminuisce a 10.3

kWh. Sulla base del dimensionamento della batteria, considerando un numero di cicli di carica/scarica utilizzabili nel corso della vita della batteria di 2000, tenendo conto dei rendimenti di carica/scarica (0.8) e dell’energia richiesta alla ruota, si può calcolare la percorrenza stradale permessa dal ciclo di vita della batteria: • in assenza di ricarica diurna (16.3*0.8/0.107)*2000): circa 245000 km • in presenza di ricarica diurna (10.3*0.8/0.107*2000): circa 150000 km Contrariamente al sentire comune, la batteria viene ad avere una vita attesa che supera quella che ci si aspetterebbe per il veicolo stesso. Infatti, alla luce della percorrenza media attesa di 12000 km/anno, la batteria potrebbe operare per un periodo di 12-20 anni, ben superiore alla vita commerciale attesa del veicolo stesso. • Impatto sul sistema di generazione nazionale: La mobilità elettrica comporta una maggiore richiesta annua di energia elettrica rispetto al caso base, con la conseguente eventuale necessità di costruzione di nuove centrali per coprire questo accresciuto fabbisogno energetico. Il progetto dimostra che l’incremento di richiesta di energia su base annua (al 2030) è inferiore al 5% rispetto al caso base, come illustrato in figura: La simulazione ha evidenziato che non vi è un impatto significativo in termini di necessità di nuova potenza installata. • Valutazione delle emissioni su scala nazionale e locale Nell’ambito della valutazione degli effetti sulla qualità dell’aria a scala nazionale, si sono valutate le emissioni di inquinanti in atmosfera per l’anno 2030 dovute al trasporto su strada, determinando anche il ruolo delle diverse sorgenti ai livelli attuali di qualità dell’aria. Rispetto alla concentrazione complessiva, i trasporti su strada si confermano predominanti, essendo responsabili di circa il 33% della concentrazione di PM2.5 a Milano e del 32% a Roma. In particolare gli autoveicoli contribuiscono al 14%, mentre i rimanenti trasporti su strada al 19% a Milano e 18% a Roma. Il settore termoelettrico si conferma poco influente rispetto al settore precedente, fornendo un contributo pari al 2% circa. Differentemente, le condizioni al contorno, rappresentative del trasporto su larga scala, contribuiscono al 9% della media annua a Milano e al 20% a Roma.

Milano – PM2.5 – media annua = 33.2 [ug/m3] Nord 4% Est 1% BC 9% Ovest3% Trasp. Autoveicoli 14% Altri Settori 57% Altro Trasp. Strada 19% S. Termoel. 2% Sud 0.3% • Impatto sulla rete di distribuzione: Utilizzando i dati reali di 32 porzioni di rete in bassa tensione di una grande città italiana (comprendenti sia la topologia di dettaglio della rete che la registrazione nel corso di un’intera settimana della domanda oraria di energia attiva e reattiva, attraverso la lettura dei contatori digitali), si è valutata la capacità della rete ad alimentare veicoli in ricarica contemporanea (hosting capacity – HC) e si è valutato l’effetto di diverse tipologie di ricarica (lenta e veloce) sulla qualità della tensione, misurata dai parametri della norma EN50160. La hosting capacity è il margine di carico elettrico che ogni tratto di rete rende disponibile per la ricarica dei veicoli elettrici senza che vengano superati i limiti di funzionamento (cadute di tensione, corrente massima ammissibile ecc.). La hosting capacity è variabile nel tempo, in funzione dell’andamento del carico di utenza. Questo è schematicamente rappresentato nella figura sottostante nella quale, a sinistra è raffigurata la struttura delle rete e, sulla destra, sono rappresentati i diagrammi di carico di utenza (linee in azzurro – andamento letto dai contatori elettronici) ed i margini in potenza (aree in blu scuro), nelle diverse porzioni di rete (cabina, dorsale, presa, Punto di Consegna – POD). E’ stato realizzato un applicativo software denominato MaRe (Margine Rete). Trasformatori Tratto di dorsale Prese PODs Data Base reti BT Curve di carico settimanale (Potenza Attiva) Le analisi effettuate sulle porzioni di rete reale, permettono di formulare le seguenti conclusioni preliminari: • L’elemento limitante la HC nelle reti di distribuzione è spesso la dorsale in uscita dalla cabina di distribuzione;

• L’attuale HC delle reti cittadine analizzate in questa indagine appare adeguata per consentire uno sviluppo iniziale della mobilità elettrica; • La mobilità elettrica al 2020, ed ancora di più quella al 2030, sarà limitata dalle caratteristiche della rete di distribuzione e saranno quindi indispensabili rinforzi di rete; • L’utilizzo di profili di ricarica intelligenti, integrati in uno sviluppo “smart grids” sarà fondamentale per consentire l’alimentazione della mobilità elettrica nei prossimi decenni, in quanto consente di moltiplicare almeno per 10 la HC di ogni elemento di rete sotteso. Sono state inoltre condotte delle valutazioni più approfondite della reale capacità di una rete ad ospitare la mobilità elettrica. Per fare questo è stato individuato un nuovo indicatore definito “Time-Dependent Hosting Capacity (tdHC)”, che, meglio della HC, permette di tenere conto della durata della ricarica in modo da identificare gli eventuali vincoli di rete. Il parametro tdHC, tenendo conto della durata di carica dei PEV, “satura” la rete per un tempo pari alla durata della carica, prevenendo connessioni che non potrebbero essere completate senza superare i limiti di funzionamento della rete. La differenza tra HC (in blu) e tdHC (in rosso) è rappresentata nella figura seguente: In termini di numero di veicoli collegabili alla rete, il parametro tdHC può mettere in evidenza che in certi punti della rete, e per certe ore della giornata alcuni nodi possono non essere disponibili ad ospitare alcun veicolo in carica. Le possibili limitazioni di rete risultano ancora più evidenti se si considerano i parametri di qualità (come ad esempio la tensione ai punti di consegna o il fattore di carico delle linee) secondo quanto previsto dalla norma EN 50160. La figura successiva mostra un caso in cui in una rete di bassa tensione si ha un superamento delle tolleranze ammesse (tensione sotto il limite del 90% della nominale – asse verticale) a causa della presenza di veicoli in ricarica, in un certo nodo (asse orizzontale) ad un certo istante (asse perpendicolare).

• Studi e sperimentazioni tecnologici Sorveglianza dell’evoluzione degli standard per veicoli elettrici (componenti elettrici, prese/spine, sicurezza e ICT), attraverso la partecipazione a comitati italiani (es. CEI CT 312 di recente costituzione, “Componenti elettrici ed elettronici per veicoli elettrici e/o ibridi per la trazione elettrica stradale”), gruppi di lavoro internazionali (es. IEC/ISO JWG V2G CI “Vehicle to Grid Communication Interface”) ed identificazione aree critiche per l’interoperabilità. Il 29 giugno 2010 la Commissione Europea ha conferito mandato a CEN, CENELEC ed ETSI di sviluppare degli standard o di adeguare quelli esistenti, al fine di assicurare l’interoperabilità e la connettività tra il punto di ricarica e il veicolo elettrico in tutti i paesi europei, analizzando anche l’aspetto della ricarica intelligente e valutando i requisiti di sicurezza e di compatibilità elettromagnetica dei carica-batterie dei veicoli elettrici. A tale scopo è stato costituito un “Focus Group” sul veicolo elettrico, articolato in Project Teams che lavorano su argomenti specifici con il fine di predisporre per il marzo 2011 un documento che individui tutti gli aspetti non coperti da norme o che richiedono una revisione di norme o direttive, con l’obiettivo primario di conseguire uno standard comune che consenta di effettuare la ricarica in qualunque nazione europea ci si trovi. RSE ha assicurato la partecipazione attiva ai seguenti project teams: • PT3 “Batteries: Battery switching station and supply chain for EV standardization”: impatto delle due attuali possibili configurazioni di batterie per veicoli elettrici (fisse e rimovibili) su sicurezza, rete, interoperabilità e connettività in tutti gli stati europei, come richiesto dal mandato della CE. • Il PT4 si occupa della standardizzazione delle comunicazioni tra gli EV e i punti di ricarica. Questa comunicazione deve soddisfare sia il fabbisogno degli EV sia i vincoli del punto di ricarica che può anche (ma non necessariamente) essere controllato da un sistema di controllo di livello superiore ad esempio da una Smartgrid. • L’obiettivo del PT5 è di arrivare a fornire delle linee guida da adottare a livello sui tipi di ricarica (normale, rapida, ultra rapida), i modi di ricarica attualmente definiti nella norme serie IEC 61851 (da Modo1 a Modo4), la topologia di alimentazione (AC monofase, AC trifase e DC) ed i requisiti di sicurezza per le installazioni elettriche . Studio dei problemi tecnologici, di controllo e di comunicazione legati alla fornitura di servizi Vehicle to Grid (V2G): Oltre ad affrontare gli aspetti di comunicazione legati alla fornitura dei servizi V2G mediante la partecipazione ai lavori del Focus Group CENELEC descritti nel paragrafo precedente, è iniziata l’analisi dei sistemi di ricarica disponibili in commercio e delle loro caratteristiche. Obiettivo è l’inserimento di un sistema di ricarica flessibile di veicoli elettrici nella test facility di generazione distribuita, controllabile con il relativo SW di gestione SCADA (Supervisory Control Data and Acquisition), in modo da verificare i benefici che un tale sistema potrebbe portare a una rete Smart Grid.

A questo scopo è stato individuato il sistema di ricarica della Coulomb Technologies americana, distribuito in Italia dalla ditta 365 Energy. Sperimentazione sulle batterie di accumulatori: Sono state messe a punto delle procedure di prova dedicate alla verifica dell’attitudine delle batterie ad essere utilizzate per l’applicazione veicolare. Infatti in questo tipo di applicazione la batteria è sottoposta a continui cicli di scarica e carica di diversa intensità e durata: le batterie devono essere in grado di lavorare in un’ampia gamma di regimi di corrente ed essere in grado di assorbire un’elevata corrente di ricarica nelle fasi di frenatura rigenerativa. Sulle batterie al litio e sulla batteria ZEBRA sono state effettuate delle prove di sollecitazione dinamica (vedi figura) per analizzare il comportamento dei sistemi di accumulo utilizzati secondo le modalità tipiche delle applicazioni veicolari. Tutte le tecnologie provate hanno mostrato una buona attitudine a lavorare nella modalità veicolare. A completamento dell’indagine, sono in corso prove di vita per verificare le prestazioni al crescere del numero di cicli di sollecitazione dinamica. 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 0,00 120,00 240,00 360,00 480,00 600,00 720,00 Tempo [s] Te ns ion e [ V] -60,00 -45,00 -30,00 -15,00 0,00 15,00 30,00 Co rr en te [A ] Tensione Corrente Oltre alle attività in continuità con quelle del primo anno, sono stati avviati nuovi filoni, emersi nel corso delle discussioni e degli incontri con gli operatori e nel corso della partecipazione ad attività internazionali: • Modelli di business e aspetti regolatori: Si sono identificati diversi modelli di business per la ricarica dei veicoli elettrici, adatti alla realtà italiana e studiate le implicazioni regolatorie al fine di preservare la concorrenza e permettere a nuovi fornitori di servizi di entrare sul mercato come indicato nel terzo pacchetto energia (Direttiva 2009/72/CE). I principali modelli di business si differenziano per il luogo in cui avviene la ricarica (posto privato: box utente o posteggio aziendale) o posto pubblico: colonnina stradale, area di servizio) oppure per il soggetto proprietario dell’erogatore del servizio di ricarica: o Distributore: nel modello del Distributore l’infrastruttura di ricarica costituisce una estensione della rete di distribuzione o Società terza: nel Modello del Gestore di punti di ricarica si considera un erogatore privato del servizio, eventualmente associato ad una catena di punti di ricarica con stesso marchio o Battery swap: in questo modello di business, l’erogatore vende l’energia accumulata nelle batterie attraverso un affitto temporaneo delle batterie stesse. In questo modello sono indispensabili dei particolari dispositivi. • Valutazione delle problematiche di accettabilità sociale della mobilità elettrica: E’ stato delineato il quadro del tema dell’accettabilità sociale del veicolo elettrico nei progetti pilota, in corso a livello nazionale ed internazionale, attraverso l’identificazione degli elementi sensibili, degli ostacoli alla diffusione del veicolo elettrico e l’applicazione al caso specifico della sperimentazione RSE-A2A- RENAULT sull’argomento accettabilità sociale e costumer sensitivity, nella sperimentazione milanese.

Dagli studi emerge che gli elementi per definire i dettagli degli scenari di diffusione dell’EV sono incerti e molto difformi, si sostiene che siano per lo più legati a politiche di incentivazione; di fatto sono basati su assunzioni o ipotesi (es. avanzamenti tecnologici competitivi), e poco sulla domanda, che di fatto risulta ‘non rilevabile’. Ciò che c’è di certo nello scenario di diffusione dell’EV, è la cosiddetta “nicchia urbana”: il prodotto ben risponde alle esigenze di impatto ambientale locale nullo e in questo ambito l’odierna autonomia del veicolo elettrico non risulta in molti casi un fattore limitante. Anche questo ambito, dato spesso per scontato, necessita di studi e approfondimenti, in particolare nella definizione delle soluzioni a tendere, per evitare che gli investimenti odierni non risultino vanificati, bensì strategici per la diffusione su ampia scala. • Sperimentazioni: Nell’autunno 2010 è stato avviato ufficialmente a Milano e Brescia il progetto pilota E-Moving in collaborazione tra A2A e Renault, che è responsabile della consegna e della manutenzione dei veicoli, mentre A2A è responsabile dell’infrastruttura di ricarica, della sua manutenzione e della fornitura della necessaria energia elettrica. Nella colonnina pubblica A2A sono presenti due punti di ricarica per ognuno dei due lati, uno con presa Type 2 (Mennekes) e l’altro con presa Type 3 (Scame- Plug Alliance).