Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 1/108

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1 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 1/108 Contratto Accordo di programma con il Ministero dello Sviluppo Economico per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico nazionale. Piano Annuale di realizzazione Titolo Impatto della mobilità elettrica sulle reti di distribuzione di bassa e media tensione in presenza di diverse modalità di ricarica e di generazione distribuita. Progetto Linea di Ricerca Deliverable Sintesi Progetto 10: Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici 5 Impatto della mobilità elettrica sulle reti di distribuzione di bassa e media tensione in presenza di diverse modalità di ricarica e di generazione distribuita. La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta di RSE. N. pagine 108 N. pagine fuori testo [inserire n.pagine fuori testo] Mod. RARDS v. 02 Data 31/03/2012 Elaborato SSE Antonio Valsecchi, Paolo Gramatica, Danilo Bertini Verificato SSE Giuseppe Mauri Approvato SSE Massimo Gallanti TTD Michele DeNigris Ricerca sul Sistema Energetico RSE S.p.A. Società con unico socio soggetta alla direzione ed al coordinamento di GSE S.p.A. Sede Legale Milano - Via R. Rubattino, 54 Tel Fax PEC rse@legalmail.it Reg. Imprese di Milano, P.IVA e C.F R.E.A. di Milano n Cap. Soc i.v. ISO 9001 CH-32919

2 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 2/108 INDICE... 2 SOMMARIO... 4 SUMMARY... 4 RIASSUNTO ESTESO... 5 PROFILI DI RICARICA VELOCE... 6 IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLA RETE MT... 6 ACCUMULO NELLE STAZIONI DI RICARICA PUBBLICHE... 8 IMPATTO DELLA RICARICA LENTA SULLA LINEA BT MONITORAGGIO RICARICA VEICOLO EV INTRODUZIONE SCENARIO DI MOBILITÀ Scenario di penetrazione EV al Scenario di mobilità elettrica al CONFRONTO TRA LO SCENARIO DI MOBILITÀ ELETTRICA E SCENARI BASATI SU COMBUSTIBILI ALTERNATIVI STIMA DI PROFILI DI RICARICA Ricarica veloce Profili di ricarica veloce LOCALIZZAZIONE DELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE Geolocalizzazione stazioni di rifornimento carburante Geolocalizzazione rete MT di Lambrate Connessione stazioni di ricarica alla linea MT STUDIO DELL IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLE RETI MT (ANALISI LOAD-FLOW) Considerazioni preliminari Load-flow: analisi di sottotensione Analisi dei risultati Analisi di picco annuo Analisi in esercizio medio STUDIO DELL IMPATTO DELLA RICARICA LENTA SULLE RETI BT Implementazione Applicativo Mare Funzione Topologia rete & Load Flow ACCUMULI DI ENERGIA NELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE Copyright 2012 by RSE. All rights reserved - Activity code 1427/12

3 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 3/ Tipologie di impianto Impianto a serbatoio Impianto a polmone PIANIFICAZIONE DELLE RETI DI DISTRIBUZIONE MT E BT IN PRESENZA DI STAZIONI DI RICARICA VELOCE Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete MT Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete BT MONITORAGGIO DELLE RICARICHE DI UN VEICOLO ELETTRICO (EV) (PERIODO GIUGNO FEBBRAIO 2012) Sistema di monitoraggio delle ricariche Elaborazione dati Consumi della Colonnina di ricarica CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA ALLEGATO A MONITORAGGIO RICARICHE EV ALLEGATO B BREVE STORIA E CENNI SULL EVOLUZIONE DELLA TRASMISSIONE DI POTENZA TRAMITE CIRCUITI MAGNETICI RISONANTI (TECNOLOGIA WITRICITY) Copyright 2012 by RSE. All rights reserved - Activity code 1427/12

4 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 4/108 STORIA DELLE REVISIONI Numero Data Protocollo Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati revisione 00 31/03/ Prima emissione SOMMARIO Il rapporto presenta lo studio dell impatto sul sistema elettrico di distribuzione MT della potenziale diffusione di Veicoli Elettrici (EV) ipotizzata al 2020 e al 2030 in termini di diffusione delle stazioni di ricarica e di distributori ibridi (con pompe di carburante per combustibili fossili e punti di ricarica EV) allacciate direttamente alle reti MT o per mezzo di una linea dedicata proveniente dal lato BT di una cabina di trasformazione MT/BT. Ai fini delle mobilità, le stazioni di ricarica dovranno rispondere a diversi requisiti, essere in luoghi utili (ad esempio, come le odierne stazioni di rifornimento), ma necessitano anche di essere allacciate a un nodo della rete di distribuzione adeguato a soddisfare le richieste di potenza, oppure, in alternativa, avere a disposizione degli adeguati sistemi di accumulo locali. Sono state effettuate valutazioni sulla capacità di parte della rete elettrica di Milano di contribuire alla ricarica veloce, identificando l ubicazione degli attuali distributori e delle cabine secondarie MT/BT alle quali è prevedibile un allaccio. È quindi stata effettuata un analisi di load flow, tramite la quale si è valutato l abbassamento di tensione lungo i feeder. I risultati hanno evidenziato che la ricarica veloce non costituisce un problema per la porzione di linea MT analizzata. Inoltre, l utilizzo di adeguati acculi permettere l allaccio dei distributori di ricarica veloce anche alle riti BT. Un analisi simile è stata implementata anche nel software MARE, permettendo il calcolo delle cadute di tensione lungo le linee BT. Anche in questo caso la rete elettrica milanese dimostra un alta capacità e robustezza di fronte ad una notevole diffusione della mobilità elettrica. Sono presenti inoltre due tipologie di impianto da applicare laddove la linea elettrica presenta delle criticità, di sottotensione o di sovraccarico. I due impianti, denominati a serbatoio e a polmone, permettono rispettivamente di immagazzinare l energia necessaria al rifornimento delle auto elettriche durante la notte, e di utilizzare un piccolo polmone per tagliare i picchi di carico richiesti alla rete. Infine viene presentato il monitoraggio dei consumi di un veicolo elettrico e dell infrastruttura di ricarica in dotazione a RSE. SUMMARY The report investigates the impact on distribution grids of the spread of Electric Vehicle (EV) assumed for 2020 and 2030 in terms of diffusion of fast charging stations and "hybrid" energy distributors (with fuel pumps for fossil fuels and fast charging points for EVs) connected directly to the MV networks or by means of a dedicated LV line coming from the LV side of a MV / LV substation. For the purposes of mobility, charging stations will have to meet several requirements, be in useful places (for example where there present gas stations, but also they need to be connected to a node of the distribution network adequate to meet power demands, or, alternatively, to relay upon local storage systems. Evaluations were carried out to verify the capability of part of the MV distribution network of city of Milan to support fast recharging, taking into account location of present gas stations and of MV/LV substations. Load flow analysis was used for evaluating voltage drops along MV and LV lines: results show that the direct connection of fast charging stations to MV line is not a problem for MV line. A similar analysis was also implemented in the MARE software, allowing the calculation of the voltage drops along the LV lines, in case of residential slow EV charging. Also in this case the electrical network of Milan shows high capacity and robustness to a large spread of the electric mobility. Also, two different sort of

5 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 5/108 fast charging stations suitable to avoid voltage drops or cable overload are presented. The first is called Tank station and allows to store the energy necessary for the supply of electric cars during the night, the second called Buffer station, uses a small "buffer" to cut load peaks and minimise plant storages. The report ends with the monitoring of the consumption of an electric vehicle and its charging infrastructure. RIASSUNTO ESTESO L attività ha riguardato lo studio dell impatto della ricarica lenta e veloce sulle reti BT ed MT di una grande area metropolitana Italiana rappresentata dalla città di Milano a partire dallo scenario di diffusione delle auto elettriche che prevede 10 milioni di auto plug-in circolanti nel 2030 e dello scenario di mobilità giornaliera valutato lo scorso anno e riportato in Figura 1. Figura 1 Spostamenti nell area milanese Un confronto tra due ipotesi evolutive: la prima che prevede la presenza di circa 10 milioni di veicoli elettrici plug-in, la seconda che prevede auto con motore a combustione interna alimentato a metano ed a GPL ha evidenziato che, rispetto alle auto attuali alimentate a metano ed a GPL caratterizzate dai consumi più bassi sul mercato, le auto elettriche plug-in comporterebbero vantaggi estremamente significativi consentendo: risparmi annui di energia dell ordine di 4,2 Mtep rispetto alle auto a metano e di 2,6 Mtep rispetto alle auto a GPL; riduzioni delle emissioni annue di CO 2 dell ordine di 8,6 MtCO 2 rispetto alle auto a metano e di 7,6 MtCO 2 rispetto alle auto a GPL; risparmi annui sui costi dei combustibili dell ordine di 2 miliardi di rispetto alle auto a metano e di oltre 4 miliardi di rispetto alle auto a GPL. È senz altro possibile che le prestazioni, in termini di consumi specifici, delle auto a metano e a GPL migliorino da qui al 2030 (anno orizzonte dello scenario considerato) rispetto ai valori minimi attuali qui considerati, tuttavia la distanza rilevata nel presente studio rispetto ai benefici conseguibili dalla penetrazione delle auto elettriche appare ben lontana dal poter essere colmata. In accordo agli scenari di penetrazione dei veicoli elettrici nel parco auto italiano si prevede il dispiegamento dell infrastruttura di ricarica pubblica che garantirà contemporaneamente la diffusione dei veicoli stessi e la loro ricarica. Queste infrastrutture saranno soprattutto costituite da sistemi di Fast Charge, in grado di erogare un energia sufficiente a percorrere molti chilometri in pochi minuti. Le stazioni FC saranno ubicate prevedibilmente in corrispondenza degli odierni distributori di carburanti, che diventeranno quindi ibridi, ossia in grado di rifornire sia i veicoli tradizionali ICE sia i veicoli elettrici (EV).

6 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 6/108 PROFILI DI RICARICA VELOCE Il profilo di mobilità dell area metropolitana di Milano è stato utilizzato per definire i profili di ricarica veloce, ossia in modo da caratterizzare la domanda media di energia elettrica che le EV richiedono ai distributori ibridi durante il corso di una giornata. Dai dati riportati nella tabella seguente si evince una richiesta media di 1 MWh di energia per il parco auto elettrico per ogni distributore ibrido. N EV ~ Percorrenza/giorno 30 km/giorno Consumo al km (stima) 0.15 kwh/km N distributori ~ 1100 Energia erogata ogni giorno dal distributore medio ~ 1200 kwh/giorno Sono perciò elaborati 3 profili di ricarica veloce, applicando in successione 3 ipotesi di scenario: Proporzionalità con il profilo di mobilità; Penalizzazione della notte; Penalizzazione delle ore centrali:. La Figura 2 rappresenta i 3 profili elaborati: le barre blu definiscono il profilo proporzionale, dato che calcolato considerando la sola ipotesi 1; le barre rosse, invece, corrispondono al profilo Nottepenalizzata, in cui è stata introdotta la condizione 2 (oltre all ipotesi 1); l ultima serie di barre (verdi) descrive invece il profilo Notte-penalizzata con picchi, in cui si è considerata anche l ipotesi 3. Figura 2 - Profili di richiesta di energia per il parco auto elettrico IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLA RETE MT Secondo l ipotesi di scenario per cui i futuri distributori ibridi saranno connessi alla rete di distribuzione MT, è stato necessario definire come gli attuali distributori sono collocati rispetto alle cabine di trasformazione della rete elettrica da studiare, valutando così quali distributori è possibile ipotizzare come allacciati direttamente alla rete. Nello scenario sviluppato sono stati virtualmente connessi solo i distributori situati ad una distanza inferiore ai 150 metri da un nodo della linea MT (Figura 3): nel complesso 28 distributori sono stati allacciati agli 11 feeder analizzati.

7 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 7/108 Figura 3 - Geolocalizzazione di una linea elettrica MT e dei distributori di carburante Da un analisi preliminare dell impatto dei distributori ibridi connessi alla rete sotto esame, emergono i seguenti risultati: Incremento della potenza massima nell ordine del 5% Incremento dell energia erogata dal trasformatore AT/MT nell ordine dell 1% Limiti di utilizzo del trasformatore largamente non superati In base a queste considerazioni risulta evidente che la rete studiata è in grado di provvedere alla potenza e all energia richiesta per la ricarica rapida. Tuttavia è altresì necessario valutare gli effetti che un aumento localizzato della potenza prodotta può causare sull abbassamento di tensione nella linea MT. Vengono eseguite 4 simulazioni in cui il profilo di richiesta da rete dei distributori con ricarica veloce è scalato allo 0%, 100%, 200% e al 300% in modo da simulare differenti taglie d impianto, dal piccolo distributore con un solo punto di ricarica alla grossa stazione di servizio con numerosi sistemi FC (Figura 4). Questa ultima distinzione permette di valutare più precisamente l impatto nello scenario considerato; alcuni feeder della rete MT studiata si sviluppano in zone periferiche dove i distributori di carburante hanno un alto numero di pompe, clienti e, di conseguenza, combustibile venduto giornaliero. Per questo è ipotizzabile che il profilo calcolato in Figura 2 come media tra tutti i distributori dell area, in realtà è sottodimensionato rispetto alla taglia ed al flusso di veicoli che interessa i distributori presenti. Si è perciò ipotizzato un prelievo doppio e triplo (in energia) rispetto al prelievo base, in modo da porsi in una situazione più coerente con la zona interessata dallo studio. Viene qui presentato un campione delle analisi effettuate sul feeder maggiormente sollecitato dalla ricarica veloce, data la presenza di più distributori connessi e la conformazione del feeder stesso (lunghezza, sezioni, numero di nodi). Nel seguito sono riportate le differenze di tensioni rispetto al caso base delle 3 simulazioni con carico EV posto rispettivamente al 100%, al 200% ed al 300% rapportate alla tensione nominale di 23 kv. Risulta evidente una proporzionalità tra l aumento di carico EV e la diminuzione della tensione all ultimo nodo. Tuttavia i valori massimi di abbassamento di tensione rimangono fortemente limitati sotto lo 0.5% del valore nominale. Dallo studio emerge il fatto che una rete elettrica urbana di distribuzione con queste caratteristiche (sezione quasi costante e sovradimensionata per permettere contro-alimentazione) è in grado di soddisfare la domanda di energia elettrica per EV senza violare la direttiva EN50160 (abbassamento non superiore al 10%).

8 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 8/108 Figura 4 - Abbassamento di tensione nelle 3 situazioni di studio: valori rapportato alla tensione nominale della rete ACCUMULO NELLE STAZIONI DI RICARICA PUBBLICHE Sono stati sviluppati due diversi prototipi di distributore ibrido che utilizza un accumulo locale in grado di erogare l energia necessaria al parco auto elettrico, contenendo i costi di allaccio e fornitura di energia elettrica. I due impianti si differiscono principalmente per la taglia dell accumulo e per i servizi e le strategie implementabili. Impianto a serbatoio Con impianto a serbatoio si intende l utilizzo di un accumulo di grandi dimensioni per immagazzinare una grande quantità di energia in momenti e da fonti diverse in modo da renderla disponibile per la mobilità elettrica. L algoritmo utilizzato per l ottimizzazione della capacità di accumulo in funzione dei costi di esercizio prevede l immagazzinamento di energia solo se: l accumulo ha disponibilità (non è saturo); il prezzo dell energia è basso (fascia notturna o incentivi); la differenza tra l energia richiesta da EVs e quella disponibile dalla rete (in base alla potenza di allaccio alla rete stessa) è negativa (parte

9 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 9/108 dell energia da rete è usata per la ricarica e la restante parte viene immagazzinata). In Figura 5 viene mostrato l andamento dell energia accumulata e quella richiesta da rete e da EV durante l arco di una giornata media. Figura 5 - Impianto di ricarica con accumulo a serbatoio : profili di prelievo L impianto sopra descritto è però utilizzabile ed economicamente vantaggioso solo se il costo dell accumulo è inferiore ai 100 /kwh, ottenendo così un guadagno sulla differenza di prezzo dell energia nelle fasce di tariffazione bi/tri-oraria. A. Impianto a polmone L alto costo d investimento dell accumulo può limitare l uso di impianti di grossa taglia a favore di impianti più piccoli. L uso di questi ultimi non è più indirizzato allo spostamento del prelievo nelle ore notturne, quanto all abbassamento dei picchi di richiesta di energia. La Figura 6 mostra un utilizzo tipico per questa tipologia d impianto. Si può notare che sebbene il prelievo da rete sia costante durante le ore centrali della giornata e insufficiente a soddisfare la richiesta di energia da parte dei veicoli elettrici, il serbatoio accumula gli esuberi di energia e cede l energia necessaria a seconda delle necessità. In questo modo la potenza al punto di allaccio rimane limitata e di valore modesto (circa 70 kw nell esempio mostrato) e l accumulo ha una taglia, e quindi un costo, limitato. In questo caso può essere prevedibile un allaccio in antenna dell impianto alla linea BT, limitando così fortemente i costi d investimento. Figura 6 - Impianto di ricarica con accumulo a polmone : profili di prelievo

10 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 10/108 IMPATTO DELLA RICARICA LENTA SULLA LINEA BT L applicativo Software MARE è stato arricchito con la funzione Topologia rete & Load Flow al fine di simulare la rete nelle sue diramazioni ed eseguire in modo automatico i calcoli di load flow relativi alle registrazioni orarie disponibili. Oltre alle valutazioni di load flow, istantanee e di profili di carico registrati, la funzione permette di aggiungere profili di ricarica di veicoli elettrici dando così la possibilità di valutare l impatto di quest ultima sulle reti BT. L esecuzione del load flow istantaneo con l inserimento dei profili di Figura 7 per 149 veicoli elettrici (pari al 60% di veicoli per gli utenti MD della Sbarra 1031) mostra tensioni minime ai nodi intorno a 355V (Figura 8). Nel caso valutato, ipotizzando un profilo di ricarica legato alla mobilità con ricariche effettuate alle colonnine per ricarica lenta distribuite in città oltre alle ricariche domiciliari effettuate la sera, risulta che, con una penetrazione del veicolo elettrico pari al 60% degli utenti monofase domestici, i nodi della rete connessa alla sbarra considerata mantengono livelli di tensione entro la norma EN Figura 7 - Profilo di ricarica di 40 veicoli elettrici con maggior concentrazione nelle ore notturne alla potenza di ricarica di 3.3kW ciascuno

11 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 11/108 Figura 8 - Load Flow del profilo di ricarica lenta rappresentazione 3D (surface e proiezioni) per i quattro feeder della sbarra MONITORAGGIO RICARICA VEICOLO EV Nel giugno 2011 in RSE è stato intrapreso il monitoraggio delle ricariche di un veicolo elettrico in dotazione al parco auto aziendale, per l utilizzo del quale è stata installata, nell area sperimentale, un apposita colonnina di ricarica. Pur essendo un veicolo commerciale realizzato per un utilizzo prettamente urbano, in RSE la fruizione da parte di alcuni dipendenti è stata principalmente per tragitti casa-lavoro e viceversa. Il monitoraggio delle ricariche del veicolo elettrico si riferisce a un periodo di nove mesi da giugno 2011 fino a febbraio 2012, periodo in cui sono stati percorsi 9800 km. Le elaborazioni dei dati acquisiti hanno permesso di effettuare valutazioni sui consumi e sulle emissioni di CO 2 (riferite alla produzione di energia elettrica necessaria per ricaricare le batterie). Il maggior utilizzo giornaliero del veicolo nel periodo di monitoraggio è risultato nel range km con consumi fra le ricariche totali nel range Wh/km. La valutazione delle emissioni di CO 2 è stata effettuata tenendo conto del valore riferito alla Produzione lorda totale 2009 = 414 gco 2 /kwh rispetto ad un veicolo endotermico equivalente con valori di emissione pari a 137 gco 2 /km. La semplice valutazione sui km percorsi e sui kwh caricati ha evidenziato una riduzione di emissioni nel range 35-45%.

12 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 12/108 1 INTRODUZIONE Il presente Rapporto è parte integrante della documentazione delle attività di Ricerca di Sistema previste dal Piano Annuale di Realizzazione 2011 nell ambito del progetto Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici (Area Razionalizzazione e risparmio nell uso dell energia elettrica ) e ne costituisce il Deliverable n. 5. L attività ha avuto come oggetto la valutazione dell impatto dello scenario di mobilità elettrica elaborato nel precedente periodo di ricerca di sistema sulle reti elettriche della distribuzione sia in media che in bassa tensione. Lo scenario di riferimento elaborato nel 2010 è stato opportunamente adeguato per considerare i cambiamenti verificati durante il corrente anno introducendo anche un confronto della mobilità elettrica con altri tipi di mobilità alternativi ai combustibili tradizionali Gasolio e Benzina, ovvero il GPL, il metano e i biocarburanti. Lo scenario di mobilità al 2030 ipotizza che una parte minoritaria degli utilizzatori di veicoli elettrici possieda un parcheggio personale in cui sia possibile installare l infrastruttura di ricarica necessaria al rifornimento domestico, ovvero la wall box. La restante parte di utilizzatori di veicoli elettrici, utilizzerà stazioni di ricarica pubbliche, sia di tipo lento (parcheggi ad accesso pubblico, supermercati, colonnine di ricarica lungo le strade - con potenze fino a 20 kw), sia veloce (stazioni di ricarica in corrente continua con potenze superiori a 50 kw). Quindi, l automobile elettrica sarà utilizzata in maniera molto simile alle attuali automobili, con rifornimenti di energia in apposite stazioni di ricarica. E ragionevole che vi sia una conversione parziale (o totale) delle odierne stazioni di servizio in stazioni di ricarica di veicoli elettrici. In quest ottica si è ipotizzato che tutte le stazioni di servizio diventino ibride (con pompe di carburante per combustibili fossili e punti di ricarica EV). Riferendosi alla provincia di Milano, si è valutato quanta energia dovrà essere rifornita dal distributore ibrido medio e il profilo della domanda (potenza oraria nelle 24 ore). Questo studio ha evidenziato che il distributore ibrido richiede potenze compatibili con una connessione in media tensione. Si è quindi studiato una cabina MT, e la richiesta che competerebbe ai suoi feeder se vi fossero allacciati tutti i distributori che sono localizzati nell area servita, andando a calcolare l adeguatezza delle linee e la corrispondente caduta di tensione, trovando che le cadute di tensione sulle linee MT sono trascurabili. L impatto limitato nelle cadute di tensione è una conseguenza delle odierne regole di pianificazione ed esercizio del gestore della rete di distribuzione della città di Milano. Tali regole di pianificazione ed esercizio prevedono fattori di carico per le linee MT sempre inferiori al 50% e per le linee BT sempre inferiori all 80%. Risulta evidente che le stazioni di ricarica veloce, localizzate negli attuali distributori di carburanti, introducono un ulteriore carico per la rete di distribuzione durante le ore di maggior prelievo. Sono stati perciò sviluppate delle soluzioni che abbiano come obiettivo di abbassare l imprevedibilità dei carichi sulla rete (aleatorietà del prelievo dei clienti) e/o di evitare ulteriori sovraccarichi alla rete elettrica. La prima soluzione prevede un accumulo di medio-grande capacità in grado di accumulare l energia richiesta dal distributore medio durante la notte e renderla disponibile ai clienti durante il giorno. Per fare ciò ognuno di questi impianti necessita di una sistema di accumulo nell ordine dei MWh. Durante l attività si è elaborato un algoritmo in grado dimensionare la capacità di accumulo in funzione di: costo al kwh dell accumulo; costo al kwh prelevato da rete con tariffazione bi/tri-oraria; costi fissi di allacciamento a rete MT. In particolare utilizzando i dati attuali l utilizzo di accumuli risulta diseconomico, in quanto i costi d installazione dell accumulo stesso risultano maggiori dei benefici dello spostamento del prelievo nelle ore notturne. Sono da valutare però i possibili incentivi all utilizzo di accumuli per ottimizzare le prestazioni della rete di distribuzione, con particolare riferimento a: peak shaving; load levelling; accumulo da fonte rinnovabile per mobilità elettrica (DL ); servizi ancillari alla rete.

13 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 13/108 Il secondo prototipo di stazione di ricarica prevede invece l utilizzo di un polmone di accumulo, di taglia nettamente inferiore a quanto previsto nel precedente caso, nell ordine dei kwh. In questo caso il sistema di accumulo serve solo per sopperire ai picchi di carico durante il giorno e viene ricaricato anche durante le ore diurne. In questo modello, viene inoltre previsto un profilo di prelievo da rete di tipo flat ossia il più possibile costante nel tempo. In questo modo si ha un prelievo prevedibile durante le ore diurne consentendo una più facile regolazione della rete MT. La capacità più contenuta dell accumulo abbassa inoltre il costo d installazione dell accumulo stesso. Con queste due tipologie di impianto sono stati elaborati dei profili di prelievo da rete, che riescano in entrambi i casi a soddisfare la medesima domanda da parte dei clienti. Il SW Mare è stato potenziato per effettuare i Load Flow e valutare le cadute di tensione ai nodi. La nuova funzione inserita ricostruisce lo sviluppo reale della rete in maniera più precisa della precedente, considera le resistenza e le reattanze e calcola la resistenza equivalente al nodo di consegna PBT. Infine si è monitorato l uso e le ricariche del veicolo elettrico in dotazione a RSE. Questa attività ha permesso di rilevare i consumi specifici del veicolo in varie condizioni atmosferiche e di utilizzo e l autoconsumo della colonnina.

14 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 14/108 2 SCENARIO DI MOBILITÀ 2030 Nei paragrafi successivi viene presentato lo scenario al 2030 utilizzato per lo studio di impatto dell auto elettrico sulle reti di distribuzione BT e MT. In particolare viene prima presentato lo scenario di penetrazione delle auto elettriche nel parco auto italiano e successivamente lo scenario di mobilità del parco auto e come questo influisce sulla richiesta di energia elettrica delle auto elettriche. Complessivamente, nello scenario considerato, alla lenta crescita iniziale, che porta le auto elettriche ad un 3% circa del parco auto al 2020, segue una crescita più rapida, fino a raggiungere il 25% del parco auto al Nell analisi di scenario si considerano sia auto completamente elettriche ( PEV Plug-in Electric Vehicles), sia auto ibride ( PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicles), la cui batteria può essere ricaricata sia dalla rete (come le PEV), sia da un motore a combustione interna presente a bordo. Con la tecnologia attuale, le batterie delle auto PEV consentono un autonomia che si aggira attorno a 150 km: tali auto sono quindi adatte ad un uso tipicamente urbano. Al contrario, le auto ibride PHEV, caratterizzate da una superiore autonomia garantita dal motore a combustione interna, sono molto più versatili, potendo essere utilizzate anche su percorsi -urbani. Per tale ragione, nello scenario considerato si assume una penetrazione delle auto PHEV significativamente superiore alle PEV, con un rapporto di circa 4:1. Definite le penetrazioni percentuali delle varie tipologie di auto elettriche, occorre definire la consistenza del parco auto complessivo fino al 2030, in modo da determinare di conseguenza il numero delle auto elettriche circolanti. Basandosi sullo scenario demografico centrale ISTAT [2], che al 2030 prevede circa 62 milioni di abitanti ed estrapolando il trend attuale del numero di abitanti per auto, al 2030 si raggiungerebbe un valore di circa 1.55, da cui conseguirebbe un parco complessivo di circa 40 milioni di auto, di cui quindi 10 milioni elettriche, con la ripartizione tra le diverse tipologie mostrata in Figura Scenario di penetrazione EV al 2030 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. 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. Figura 9 Composizione del parco auto al 2030 secondo lo scenario sviluppato 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

15 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 15/108 ipotizzata una ripartizione del parco autoveicoli elettrici circolante al 2030 come quello indicato in figura: Non appare ragionevole l ipotesi di una diffusione dei veicoli elettrici omogenea dal punto di vista territoriale; la diffusione delle auto PEV/PHEV sarà, infatti, in primo luogo legata a quante auto sono già presenti (ovvero al tasso attuale di motorizzazione), con due fattori condizionanti che possono accentuare l'inserimento di tali auto: la maggior disponibilità di risorse economiche ed il livello di qualità dell aria. Il numero di auto elettriche in ciascuna provincia sarà legato al numero totale di auto e sarà condizionato sia dalla disponibilità economica (le auto elettriche saranno ancora per un tempo non breve più costose delle auto convenzionali), sia dalla qualità dell aria che, se scarsa, potrebbe determinare l implementazione di un sistema di vincoli e/o incentivi in grado di favorire la penetrazione delle auto elettriche La stima per la ripartizione dei circa 10 milioni di veicoli a livello nazionale tiene conto di: Dimensioni attuali del parco auto provinciale [ACI, 2009]; Livello economico provinciale (misurato sulla base del relativo PIL [Unioncamere, 2009]); Livello di qualità dell aria provinciale (misurato secondo alcuni indicatori ISTAT [ISTAT, 2010]). Confrontando i dati ottenuti con la disponibilità attuale di parcheggio condominiale (box, posti auto), per verificare l effettiva possibilità di ricarica notturna presso le abitazioni, emerge che solo una parte della popolazione ha la possibilità di effettuare ricariche notturne in un posto privato, mentre la restante parte dovrà utilizzare stazioni di ricarica veloce. Ciò in un ipotesi estrema in cui la diffusione dei veicoli elettrici avvenga essenzialmente nel settore privato, mentre, nella realtà è ragionevole attendersi anche una significativa quota di veicoli elettrici ad uso aziendale e quindi con necessità di ricarica presso i luoghi di lavoro. Nella successiva figura si riporta, a livello provinciale, il numero di veicoli PEV/PHEV previsti per il 2030 ed il numero di posti auto e box disponibili secondo il censimento Si nota come nel solo caso di Roma, tra le grandi province, il numero di posti auto attuali è inferiore al numero di auto con necessità di ricarica stimate al 2030 per la stessa città.!!! "#!! Figura 10 Parco auto elettrico nel 2030 e posti auto residenziali attuali nelle principali province italiane Il risultato ottenuto di ripartizione del parco auto elettrico circolante al 2030 nelle 103 province italiane è visualizzato nella mappa mostrata nella successiva figura:

16 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 16/108 Figura 11 Parco auto elettrico nel 2030 nelle 103 province italiane 2.2 Scenario di mobilità elettrica al 2030 Sono stati definiti nuovi profili di ricarica dei veicoli elettrici basandosi sull analisi dei seguenti dati: Spostamenti orari effettuati in auto nell area milanese (Milano + hinterland) desunti dalla indagine sulla mobilità delle persone nell area milanese (AMMA, 2007) vedi Figura 12: il nuovo profilo di ricarica orario è stato costruito in maniera inversamente proporzionale agli spostamenti: infatti è possibile ricaricare un auto solo quando essa è ferma.

17 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 17/108 Figura 12 - Spostamenti orari effettuati in auto nell area milanese (Milano + hinterland)[5] Disponibilità per le auto elettriche di un posto auto privato attrezzato, utilizzabile per la ricarica notturna e conseguente valutazione della numerosità di auto elettriche che dovranno necessariamente far ricorso ad infrastrutture di ricarica pubbliche; Focalizzazione sulle grandi città (> ab.): o si è ipotizzata una penetrazione doppia (50%) di auto elettriche rispetto alla media nazionale (25%); o il numero di abitazioni con posto auto privato (dati ISTAT censimento2001), era di 2.2 milioni nelle grandi città e milioni altrove; 22 milioni di abitazioni erano occupate e 5.3 milioni non occupate; 29 milioni di famiglie (ovvero di abitazioni occupate); o ipotesi al 2030: 3.6 milioni di abitazioni con posto auto privato, milioni altrove ed una penetrazione delle auto elettriche nei posti auto privati superiore del 25% rispetto alla penetrazione nel parco auto. Con queste ipotesi si è dedotto che al massimo il 64% della domanda può essere allocato nelle ore notturne ed almeno il 36% nelle ore diurne. Parte dell energia ricaricata durante il giorno dovrà essere fornita in maniera veloce, da infrastrutture paragonabili agli odierni distributori di carburanti. La ricarica lenta è evidentemente impossibile da implementare in queste strutture, dato che necessita di un tempo di ricarica nell ordine delle ore (ricarica lenta fino a 50 kw); sarà quindi necessario dotare queste stazioni di ricarica di dispositivi in corrente continua in grado di erogare potenze fino a 50 kw (attuali) o 100 kw (previsioni). Ricarica NOTTURNA [milioni di EV] Ricarica DIURNA [milioni di EV] Grandi città 2,25 1,75 Resto d Italia 4,15 1,85 TOTALE 6,4 3,6 È immediato ipotizzare che le attuali stazioni di rifornimento carburanti saranno quindi riconvertite in stazioni ibride dotate cioè sia di impianti per la distribuzioni di benzine e petroli, sia di impianti per la ricarica rapida (fast charge).

18 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 18/108 L utilizzo del veicolo elettrico sarà quindi assimilabile a quello del veicolo a combustione interna, fornendo lo stesso servizio, rifornendosi negli stessi spazi e in tempi simili, ma in grado di eliminare (PEV) o abbattere (PHEV) le emissioni di CO 2 e inquinanti nelle zone urbane. Utilizzando i dati di vendita di carburanti ed il numero di distributori convenzionali presenti attualmente nel territorio milanese (circa 1100), si è calcolato che un distributore medio dovrà fornire ogni giorno nell ordine di 1 MWh di energia ai veicoli elettrici.

19 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 19/108 3 CONFRONTO TRA LO SCENARIO DI MOBILITÀ ELETTRICA E SCENARI BASATI SU COMBUSTIBILI ALTERNATIVI In [1] si è sviluppato ed analizzato uno scenario che prevedeva una rilevante penetrazione di auto elettriche plug-in (10 milioni di EV al 2030) ed i relativi risultati, in termini di consumi e costi di combustibili fossili e di emissioni di CO 2, sono stati posti a confronto con uno scenario alternativo in cui le auto elettriche erano sostituite da auto con motore a combustione interna alimentato a benzina ed a gasolio, e caratterizzate da emissioni specifiche significativamente ridotte rispetto agli standard attuali 1 e pari a 95 gco 2 /km, obiettivo di lungo termine (post 2020) citato nel Regolamento europeo n. 443/2009 [2]. Nel presente capitolo il medesimo scenario di penetrazione di EV plug-in verrà posto a confronto con scenari nei quali le auto elettriche sono sostituite da auto con motore a combustione interna alimentato, rispettivamente, a metano ed a GPL. Difficile dire quali saranno le prestazioni, in termini di consumi specifici, di auto a metano ed a GPL nel 2030, anno orizzonte dello scenario considerato: nello studio qui riportato ci si limiterà a prendere a riferimento i più bassi valori di consumo specifico nel ciclo urbano delle city car alimentate con tali combustibili attualmente in vendita sul mercato italiano. Tali consumi specifici risultano essere pari a circa 8 m 3 /100 km per le auto a metano ed a circa 9 l/100 km per le auto a GPL. Si evidenzia che tali consumi corrispondono ad emissioni specifiche di CO 2 non proprio contenute, e pari a 154 gco 2 /km per le auto a metano ed a 145 gco 2 /km per le auto a GPL. Prendendo a riferimento le percorrenze annue assunte in [1], con i consumi specifici sopra riportati ne consegue un consumo complessivo di circa 8,8 miliardi di m 3 di metano (pari a 7,24 Mtep) e di circa 9,9 miliardi di litri di GPL (pari a 5,65 Mtep). Lo scenario di penetrazione di EV plug-in descritto in [1] valutava l impatto di due diversi profili temporali di ricarica: il Profilo 1, caratterizzato da una distribuzione più uniforme dei prelievi nelle varie ore in seguito ad una gestione intelligente dell infrastruttura di ricarica, ed il Profilo 2, caratterizzato invece da prelievi più concentrati la sera e nelle prime ore della notte. In tali casi, la produzione aggiuntiva di energia elettrica dovuta alla penetrazione delle auto elettriche implicava consumi aggiuntivi di gas naturale e di carbone pari a 3,06 Mtep con il Profilo 1 ed a 3,08 Mtep con il Profilo 2. Di conseguenza, i risparmi di energia conseguibili con le auto elettriche nel caso del Profilo 1 risulterebbero pari a 4,18 Mtep rispetto alle auto a metano ed a 2,59 Mtep rispetto alle auto a gasolio, mentre con il Profilo 2 risulterebbero pari a 4,16 Mtep rispetto alle auto a metano ed a 2,57 Mtep rispetto alle auto a gasolio. Tali risparmi nei consumi di combustibili fossili si traducono in corrispondenti risparmi nelle emissioni di CO 2. A fronte di emissioni aggiuntive nel settore elettrico per l alimentazione degli EV pari a 8,2 MtCO 2 con il Profilo 1 ed a 8,3 Mt con il Profilo 2, le emissioni delle auto a metano risulterebbero pari a 16,9 MtCO 2 e quelle delle auto a GPL risulterebbero pari a 15,9 MtCO 2. Le auto a metano implicherebbero quindi emissioni aggiuntive pari a 8,7 MtCO 2 rispetto al Profilo 1 ed a 8,6 MtCO 2 rispetto al Profilo 2, mentre le auto a GPL implicherebbero emissioni aggiuntive pari a 7,7 MtCO 2 rispetto al Profilo 1 ed a 7,6 MtCO 2 rispetto al Profilo 2. È possibile infine effettuare una valutazione in termini economici dei risparmi di combustibili fossili ottenibili dalle auto elettriche rispetto a quelle a metano ed a GPL, valorizzando il metano per auto allo stesso prezzo considerato per il metano utilizzato nella generazione elettrica nello scenario analizzato 1 A titolo di esempio, le emissioni specifiche medie delle auto nuove immatricolate nel mese di Febbraio 2012 in Italia sono state pari a 128,2 gco 2 /km (fonte: UNRAE), quindi già al di sotto dell obiettivo di 130 gco 2 /km previsto dal Regolamento europeo n. 443/2009 per il 2015.

20 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 20/108 (pari a 9,43 /GJ) e valorizzando il GPL al prezzo industriale comunicato dal Ministero dello Sviluppo Economico 2 per il mese di Febbraio 2012, pari a 507,41 /1000 litri (si intende infatti qui valutare l impatto economico a livello di sistema e non in termini di costi per l utente finale). A fronte di costi di combustibile aggiuntivi nel settore elettrico per l alimentazione degli EV pari a 850 M con il Profilo 1 ed a 934 M con il Profilo 2, i costi del metano per auto risulterebbero pari a 2,859 G, mentre i costi del GPL risulterebbero pari a 5,010 G. Le auto a metano implicherebbero quindi costi aggiuntivi pari a 2,008 G rispetto al Profilo 1 ed a 1,925 G rispetto al Profilo 2, mentre le auto a GPL implicherebbero costi aggiuntivi pari a 4,159 G rispetto al Profilo 1 ed a 4,076 G rispetto al Profilo 2. Nella seguente Tabella 1 sono sintetizzati i risultati dello studio sopra riportati. Auto a Metano Auto a GPL Consumo specifico 8 m 3 /100 km 9 l/100 km Emissioni specifiche 154 gco 2 /km 145 gco 2 /km Combustibile consumato 8,8 Gm 3 9,9 Gl Energia primaria consumata 7,24 Mtep 5,65 Mtep Consumi aggiuntivi rispetto a EV Profilo 1 4,18 Mtep 2,59 Mtep Consumi aggiuntivi rispetto a EV Profilo 2 4,16 Mtep 2,57 Mtep Emissioni di CO 2 16,9 MtCO 2 15,9 MtCO 2 Emissioni aggiuntive rispetto a EV Profilo 1 8,7 MtCO 2 7,7 MtCO 2 Emissioni aggiuntive rispetto a EV Profilo 2 8,6 MtCO 2 7,6 MtCO 2 Costi di combustibile 2,859 G 5,010 G Costi aggiuntivi rispetto a EV Profilo 1 2,008 G 4,159 G Costi aggiuntivi rispetto a EV Profilo 2 1,925 G 4,076 G Tabella 1: Confronti tra lo scenario di penetrazione di auto elettriche descritto in [1] e scenari alternativi che prevedano la sostituzione delle auto elettriche con auto alimentate a metano od a GPL. In conclusione, rispetto alle auto attuali alimentate a metano ed a GPL caratterizzate dai consumi più bassi sul mercato, le auto elettriche plug-in comporterebbero vantaggi estremamente significativi. Lo scenario descritto in [1], che prevede la penetrazione di 10 milioni di EV, consentirebbe infatti: risparmi annui di energia dell ordine di 4,2 Mtep rispetto alle auto a metano e di 2,6 Mtep rispetto alle auto a GPL; riduzioni delle emissioni annue di CO 2 dell ordine di 8,6 MtCO 2 rispetto alle auto a metano e di 7,6 MtCO 2 rispetto alle auto a GPL; risparmi annui sui costi dei combustibili dell ordine di 2 miliardi di rispetto alle auto a metano e di oltre 4 miliardi di rispetto alle auto a GPL. È senz altro possibile che le prestazioni, in termini di consumi specifici, delle auto a metano ed a GPL migliorino da qui al 2030 (anno orizzonte dello scenario considerato) rispetto ai valori minimi attuali qui 2 Si veda

21 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 21/108 considerati, tuttavia la distanza rilevata nel presente studio rispetto ai benefici conseguibili dalla penetrazione delle auto elettriche appare ben lontana dal poter essere colmata.

22 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 22/108 4 STIMA DI PROFILI DI RICARICA In accordo agli scenari di penetrazione dei veicoli elettrici nel parco auto italiano si prevede il dispiegamento di un infrastruttura di ricarica per il pubblico che garantirà contemporaneamente la diffusione dei veicoli stessi e la loro ricarica. Queste infrastrutture saranno soprattutto costituite da sistemi di Fast Charge, in grado di erogare un energia sufficiente a percorrere molti chilometri in pochi minuti. Le stazioni FC saranno ubicate prevedibilmente in corrispondenza degli odierni distributori di carburanti, che diventeranno quindi ibridi, ossia in grado di rifornire sia i veicoli tradizionali ICE sia i veicoli elettrici (EV). 4.1 Ricarica veloce Uno dei punti deboli delle varie tecnologie di ricarica già in uso, che di fatto limitano fortemente (per il momento) la diffusione dei veicoli elettrici, è il tempo di ricarica, inteso come tempo medio per un pieno di energia che permetta di percorrere una lunga distanza (es. 80 km). Questa tempo è nell ordine dei minuti, se non secondi, (dall apertura alla chiusura dello sportello del serbatoio) per quanto riguarda le vetture ICE, mentre può variare da 10 ore (ricarica lenta) a poche decine di minuti (ricarica veloce) per le auto elettriche, in funzione della potenza dell apparato di ricarica (da pochi kw a decine di kw). In un auto elettrica un pieno di energia nell ordine dei 20 kwh (valore plausibile della capacità della batteria di un auto elettrica) richiede 15 minuti a 100 kw (tenendo conto del rendimento tra rete e batteria). Le possibili leve su cui agire per ridurre questo tempo sono rappresentate dalla diminuzione della richiesta di energia, ossia una miglior efficienza della locomozione elettrica (strada poco percorribile data la già alta efficienza della trazione elettrica), e dall aumento della potenza massima di erogazione del punto di ricarica. L aumento eccessivo della potenza installata in un punto di ricarica (per ricariche veloci) porta ad un aumento non giustificato dei costi di installazione dell impianto, in funzione della diminuzione del tempo di ricarica. La Figura 13 evidenzia come il trade-off tra costi d installazione e accorciamenti nel tempo di ricarica portino, in funzione degli attuali prezzi di strumentazione e dispositivi, ad un ottimo di circa 50 kw come potenza nominale del punto di ricarica [6]. Figura 13 Trade-off tra costi dell infrastruttura di ricarica veloce ed il tempo di ricarica in funzione della potenza di ricarica[6]

23 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 23/108 Non si esclude che, con l evolversi delle tecnologie e soprattutto con l abbassamento progressivo dei costi d installazione, questo limite possa spostarsi notevolmente fino a potenze dell ordine dei 100 kw, che porterebbe di fatto ad un tempo di ricarica medio (80 km ricaricati) nell ordine dei 7 minuti, un tempo ragionevole per una ricarica veloce da effettuarsi ad un distributore di energia elettrica. 4.2 Profili di ricarica veloce Il profilo di mobilità presentato nel paragrafo 2.2 è stato utilizzato per la definizione di profili di ricarica veloce, ossia in modo da caratterizzare la domanda media di energia elettrica che le EV richiedono ai distributori ibridi durante il corso di una giornata. Dai dati si evince quindi una richiesta media di 1 MWh di energia per il parco auto elettrico per ogni distributore ibrido. Sono stati perciò elaborati 3 profili di ricarica veloce, applicando in successione 3 ipotesi di scenario: 1. Proporzionalità con il profilo di mobilità: i rifornimenti (di carburante o di energia elettrica) avvengono quando gli automobilisti si spostano, quindi la richiesta di energia (elettrica per quanto riguarda gli EV) è proporzionale nei vari momenti della giornata agli spostamenti dell intero parco auto. 2. Penalizzazione della notte: durante la notte i rifornimenti sono più sporadici anche in proporzione ai pochi spostamenti della popolazione. In quest ottica vengono quindi penalizzate le ore notturne, suddividendo il totale dell energia giornaliera in una certa percentuale (x %) nelle 13 ore del giorno e la percentuale complementare (1-x %) per le ore della notte. 3. Penalizzazione delle ore centrali: durante le ore centrali del giorno i rifornimenti avvengono in maniera meno frequente che nelle ore del mattino e della sera, mentre una buona parte degli automobilisti affronta il tragitto cosiddetto casa-lavoro. Nelle ore centrali del giorno, quindi, viene ripartita solo una certa percentuale (y %) dell energia assegnata precedentemente alle ore diurne, mentre nelle ore di mattino e sera (picchi del profilo di mobilità) viene assegnata la percentuale complementare (1-y %). L applicazione di queste ipotesi è stata eseguita in maniera automatizzata e parametrica utilizzando lo strumento VBA di Excel. È stata creata una macro di calcolo che utilizza come input solo il quantitativo complessivo di energia per l intera giornata ed il profilo di mobilità. I parametri per la definizione dell output sono le due percentuali (x e y) che ripartiscono l energia giornaliera nelle varie fasce introdotte dalle ipotesi 1-3. La Figura 14 rappresenta i 3 profili elaborati dalla macro, in modo da esaltarne le differenze. Le barre blu definiscono il profilo proporzionale, dato che calcolato in ottemperanza della sola ipotesi 1. Le barre rosse, invece, corrispondono al profilo Notte-penalizzata, in cui è stata introdotta la condizione 2 (oltre che ovviamente l ipotesi 1). L ultima serie di barre (verdi) descrive invece il profilo Notte-penalizzata con picchi, in cui si è considerata anche l ipotesi 3. Una singola barra definisce il quantitativo di energia (in kwh) prelevata dal parco auto elettrico attraverso la rete di distributori. Dato che si riferisce ad un periodo di 1 ora, lo stesso valore corrisponde al valore medio di potenza di prelievo da rete nel periodo considerato.

24 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 24/108 Figura 14 Profili di richiesta di energia per il parco auto elettrico

25 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 25/108 5 LOCALIZZAZIONE DELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE Secondo l ipotesi di scenario per cui i futuri distributori ibridi saranno connessi alla rete di distribuzione MT, è stato necessario definire come gli attuali distributori sono collocati rispetto alle cabine di trasformazione della rete elettrica da studiare, valutando così quali distributori è possibile ipotizzare come allacciati direttamente alla rete. Per questo sono state condotte parallelamente due attività di geolocalizzazione, una riguardante la rete MT, comprensiva di nodi (cabine) e collegamenti, l altra riguardante l ubicazione attuale dei distributori di carburante. 5.1 Geolocalizzazione stazioni di rifornimento carburante È stato utilizzato il software Google Earth (disponibile al sito earth.google.com/intl/it/ ) per individuare con precisione la posizione degli attuali distributori di carburante che operano nella zona di Milano, coperta dalla rete MT attestata alla cabina di Lambrate. Sono stati individuati 28 distributori e per ognuno si è derivata la posizione GPS in coordinate standard (vedi Figura 15). Tale mappatura è stata archiviata attraverso un file.kml, che utilizza la stessa sintassi del linguaggio XML, ma è di immediata interpretazione da parte di applicativi Google. Figura 15 Geolocalizzazione delle stazioni di rifornimento carburanti 5.2 Geolocalizzazione rete MT di Lambrate Utilizzando il database fornito da A2A, è stato ricavato il percorso delle linee di media tensione connesse ad una semisbarra della cabina AT/MT di Lambrate (via Rubattino, Milano).

26 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 26/108 Nel seguito si farà riferimento agli elementi riportati in figura Figura 16: Nodi: sono i punti interruzione dei cavi della linea MT; possono corrispondere a cabine secondarie, cabine utenti MT e/o a sezionatori di manovra Linee: sono i tratti di cavo (sotterraneo o aereo) che uniscono due nodi consecutivi Feeder: l insieme di nodi e linee che dalla cabina primaria di Lambrate si diramano radialmente Figura 16 - Terminologia utilizzata nella trattazione sulla rete MT La rete MT di Milano rappresentata in questo modo ha l apparenza di una rete radiale pura; in realtà l ultimo nodo di ogni feeder è in generale connesso ad un feeder connesso ad un altra cabina primaria attraverso un sezionatore normalmente aperto. L utilizzo di questa architettura permette, in caso di guasti o manutenzioni, di controalimentare i feeder da diverse cabine primarie. In particolare è stato possibile individuare con un accuratezza di poche decine di metri la posizione dei nodi (interruzioni della linea) ed il percorso di cavi o linee aree. Questo ha permesso di ricavare una visualizzazione accurata di una parte della rete di distribuzione della parte est di Milano (Figura 17). La mappatura della rete è stata memorizzata in un file.kml, che comprende la posizione e l indirizzo dei nodi, la posizione della cabina AT/MT di Lambrate e i percorsi dei feeder.

27 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 27/108 Figura 17 Geolocalizzazione di nodi e linee di parte della rete MT di Milano 5.3 Connessione stazioni di ricarica alla linea MT Per lo studio d impatto della ricarica veloce è stata considerata l ipotesi per cui tutti i distributori attualmente presenti nell area di Milano, nello scenario al 2030 saranno convertiti in distributori ibridi, dotati cioè di impianti tradizionali per carburanti e di almeno una postazione per la ricarica veloce. Ciò significa che alla domanda tradizionale di energia elettrica di queste stazioni di rifornimento verrà ad aggiungersi uno dei profili elaborati precedentemente. La connessione delle stazioni di ricarica veloce alla linea di distribuzione MT è considerata effettuata agli attuali nodi, ossia punti di interruzione del cavo MT; in realtà potrebbe essere prevedibile un allacciamento in antenna, ossia interrompendo il cavo in un punto intermedio tra due nodi. L ipotesi è stata fatta, soprattutto per utilizzare la topologia di rete attuale, di cui si hanno dati relativi a consumi elettrici giornalieri, nel simulatore di rete. Nello scenario sviluppato sono stati virtualmente connessi solo i distributori situati ad una distanza inferiore ai 150 metri da un nodo della linea MT (Figura 18); l individuazione dei distributori da connettere alla linea è stata facilitata dall inserimento di dischi a di raggio prefissato a 50 m, 100 m e

28 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 28/ m dal distributore stesso (Figura 19): nel complesso 28 distributori sono stati allacciati agli 11 feeder analizzati, come riportato in Tabella 2. Figura 18 - Connessione delle stazioni di rifornimento alla linea MT studiata secondo lo scenario sviluppato

29 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 29/108 Figura 19 - Connessione dei distributori alla rete MT; dischi di raggio 50, 100 e 150 metri Codice Feeder N distributori connessi LA LA LA23064 LA LA LA LA LA23129 LA LA LA Totale 28 Tabella 2 - Distributori connessi alla rete MT

30 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 30/108 6 STUDIO DELL IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLE RETI MT (ANALISI LOAD-FLOW) 6.1 Considerazioni preliminari Per l analisi quantitativa dell impatto della ricarica dei veicoli elettrici sulla rete elettrica di Milano è stato utilizzato un software che permette di valutare gli effetti di sovraccarico e sovra/sotto-tensione su una grande rete di distribuzione (BT e MT). È stato utilizzato un database fornito da A2A comprendente la topologia di rete (rete MT attestata alla cabina primaria di Lambrate, in via Raffaele Rubattino), la nomenclatura dei nodi (cabine MT/BT e cabine utenze) e dati riguardanti il consumo elettrico nei nodi corrispondenti ad una giornata di Gennaio. Questi carichi si riferiscono ad una condizione di lieve sollecitazione delle linee, dato che la rete MT di Milano, è dimensionata in modo tale da garantire, nella maggior parte dei casi, un fattore di utilizzo inferiore al 50 %, rispetto al flusso di potenza massimo definito dal limite termico dell isolamento. Per questo motivo i profili di carico utilizzati nelle simulazioni sono scalati per un opportuno fattore moltiplicativo (scale-factor) in modo da ottenere curve più coerenti con gli scenari e le situazioni sotto studio. Da un analisi preliminare dell impatto dei distributori ibridi connessi alla rete sotto esame, emergono i seguenti risultati: Incremento della potenza massima nell ordine del 5% Incremento dell energia erogata dal trasformatore AT/MT nell ordine dell 1% Limiti di utilizzo del trasformatore largamente non superati In base a queste considerazioni risulta evidente che la rete studiata è in grado di provvedere alla potenza e all energia richiesta per la ricarica rapida. Tuttavia è altresì necessario valutare gli effetti che un aumento localizzato della potenza prodotta può causare sull abbassamento di tensione nella linea MT. 6.2 Load-flow: analisi di sottotensione Il load flow è il calcolo della potenza attiva e reattiva in transito sui singoli nodi della rete, tensioni e correnti in modulo e fase, basato sulla conoscenza della potenza prodotta dai generatori e assorbita dai carichi, in condizione statica e di non guasto. Per impostare il calcolo è necessaria la conoscenza quindi del bilancio di potenza in tutti i punti di generazione e consumo, con l eccezione del nodo di saldo necessario per chiudere il bilancio della potenza. I nodi si distinguono in diversi tipi: PQ, PV, a seconda dei parametri che durante il calcolo sono impostati preliminarmente dall utente: la maggior parte dei carichi è di tipo PQ, cioè con potenza attiva e reattiva note; un nodo PV rappresenta un carico munito di regolatore che mantiene la tensione ad un valore costante. I dati d ingresso sono quelli relativi alle potenze attive e reattive dei nodi di prelievo e di generazione: P e Q, oppure S e cos(), impedenza chilometrica e lunghezza delle linee, grandezze caratteristiche dei trasformatori. Il risultato del calcolo è dato dai valori di corrente, in modulo e fase, tensione, potenza attiva e reattiva dei vari elementi e nodi, con percentuali di carico, perdite in linea. Per questo studio sono stati valutati con particolare attenzione i fattori di utilizzo delle linee, ossia il rapporto tra la corrente passante e la massima corrente transitabile in una linea, e l abbassamento di tensione nei nodi; insieme, queste due grandezze possono dare un indicazione della capacità della rete di supportare la ricarica veloce dei veicoli elettrici. Per quanto riguarda il fattore di utilizzo di linee e feeder sono stati utilizzati limiti diversi nelle varie simulazioni, a seconda della situazione che si è voluto simulare. Per quanto riguarda invece l abbassamento di tensione si è tenuto conto di quanto indicato nella EN La tensione di esercizio di ogni nodo della rete deve essere mantenuta entro un intervallo pari al ±10% del valore nominale. E opportuno precisare come il limite inferiore di tensione accettabile sulla rete di distribuzione in MT non sia in realtà coincidente con il limite inferiore indicato dalla EN (-10%), in quanto è da

31 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 31/108 considerare la presenza dei trasformatori MT/BT e delle linee di distribuzione in BT, che distribuiscono l energia fino all utente finale, comportando a loro volta un ulteriore caduta di tensione. Ne risulta la necessità di mantenere un opportuno margine fra la tensione del nodo della rete di distribuzione in MT e il valore minimo di tensione accettabile, margine quantificabile in circa il 5% della tensione nominale. In definitiva, il range di esercizio accettabile del sistema di distribuzione in MT spazia dal +10% al - 5% della tensione nominale. Il software restituisce per ogni nodo di ogni feeder il valore di tensione ogni quarto d ora (96 valori per un giorno simulato); in questo modo per ciascun feeder si hanno a disposizione 96 N n valori di tensione, dove N n è il numero di nodi di cui è composto il feeder. Questi valori di tensione vengono visualizzati in una rappresentazione 3D, come in Figura 6.3 ottenuta dalla simulazione di una giornata in assenza di ricarica veloce sul feeder di codice LA La tensione della cabina primaria AT/MT è fissata (nel simulatore) a 23 kv. Nelle simulazioni sono stati utilizzati 4 tipi di carichi connessi alla rete MT: Cabina secondaria con potenza installata <= 400 kva Cabina secondaria con potenza installata di 630 kva Utente MT con cabina privata Distributore ibrido (impianto di ricarica rapida) EV In Figura 20 sono presenti le curve caratteristiche di questi carichi; le prime 3 caratteristiche (cabine secondarie e utenti MT) sono riferite alla taglia dei trasformatori o della potenza disponibile. In questo senso quindi uno scale-factor pari a 1 (100%) della curva relativa agli utenti MT corrisponde ad una potenza massima pari a circa il 75% della potenza disponibile (curva arancione). La curva relativa alla ricarica dei veicoli elettrici è invece rapportata al massimo valore di energia richiesta secondo il profilo di Figura 14. Figura 20 Curve dei carichi connessi alla rete MT studiata Trattandosi di una rete puramente passiva, la tensione diminuisce progressivamente allontanandosi dalla cabina primaria lungo i vari feeder. In Figura 21 è mostrato un esempio di caduta di tensione di un

32 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 32/108 feeder della rete studiata in una situazione di carico medio-alto (ore centrali del giorno). L abbassamento in questo caso è di circa il 2.5% nel nodo terminale, ossia quello più distante dalla cabina primaria. Figura 21 Esempio di caduta di tensione in un feeder: ore Analisi dei risultati Di seguito vengono presentati i principali risultati delle simulazioni ottenute. Per meglio evidenziare gli effetti delle stazioni di ricarica rapida connesse alla rete MT, sono state eseguite più simulazioni con diverse configurazioni e diverse tipologie di carico. I risultati presentati nel seguito si riferiscono a 2 diverse situazioni di studio: 1. Analisi di picco annuo 2. Analisi in esercizio medio Analisi di picco annuo Per queste simulazioni sono state utilizzate le seguenti considerazioni: Situazione che si verifica poche volte durante l anno (periodo estivo) Fattore di utilizzo dei feeder superiore al 50% ma comunque inferiore al limite termico (100%) Ogni distributore con ricarica veloce si comporta come un carico puramente passivo con il profilo di richiesta proporzionale (paragrafo 0) Per poter simulare un utilizzo critico della potenza disponibile nei feeder sono stati utilizzati dei fattori di scala (scale-factor) pari a 1.5 per le cabine secondarie e 1.3 per le utenze MT. All interno della porzione di rete MT studiata non tutti i feeder subiscono effetti rilevanti dalla ricarica rapida a causa del ristretto numero di distributori connessi oppure perché trattasi di feeder di breve lunghezza, in cui l abbassamento di tensione non rappresenta un particolare problema di esercizio. Si è quindi scelto di presentare l impatto di ricarica veloce sui due feeder più sollecitati, sia per la presenza di vari distributori ibridi connessi (secondo il nostro scenario) sia per la lunghezza dei tronchi e la conseguente criticità della sotto-tensione. I due feeder studiati hanno come codice identificativo LA23071 e LA23936 e sono connessi rispettivamente a 6 e 4 distributori ibridi. In prima analisi è stata simulata una giornata in assenza di ricarica veloce (eliminando quindi i carichi EV della figura Figura 20) e sono stati utilizzati i risultati come riferimento per le successive simulazioni.

33 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 33/108 Per quanto riguarda il feeder LA23071, si ha un abbassamento di tensione massimo, nel nodo più distante dalla cabina primaria, nell ordine dei 200 V (Figura 22), pari a circa lo 0.86 % della tensione nominale, lontano dal limite di accettabilità fissato al 5%. Figura 22 - Rappresentazione 3D della caduta di tensione lungo il feeder LA23071 in un giorno: condizione base Nella Figura 23 invece è presentata la simulazione della stessa giornata dello stesso feeder, ma con l aggiunta della ricarica veloce.

34 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 34/108 Figura 23 - Rappresentazione 3D della caduta di tensione lungo il feeder LA23071 in un giorno: carichi EV aggiunti Risulta evidente che le due figure sono molto simili, con eccezione del valore minimo toccato dalla curva (V max = 200 V nel primo caso e V max = 240 V nel secondo caso). In Figura 24 viene rappresentata la differenza tra le due precedenti, rapportata alla tensione nominale (23 kv). In formule: VEV VnoEV V % = 100 V dove V EV è la tensione calcolata nella simulazione con l aggiunta di carichi EV, V noev è la tensione calcolata in assenza di carichi EV e V N è la tensione nominale della linea MT, che in questo caso vale 23 kv. Si può valutare quindi nel punto più distante dalla cabina primaria, e quindi il più critico, un abbassamento massimo dovuto alla sola ricarica veloce di veicoli elettrici nell ordine dell 1 rispetto alla tensione nominale. N

35 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 35/108 Figura 24 - Differenza tra simulazione con EV e simulazione senza EV: abbassamento di tensione massimo sul feeder LA23071 nell'ordine dell'1 per mille della tensione nominale In Figura 25b si può valutare con più dettaglio come la differenza dell abbassamento di tensione nel nodo più lontano del feeder segue fedelmente, con segno opposto, la curva dei carichi EV presente in Figura 20. Figura 25 Dettaglio della differenza di tensione tra le due simulazioni effettuate sul feeder LA23071 Le analoghe rappresentazioni per il feeder LA23936 (Figura 26, Figura 27 e Figura 28) mostrano andamenti del tutto simili, con un abbassamento massimo percentuale nel punto più lontano dell 1.4.

36 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 36/108 Figura 26 - Rappresentazione 3D della caduta di tensione lungo il feeder LA23936 in un giorno: carichi EV aggiunti Figura 27 - Differenza tra simulazione con EV e simulazione senza EV: abbassamento di tensione massimo sul feeder LA23936 nell'ordine dell'1 per mille della tensione nominale

37 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 37/108 Figura 28 - Dettaglio della differenza di tensione tra le due simulazioni effettuate sul feeder LA Analisi in esercizio medio Le ipotesi di esercizio considerate sono: Fattore di utilizzo dei feeder sempre al di sotto del 50% (limite imposto per rendere possibile la contro-alimentazione in caso di guasti o manutenzione) Ogni distributore con ricarica veloce si comporta come un carico puramente passivo con il profilo di richiesta proporzionale Vengono eseguite 4 simulazioni in cui il profilo di richiesta da rete dei distributori con ricarica veloce è scalato allo 0%, 100%, 200% e al 300% Questa ultima distinzione permette di valutare più precisamente l impatto di impianti di taglie differenti; alcuni feeder della rete MT studiata si sviluppano in zone periferiche dove i distributori di carburante hanno un alto numero di pompe, clienti e, di conseguenza, combustibile venduto giornaliero. Per questo è ipotizzabile che il profilo calcolato in 4.2 come media tra tutti i distributori della provincia di Milano, in realtà è sottodimensionato rispetto alla taglia ed al flusso di veicoli che interessa i distributori presenti. Si è perciò ipotizzato un prelievo doppio e triplo rispetto al prelievo base, in modo da porsi in una situazione più coerente con lo scenario sviluppato. Come per le simulazioni precedenti, viene qui presentato un campione delle analisi effettuate sui feeder maggiormente sollecitati dalla ricarica veloce, data la presenza di più distributori connessi e la conformazione dei feeder stessi (lunghezza, sezioni, numero di nodi). Nel seguito sono riportate le differenze di tensioni rispetto al caso base delle 3 simulazioni con carico EV posto rispettivamente al 100%, al 200% ed al 300% per i feeder LA23071 (Figura 29) e LA23936 (Figura 30). Risulta evidente una proporzionalità tra l aumento di carico EV e la diminuzione della tensione all ultimo nodo. Tuttavia i valori massimi di abbassamento di tensione rimangono fortemente limitati sotto lo 0.5% del valore nominale. Risulta quindi che la rete studiata è in grado di alimentare le utenze per la ricarica rapida, rimanendo nei limiti imposti dalla EN50160.

38 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 38/108 Figura 29 - Rappresentazione 3D dell'impatto della ricarica rapida sul feeder LA23071 in situazione di esercizio medio con 3 scale-factor

39 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 39/108 Figura 30 - Rappresentazione 3D dell'impatto della ricarica rapida sul feeder LA23936 in situazione di esercizio medio con 3 scale-factor

40 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 40/108 7 STUDIO DELL IMPATTO DELLA RICARICA LENTA SULLE RETI BT 7.1 Implementazione Applicativo Mare Nell'ambito della gestione delle reti di distribuzione di energia elettrica è importante monitorare istante per istante la potenza fluente nelle linee al variare dei carichi e della configurazione della rete stessa. Questi calcoli comportano la determinazione delle tensioni nodali della rete a partire dai parametri circuitali delle linee e dalle grandezze nodali note, quelle che tipicamente si misurano ai nodi della rete (ossia potenze richieste dai nodi cosiddetti utilizzatori, potenza attiva iniettata e tensione impressa nei nodi generatori). Allo scopo l applicativo Software MARE è stato implementato con la funzione Topologia rete & Load Flow al fine di simulare la rete nelle sue diramazioni ed eseguire in modo automatico i calcoli di load flow relativi alle registrazioni orarie disponibili (168 ore consecutive della terza settimana di gennaio 2010). La funzione Topologia rete & Load Flow, inserita nello schema logico di Figura 31, esegue le seguenti operazioni: Conversione delle informazioni contenute nei campi del database in una struttura ad albero (tree) dove vengono rappresentati i nodi e le loro linee di diramazione. Costruzione del file, compatibile con il programma utilizzato per i calcoli di Load Flow, contenente la descrizione dei nodi; delle linee e l inserimento dei carichi elettrici nei nodi terminali di consegna (PBT). Esecuzione del programma DISCOVER 3 [3] del quale si utilizzano i calcoli di Load Flow prodotti in un file di testo (.csv) contenente i valori di tensione ai nodi. Visualizzazione e aggiornamento dei valori di tensione sulla struttura (tree) della Topologia della rete. 3 DISCOVER è un programma di OPF (Optimal Power Flow) che modellizza il sistema elettrico in esame in termini di equazioni di load flow in corrente alternata ed effettua su di esso un processo di ottimizzazione per individuare il punto di funzionamento ottimale secondo criteri predefiniti.

41 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 41/108 Database Funzione Topologia rete & Load Flow Visualizzazione Topologia rete & Load Flow MARE - LabVIEW DISCOVER (Utilizzo calcoli di Load Flow) Figura 31 - Schema logico funzionale di elaborazione dei dati 7.2 Funzione Topologia rete & Load Flow La funzione è stata implementata partendo dal Database disponibile dove, nella tabella CONSISTENZA RETE BT MI, viene descritta la topologia della rete in esame. L applicativo esegue la conversione delle informazioni contenute nei campi della tabella e genera una struttura ad albero (tree) che rappresenta la rete con i nodi e linee di diramazione. Nell esecuzione della funzione, subordinata alla scelta della tabella Consistenza Rete da analizzare e della/e sbarra/e (Figura 32), vengono anche effettuati i calcoli di Load Flow.

42 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 42/108 Figura 32 - Menù principale di MARE dove eseguire la funzione Topologia rete & Load Flow Il risultato della funzione si presenta come in Figura 33 dove la struttura di descrizione della rete fornisce informazioni che si possono riassumere come nel seguente esempio: N - Sbarra BT cabina secondaria; portata trasformatore [kw] e tensione primario espressa [kv] Nome Feeder e tensione secondario [kv] Nome nodo rigido BT; distanza [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome nodo di consegna PBT; distanza [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome nodo rigido BT; distanza dal nodo rigido precedente [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome nodo di consegna PBT; distanza [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome morsetti cassetta BT; distanza dal nodo rigido precedente [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome nodo di consegna PBT; distanza [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] Nome nodo rigido BT; distanza dal nodo rigido precedente [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv] di consegna PBT; istanza Nome nodo di consegna PBT; distanza [km], portata cavo [A], resistenza [ohm], reattanza [ohm] e tensione al nodo [kv].

43 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 43/108 Figura 33 - Topologia della rete esempio di schematizzazione ad albero (tree) Nella rappresentazione le sbarre sono di colore grigio (blu se evidenziate), mentre i feeder; i nodi rigidi e quelli di consegna risultano verdi o rossi a seconda se rientrano oppure no nel limite di tensione previsto dalla normativa EN (90% della tensione nominale). Per ciascun nodo viene riportato, come ultimo valore, il livello di tensione frutto dei calcoli di Load Flow eseguiti dal Programma DISCOVER, al quale viene dato in input un file appositamente formattato suddiviso in record o linee di descrizione come segue: linea P - direttive utente dove vengono impostati i parametri per l esecuzione del programma DISCOVER linee N - descrizione dei nodi con i parametri di tensione e gli eventuali carichi per i nodi di consegna PBT 4 4 Carichi applicati ai nodi di consegna PBT - Gli attuali dati disponibili sono le registrazioni della potenza attiva nella settimana dal 18/01/2010 al 24/01/2010, mentre le registrazioni della potenza reattiva non sono complete. In fase di inserimento dei carichi nel file per l esecuzione del Load Flow la potenza reattiva è stata calcolata moltiplicando la potenza attiva per 0.9. L inserimento delle ricariche

44 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 44/108 linee L - descrizione delle linee di collegamento dei nodi con i parametri di lunghezza ed elettrici (corrente max, R e X) linea T - descrizione del trasformatore MT/BT collegato alla sbarra linee G descrizione dei generatori, in questo caso fittizi, che alimentano il trasformatore. La Figura 34 mostra la scheda Topologia rete & Load Flow completa dei controlli e visualizzatori. Nel riquadro in alto a sinistra oltre ai pulsanti di esecuzione del programma di load flow è presente l indicatore dell esito dell analisi ricavato dal file di output. Sono possibili due analisi di Load Flow una puntuale dove viene analizzato un istante temporale e l altra dove viene analizzato un intero profilo eseguendo l analisi per ciascun punto che descrive il profilo di carico. Figura 34 - Scheda Topologia rete & Load Flow nella situazione di carico all istante del cursore rosso ore 20:00 del 20/01/2010 L esecuzione dell analisi istantanea viene attivata tramite l apposito pulsante oppure spostando il cursore rosso sul grafico delle registrazioni della sbarra selezionata e quindi modificando il carico applicato ai nodi di consegna. L applicativo rilancia automaticamente l esecuzione del programma per il Load Flow, per l istante considerato, ed aggiorna i valori di tensione ai nodi nella finestra di rappresentazione della rete (vedi Figura 33). dei veicoli elettrici è stato effettuato applicando per ciascun PBT un numero di veicoli pari alla percentuale degli utenti MD afferenti allo stesso.

45 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 45/108 L esecuzione dell analisi del profilo è limitata ad una sola sbarra e viene attivata tramite l apposito pulsante che prevede l esecuzione ripetuta del programma di Load Flow per il numero totale dei punti che descrivono il profilo. I risultati vengono poi presentati in modalità grafica 3D nella scheda Load Flow profilo (Figura 35). Figura 35 - Visualizzazioni grafiche 3D (surface e proiezioni) dell andamento delle tensioni per il profilo di carico settimanale (168 valori orari) relativo ai quattro feeder della sbarra

46 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 46/108 La variazione della colorazione indica l allontanamento dalla tensione nominale di 380V fino a diventare rossa in prossimità del limite inferiore peri 90% di Vn (in questo caso il livello minimo raggiunto è di 360V per il feeder 02). La funzione Topologia rete & Load Flow è stata completata con la possibilità di addizionare al carico un profilo di ricarica per i veicoli elettrici. Sono stati previsti due tipi di profilo tipo A e tipo B. Il primo, estremo a gradino, dove contemporaneamente il numero totale di veicoli elettrici relativi a una percentuale di utenti MD (monofase domestico) si connettono alla rete per la ricarica giornaliera (Figura 36) Figura 36 - Profilo tipo A (ricarica contemporanea di 40 veicoli elettrici a partire dalle ore 20 per 6 ore alla potenza di ricarica di 3.3kW ciascuno) Il secondo, più veritiero, dove il totale dell energia di ricarica giornaliera richiesta dagli stessi veicoli elettrici si suddivide nella giornata secondo un profilo di mobilità degli autoveicoli [4] (Figura 12 e Figura 37). Per il profilo B è stata scelta la ricarica prevalente alla sera e nelle prime ore della notte del Profilo 2 (Figura 38).

47 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 47/108 Figura 37 - Profili orari di ricarica: Profilo 1 (gestione controllata) Profilo 2 (concentrazione ore serali/notturne) Figura 38 - Profilo tipo B (ricarica di 40 veicoli elettrici con maggior concentrazione nelle ore notturne alla potenza di ricarica di 3.3kW ciascuno)

48 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 48/108 Con la funzione implementata sull applicativo MARE è possibile eseguire simulazioni di ricarica dei veicoli elettrici sulla rete di distribuzione. L esecuzione del Load Flow istantaneo con l inserimento dei profili A e B per 149 veicoli elettrici (pari al 60% di veicoli per gli utenti MD della Sbarra 1031) mostra: nel primo caso quattro nodi sotto il livello minimo di tensione, mentre nel secondo il livello rientra con tensioni minime ai nodi intorno a 355V (Figura 39 e Figura 40). Figura 39 - Load Flow nella situazione di carico aumentata del profilo A di ricarica EV

49 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 49/108 Figura 40 - Load Flow nella situazione di carico aumentata del profilo B di ricarica EV L esecuzione del Load Flow per il profilo nella stessa situazione di carico precedente fornisce i seguenti risultati per i due casi analizzati (Figura 41 e Figura 42)

50 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 50/108 Figura 41 - Load Flow del profilo con ricarica A rappresentazione 3D (surface e proiezioni) per i quattro feeder della sbarra

51 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 51/108 Figura 42 - Load Flow del profilo con ricarica B rappresentazione 3D (surface e proiezioni) per i quattro feeder della sbarra

52 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 52/108 8 ACCUMULI DI ENERGIA NELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE Le stazioni di ricarica veloci DC sono in grado intrinsecamente di fornire i servizi ausiliari alle utenze di distribuzione. Questo è dovuto principalmente alla presenza di un convertitore di tensione AC/DC, che in genere ha la possibilità di un controllo bidirezionale disaccoppiato delle potenze attive e reattive Considerando la funzione primaria della stazione di carica, la potenza attiva sarà fissata dal carico lato DC (EV in questo caso), che è intermittente e discontinua per sua stessa natura. L utilizzo di unità di stoccaggio sul lato DC può provvedere alcune funzionalità simili alla generazione distribuita, dove è sempre presente un serbatoio di accumulo lato DC che è in grado sia di accumulare che restituire energia quando richiesto. La dimensione e la risposta dinamica in accumulo/erogazione di questa energia determinerà quindi la capacità della stazione di carica nel suo complesso di fornire ulteriori servizi accessori alla rete di distribuzione. Come funzione secondaria, il convertitore AC/DC è in grado di controllare la potenza reattiva in qualsiasi momento, indipendentemente dallo stato dei carichi lato DC, finché la tensione della linea viene mantenuta. Utilizzando il controllo della potenza reattiva capacitiva, è quindi possibile effettuare un controllo della tensione sul punto di collegamento (con o senza accumulo locale). Inoltre, una stazione di ricarica rapida con un accumulo locale può tollerare un interruzione di corrente elettrica per un certo periodo, supplendo con l erogazione dell energia immagazzinata e mantenendo alcuni servizi locali in esecuzione. Questo dipende in larga misura dalla capacità, dalle caratteristiche e dallo stato della batteria nell'istante dell'interruzione dell alimentazione. Nel corso dell attività sono stati elaborati due diverse tipologie di impianto che è possibile applicare ai distributori ibridi affinché eroghino l energia necessaria al parco auto elettrico, contenendo i costi di allaccio e fornitura di energia elettrica. 8.1 Tipologie di impianto Le diverse tipologie di impianto sviluppate si possono denominare: A serbatoio A polmone Nel seguito verranno presentate entrambe con particolare attenzione al ruolo dell accumulo ed ai servizi ancillari che è in grado di erogare Impianto a serbatoio Con impianto a serbatoio si intende un accumulo di grandi dimensioni utilizzato per immagazzinare una grande quantità di energia in momenti e da fonti diverse in modo da renderla disponibile per la mobilità elettrica. Il paradigma di funzionamento più ovvio per questo impianto consiste nell accumulare energia durante le ore notturne, quando il costo al kwh è basso e c è esubero di produzione, ed erogare energia agli EVs durante il giorno, contenendo fortemente l impatto sula rete. La Figura 20 mostra chiaramente che il profilo di richiesta di energia da parte del parco auto elettrico che utilizza la rete di ricarica veloce ha un picco di prelievo in corrispondenza del picco dei carichi tradizionali connessi alla rete MT (tra le 16 e le 20). Per questo motivo la ricarica rapida connessa alla rete di distribuzione MT può comportare un sovraccarico locale della rete. Lo scopo dell utilizzo di un accumulo ad alta capacità può essere proprio quello di spostare i picchi di carico in ore in cui la rete è normalmente scarica. L algoritmo utilizzato per l ottimizzazione della capacità di accumulo in funzione dei costi di esercizio prevede l immagazzinamento di energia solo se: L accumulo ha disponibilità (non è saturo) Il prezzo dell energia è basso (fascia notturna o incentivi) La differenza tra l energia richiesta da EVs e quella disponibile dalla rete (in base alla potenza di allaccio alla rete stessa) è negativa (parte dell energia da rete è usata per la ricarica e la restante parte viene immagazzinata)

53 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 53/108 Tuttavia, data la difficoltà della definizione di politiche incentivanti sull accumulo di energia in fasce orarie diurne, si è ipotizzato un accumulo solo durante la notte. In Figura 44 viene mostrato l andamento dell energia accumulata e quella richiesta da rete e da EVs durante l arco di una giornata media. Durante la notte (prezzo basso, bassa domanda, accumulo vuoto) avviene la ricarica dell accumulo a piena potenza (200 kw); durante il giorno invece, l energia immagazzinata è distribuita agli EVs secondo il profilo di richiesta. È stato inoltre elaborato un algoritmo di ottimizzazione che compara i costi di investimento e di esercizio di un impianto di questo tipo con i costi di esercizio di un impianto senza accumulo. L algoritmo tiene conto di una serie di parametri: Numero di cicli di carica/scarica, che definiscono la vita utile dell accumulo Prezzi dell energia nelle 3 fasce di tariffazione tri-oraria (F1, F2 e F3) Efficienza delle fasi di carica/scarica Costo dell accumulo in funzione dell energia massima immagazzinabile e disponibile (taglia dell accumulo) In maniera automatica viene fornito un grafico di comparazione dei costi accumulati a fine vita utile dei due impianti con e senza accumulo in funzione della taglia dell accumulo, come in Figura 43. Figura 43 Comparazione costi di impianto con e senza accumulo Dalle simulazioni effettuate risulta evidente che una situazione descritta dalla Figura 43, ossia in cui viene trovato almeno un punto di maggiore economicità dell impianto di accumulo, si verifica solo se il costo d investimento per l accumulo stesso è nell ordine dei 100 /kwh, e se il differenziale di prezzo nelle fasce orarie è marcato, condizioni attualmente non verificate. Come presentato nel paragrafo 6.3 la ricarica rapida sulla rete MT ha un impatto modesto che non giustificherebbe un uso su larga scala di accumuli di grande capacità (dati anche gli alti costi d investimento); tuttavia, la disponibilità di un accumulo di questa taglia può assicurare una serie di servizi accessori che il distributore ibrido può fornire alla rete e che possono contribuire economicamente al ritorno d investimento.

54 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 54/108 Figura 44 Andamento grandezze caratteristiche dell impianto a serbatoio ottimizzato Impianto a polmone L alto costo d investimento dell accumulo può limitare l uso di impianti di grossa taglia a favore di impianti più piccoli. L uso di questi ultimi non è più indirizzato allo spostamento del prelievo nelle ore notturne, quanto all abbassamento dei picchi di richiesta di energia. L accumulo più limitato può infatti servire da polmone per sopperire ai picchi di carico ed essere ricaricata più volte durante l arco di una giornata. È stato elaborato un algoritmo per la determinazione del miglior compromesso tra taglia di accumulo e potenza installata; esso calcola i costi di esercizio dell impianto in uno spazio bi-dimensionale potenzaenergia (d accumulo) verificando ed escludendo situazioni di disservizio (istanti in cui non è possibile erogare l energia richiesta dal carico). L algoritmo individua l impianto ottimo che minimizza contemporaneamente il costo di esercizio e la potenza installata. La Figura 45 mostra un utilizzo tipico per questa tipologia d impianto. Si può notare che sebbene il prelievo da rete sia costante durante le ore centrali della giornale e insufficiente a soddisfare la richiesta di energia da parte dei veicoli elettrici, il serbatoio accumula gli esuberi di energia e cede l energia necessaria a seconda delle necessità. In questo modo la potenza al punto di allaccio rimane limitata e di valore modesto (circa 70 kw nell esempio di Figura 45) e l accumulo ha una taglia, e quindi un costo, limitato.

55 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 55/108 Figura 45 - Andamento grandezze caratteristiche dell impianto a polmone ottimizzato

56 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 56/108 9 PIANIFICAZIONE DELLE RETI DI DISTRIBUZIONE MT E BT IN PRESENZA DI STAZIONI DI RICARICA VELOCE 9.1 Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete MT La rete di distribuzione di A2A Reti Elettriche in area Milano è quasi esclusivamente costituita da linee in cavo sotterraneo. Per i carichi alimentati da linee sotterranee, in particolare per la rete MT, risulta di fondamentale importanza poter disporre di una possibilità di rialimentazione, essenzialmente per i seguenti motivi: i carichi e le utenze servite sono in genere piuttosto elevati; la riparazione di una linea sotterranea comporta tempi assai maggiori di quelli necessari per guasti su linee aeree. Lo schema tipico della rete MT cittadina è costituito da linee dorsali a sezione costante, che iniziano e terminano in Cabine Primarie AT/MT distinte, sezionabili nelle cabine MT/BT collegate in entra-esce, come indicato nella Figura 46. Tale struttura di rete viene detta a congiungenti. Cabina MT/BT Cabina MT/BT con sezionamento normalmente aperto Cabina AT/MT Figura 46 - Schema semplificato della rete MT a congiungenti In condizione di esercizio normale, le linee MT sono utilizzate in configurazione radiale, sezionate in una cabina di trasformazione MT/BT indicativamente a metà percorso, in modo da ridurre al minimo le cadute di tensione e le perdite di rete. In condizioni di emergenza, per consentire la completa rialimentazione di tutto il carico di ogni linea MT, sia in caso di guasto lungo la linea sia in caso di indisponibilità di una delle Cabine Primarie AT/MT a cui la linea è attestata, la portata della linea deve essere maggiore o uguale al carico massimo previsto su tutta la sua lunghezza (da una cabina AT/MT all altra). L utilizzazione massima di ogni singola linea MT in condizioni standard è quindi limitata generalmente al 50% della sua portata nominale. 9.2 Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete BT Per la rete di distribuzione BT in ambito urbano, valgono in linea di principio gli stessi criteri utilizzati per la rete MT. Trattandosi però di rete molto più capillare che alimenta, per ogni trasformatore MT/BT

57 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 57/108 o per singola dorsale BT, carichi meno elevati e un numero di utenze decisamente inferiori, si accettano condizioni di pianificazione/esercizio meno rigorose. La struttura di rete non sempre è tale da garantire una completa rialimentazione di tutti i carichi e l indice di utilizzazione della rete si spinge normalmente verso valori più elevati. Il limite massimo di utilizzo di trasformatori MT/BT e relative linee BT in condizioni standard, è considerato da A2A Reti Elettriche generalmente pari al 80% del relativo valore nominale.

58 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 58/ MONITORAGGIO DELLE RICARICHE DI UN VEICOLO ELETTRICO (EV) (PERIODO GIUGNO FEBBRAIO 2012) Nel giugno del 2011 in RSE è stato intrapreso il monitoraggio delle ricariche di un Veicolo elettrico in dotazione al parco auto aziendale, per l utilizzo del quale è stata installata, nell area sperimentale, un apposita colonnina di ricarica. Data l autonomia (160 km dichiarata dal costruttore) e la possibilità di ricarica delle batterie limitata solo ad alcune colonnine installate in zone centrali di Milano, il suo utilizzo è stato confinato entro un area che copre distanze del raggio di circa 50 km. Pur essendo un veicolo commerciale realizzato per un utilizzo prettamente urbano, in RSE la fruizione da parte di alcuni dipendenti è stata principalmente per tragitti casa-lavoro e viceversa. I percorsi effettuati hanno coperto per oltre il 77% aree urbane mentre il resto si è suddiviso in parti uguali nelle aree urbane e miste (Figura 47). Utilizzo Veicolo Elettrico % percorsi effettuati urbano misto urbano Tipo di percorso Figura 47 - Tipologia di percorso effettuato Dato il tipo di utilizzo anche le ricariche mostrano una predominanza di ricariche totali (89% durante il giorno) rispetto al 9% delle parziali (Figura 48). Sono presenti anche eventi sia di ripristino del livello di carica dovute all auto-scarica delle batterie al litio sia di pre-riscaldamento in fase di ricarica.

59 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 59/108 Ricariche veicolo elettrico % tipo di ricarica Totale Parziale Ripristino Tipo di ricarica Figura 48 - Tipologia di ricariche effettuate 10.1 Sistema di monitoraggio delle ricariche Per il monitoraggio delle ricariche è stato utilizzato un Analizzatore di Power Quality Janitza modello UMG 511 (Figura 50) connesso via interfaccia Ethernet alla rete dati aziendale. Lo strumento è stato installato immediatamente a monte dell alimentazione trifase della Colonnina (Figura 50 e Figura 51) ed acquisito tramite un PC in rete con il programma GridVis della Janitza. Figura 49 - UMG 511

60 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 60/108 Figura 50 - Posizionamento dei TA (30/5A) Figura 51 - Schema multifilare di potenza per alimentazione Colonnina di ricarica (particolare della connessione dell analizzatore Janitza) Il programma GridVis prevede la visualizzazione online delle grandezze di interesse oltre alla loro memorizzazione in un database con medie ogni 60 secondi. Sono state effettuate un totale di 138 ricariche, il 96% delle quali c/o la colonnina installata in RSE, mentre il 4% c/o colonnine situate in Milano. Nell andamento dei grafici di ricarica, sotto riportati, si riconoscono gli steps descritti in dove la procedura di carica delle batterie agli Ioni di Litio (più celle in serie) viene caratterizzata in tre step: 1. CC

61 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 61/ Balance (non richiesto una volta che la batteria è bilanciata) 3. CV dove: In CC viene applicata la corrente di carica alla batteria fino al raggiungimento della tensione limite per ogni cella. In Balance viene ridotta la corrente di carica (o ciclata on e off per ridurre la corrente media) mentre lo stato di carica delle singole celle è compensato da un circuito di bilanciamento 5, fino a quando la batteria è bilanciata. In CV viene applicata una tensione costante pari alla massima tensione di cella per il numero di celle in serie della batteria. La corrente gradualmente diminuisce asintoticamente a zero, fino a quando la corrente è inferiore ad una soglia di circa il 3% della corrente costante di carica iniziale. Nelle figure seguenti si riconoscono le prime due fasi CC e Balance (Figura 53 e Figura 57) e la terza fase a tensione costante CV (Figura 55 e Figura 59). Per quest ultima, la durata è nettamente differente fra le due ricariche (7 e 45 minuti) dove sicuramente la temperatura ambiente (Agosto e Dicembre) gioca un ruolo importante per il riconosciuto problema della ricarica alle basse temperature. Figura 52 - Ciclo completo Figura 53 - Amplificazione fase di bilanciamento 5 Il circuito di bilanciamento serve a massimizzare la capacità di ciascuna cella per rendere tutta la sua energia disponibile per l'uso e aumentare la durata della batteria.

62 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 62/108 Figura 54 - Andamento Corrente e Tensione (gradino di tensione da rete di alimentazione) Figura 55 - Amplificazione fase CV (tensione costante) Figura 56 - Ciclo completo

63 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 63/108 Figura 57 - Amplificazione fase di bilanciamento Figura 58 - Andamento Corrente e Tensione Figura 59 - Amplificazione fase CV (tensione costante)

64 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 64/ Elaborazione dati Il monitoraggio delle ricariche del veicolo elettrico si riferisce ad un periodo di nove mesi da giugno 2011 fino a febbraio Nei nove mesi di monitoraggio sono stati percorsi 9800 km suddivisi in percorrenze mensili variabili fra 600 e 1500 km (Figura 60). Le elaborazioni dei dati acquisiti hanno permesso di effettuare valutazioni sui consumi e sulle emissioni di CO 2 (riferite alla produzione di energia elettrica necessaria per ricaricare le batterie). Per avere dei valori corretti dei consumi si è proceduto ad effettuare i calcoli fra due ricariche complete (tipo pieno di carburante) rapportando la differenza fra l energia totale erogata a fine ricarica e quella all inizio rispetto ai km percorsi nel relativo intervallo (Figura 61) 6. Il maggior utilizzo giornaliero del veicolo nel periodo di monitoraggio è risultato nel range km con consumi fra le ricariche totali nel range Wh/km. La massima percorrenza effettuata fra due ricariche totali, senza ricariche parziali intermedie, è stata di 137 km a 143 Wh/km. Percorrenze kilometriche mensili km percorsi giu-11 lug-11 ago-11 set-11 ott-11 nov-11 dic-11 gen-12 feb-12 Mesi Figura 60 - Percorrenze kilometriche mensili 6 L energia misurata dallo Janitza è affetta da un autoconsumo dell elettronica interna della colonnina pari a circa +1% del valore rilevato. Questa valutazione è stata possibile una volta reso disponibile il valore dell energia erogata sulla colonnina.

65 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 65/108 Consumi fra ricariche totali Wh/km km percorsi max percorrenza 137km a 143Wh/km giu-11 lug-11 ago-11 set-11 ott-11 nov-11 dic-11 gen-12 feb-12 Figura 61 - Consumi fra ricariche totali I consumi medi mensili fra ricariche totali sono compresi fra 180 e 225 Wh/km passando dai mesi estivi a quelli invernali (Figura 62). Consumi medi fra ricariche totali Wh/km giu-11 lug-11 ago-11 set-11 ott-11 nov-11 dic-11 gen-12 feb-12 mesi Figura 62 - Consumi medi mensili La valutazione dei consumi progressivi calcolata sul totale dell energia caricata e dei kilometri percorsi è mostrata in Figura 63. A parte i primi due mesi di assestamento l andamento con questo tipo di valutazione si attesta intorno ai 180 Wh/km nei mesi estivi per poi aumentare fino a 195Wh/km nei mesi

66 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 66/108 invernali. Sicuramente per l aumento dobbiamo considerare anche il maggiore utilizzo delle luci e non tanto la climatizzazione dell abitacolo in quanto il veicolo dispone di un sistema autonomo a gasolio. Consumi progressivi Wh/km Giu-11 km Lug-11 km 945 Ago-11 km 1144 Set-11 km 737 Ott-11 km 1043 Nov-11 km 1514 Dic-11 km 943 Gen-12 km 1409 Feb-12 km km percorsi progressivi Wh/km progressivi Figura 63 - Consumi medi progressivi La valutazione delle emissioni di CO 2 è stata effettuata tenendo conto del valore riferito alla Produzione lorda totale 2009 = 414 gco 2 /kwh (dati da sito TERNA tabelle Confronti internazionali) rispetto ad un veicolo endotermico equivalente con valori di emissione pari a 137 gco 2 /km. Nel grafico di Figura 64 vengono riportate le emissioni mensili calcolate per il veicolo elettrico e per il veicolo endotermico di confronto oltre all andamento della riduzione % di CO 2 che si attesta fra il -35 e il -45%. kgco 2 Veicolo Elettrico = (gco 2 /kwh * kwh ricarica )/1000 kgco 2 Veicolo Endotermico = (gco 2 /km * km percorsi )/1000

67 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 67/108 Emissioni CO2 fra ricariche totali kg CO2; % rid CO giu-11 lug-11 ago-11 set-11 ott-11 nov-11 dic-11 gen-12 feb-12 mesi kgco2 Veicolo elettrico kgco2 Veicolo termico eq. % riduzione CO2 km percorsi mensili km totali percorsi Figura 64 - Valutazione e confronto emissioni di CO Consumi della Colonnina di ricarica Il consumo degli apparati elettronici della colonnina di ricarica (Figura 65 e Figura 66) è stato misurato tramite le letture effettuate su un Analizzatore di Power Quality Janitza modello UMG 511 inserito immediatamente a monte dell alimentazione trifase della stessa (vedi schema Figura 67).

68 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Figura 65 - Colonnina di ricarica installata nell area sperimentale RSE Figura 66 - Vista delle due tipologie di prese per la ricarica Pag. 68/108

69 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 69/108 Figura 67 - Schema multifilare di potenza per alimentazione Colonnina di ricarica (particolare della connessione dell analizzatore Janitza) I consumi, suddivisi in bimestri, sono stati ricavati dalle letture dell energia contabilizzata per ciascuna fase e riportati nelle Tabelle seguenti: Consumi Maggio Giugno 2011 Data & Ora L1 [Wh] L2 [Wh] L3 [Wh] 30/05/ : /06/ : Differenza Ricariche EV Totale Energia totale sulle tre fasi: Wh (per 31 giorni) Consumo colonnina: Wh/giorno. Consumi Luglio Agosto 2011 Data & Ora L1 [Wh] L2 [Wh] L3 [Wh] 30/06/ : /08/ : Differenza Ricariche EV Totale Energia totale sulle tre fasi: Wh (per 62 giorni)

70 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 70/108 Consumo colonnina: Wh/giorno. Consumi Settembre Ottobre 2011 Data & Ora L1 [Wh] L2 [Wh] L3 [Wh] 31/08/ : /10/ : Differenza Ricariche EV Totale Energia totale sulle tre fasi: Wh (per 61 giorni) Consumo colonnina: Wh/giorno. Consumi Ottobre Novembre 2011 Data & Ora L1 [Wh] L2 [Wh] L3 [Wh] 30/09/ : /11/ : Differenza Ricariche EV Totale Energia totale sulle tre fasi: Wh (per 61 giorni) Consumo colonnina: Wh/giorno. Consumi Novembre Dicembre 2011 Data & Ora L1 [Wh] L2 [Wh] L3 [Wh] 31/10/ : /12/ : Differenza Ricariche EV Totale Energia totale sulle tre fasi: Wh (per 61 giorni) Consumo colonnina: Wh/giorno. L aumento dei consumi a partire da Settembre 2011 è imputabile all intervento di aggiornamento dell Hardware e del Software della colonnina effettuato il giorno 13/09/2011. Le ultime due tabelle, volutamente sovrapposte di un mese, mostrano un consumo intorno ai 620 Wh/giorno (25.8 W) rispetto ai 500 Wh/giorno (20.8 W) dei mesi precedenti l intervento.

71 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 71/ CONCLUSIONI L attività ha avuto come oggetto la valutazione dell impatto dello scenario di mobilità elettrica elaborato nel precedente periodo di ricerca di sistema sulle reti elettriche della distribuzione sia in media che in bassa tensione. Lo scenario considera che una buona parte dei possessori di veicoli elettrici (EV), pari a circa il 30% sul totale di EV presenti nel parco auto, utilizzi stazioni di ricarica pubbliche, sia di tipo lento (parcheggi ad accesso pubblico, supermercati, colonnine di ricarica lungo le strade - con potenze fino a 20 kw), sia veloce (stazioni di ricarica in corrente continua con potenze superiori a 50 kw). Le odierne stazioni di servizio saranno convertite in stazioni ibride, con pompe di carburante per combustibili fossili e punti di ricarica veloce per EV. Riferendosi alla provincia di Milano, si è valutato quanta energia dovrà essere rifornita dal distributore ibrido medio ottenendo un valore pari a circa 1 MWh; si è inoltre stimato il profilo della domanda di energia da parte delle auto elettriche (potenza oraria nelle 24 ore). L analisi svolta ha evidenziato che il distributore ibrido richiede potenze compatibili con una connessione in media tensione. Si è quindi studiato una cabina MT, e la richiesta che competerebbe ai suoi feeder se vi fossero allacciati tutti i distributori che sono localizzati nell area servita, andando a calcolare l adeguatezza delle linee e la corrispondente caduta di tensione, trovando che le cadute di tensione sulle linee MT sono trascurabili, in quanto la ricarica veloce comporta un abbassamento inferiore allo 0.5% della tensione nominale. L impatto limitato nelle cadute di tensione è una conseguenza delle odierne regole di pianificazione ed esercizio del gestore della rete di distribuzione della città di Milano. Tali regole di pianificazione ed esercizio prevedono fattori di carico per le linee MT sempre inferiori al 50% e per le linee BT sempre inferiori all 80%. Risulta evidente che le stazioni di ricarica veloce, localizzate negli attuali distributori di carburanti, introducono un ulteriore carico per la rete di distribuzione durante le ore di maggior prelievo. Sono stati perciò sviluppate delle soluzioni che abbiano come obiettivo di abbassare l imprevedibilità dei carichi sulla rete (aleatorietà del prelievo dei clienti) e/o di evitare ulteriori sovraccarichi alla rete elettrica. La prima soluzione prevede un accumulo di medio-grande capacità in grado di accumulare l energia richiesta dal distributore medio durante la notte e renderla disponibile ai clienti durante il giorno. Per fare ciò ognuno di questi impianti necessita di una sistema di accumulo nell ordine dei MWh. Durante l attività si è elaborato un algoritmo in grado dimensionare la capacità di accumulo in funzione di: costo al kwh dell accumulo; costo al kwh prelevato da rete con tariffazione bi/tri-oraria; costi fissi di allacciamento a rete MT. In particolare utilizzando i dati attuali l utilizzo di accumuli risulta diseconomico, in quanto i costi d installazione dell accumulo stesso risultano maggiori dei benefici dello spostamento del prelievo nelle ore notturne. Sono da valutare però i possibili incentivi all utilizzo di accumuli per ottimizzare le prestazioni della rete di distribuzione, con particolare riferimento a: peak shaving; load levelling; accumulo da fonte rinnovabile per mobilità elettrica (DL ); servizi ancillari alla rete. Il secondo prototipo di stazione di ricarica prevede invece l utilizzo di un polmone di accumulo, di taglia nettamente inferiore a quanto previsto nel precedente caso, nell ordine dei kwh. In questo caso il sistema di accumulo serve solo per sopperire ai picchi di carico durante il giorno e viene ricaricato anche durante le ore diurne. In questo modello, viene inoltre previsto un profilo di prelievo da rete di tipo flat ossia il più possibile costante nel tempo. In questo modo si ha un prelievo prevedibile durante le ore diurne consentendo una più facile regolazione della rete MT. La capacità più contenuta dell accumulo abbassa inoltre il costo d installazione dell accumulo stesso. Con queste due tipologie di impianto sono stati elaborati dei profili di prelievo da rete, che riescano in entrambi i casi a soddisfare la medesima domanda da parte dei clienti. Il SW Mare è stato potenziato per effettuare i Load Flow e valutare le cadute di tensione ai nodi. La nuova funzione inserita ricostruisce lo sviluppo reale della rete in maniera più precisa della precedente, considera le resistenza e le reattanze e calcola la resistenza equivalente al nodo di consegna PBT. Infine si è monitorato l uso e le ricariche del veicolo elettrico in dotazione a RSE. Questa attività ha permesso di rilevare i consumi specifici del veicolo in varie condizioni atmosferiche e di utilizzo e l autoconsumo della colonnina.

72 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 72/108 BIBLIOGRAFIA [1] M. Benini, A. Gelmini, P. Gramatica, F. Lanati, G. Mauri: L'impatto degli scenari di diffusione di PEV/PHEV sul sistema energetico nazionale e sulla rete di media e bassa tensione, Rapporto RSE n , 31 Marzo [2] Regolamento (CE) n. 443/2009 del Parlamento Europeo e del Consiglio del 23 Aprile 2009 che definisce i livelli di prestazione in materia di emissioni delle autovetture nuove nell ambito dell approccio comunitario integrato finalizzato a ridurre le emissioni di CO 2 dei veicoli leggeri, eur-lex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=oj:l:2009:140:0001:0015:it:pdf [3] A. Garzillo, A. Gelmini, M. Innorta (ENEL SRI AT/UDS), M. V. Cazzol (CESI): DISCOVER: Uno strumento di OPF per la valutazione dei contratti bilaterali e per la risoluzione delle congestioni ENEL SRI-AT-UDS-99 [4] Benini Michele, Gelmini Alberto, Gianinoni Iva Maria, Mauri Giuseppe, Gramatica Paolo, Lanati Fabio: Impatto sul sistema elettrico della potenziale diffusione dei veicoli elettrici, Rapporto RSE n , Marzo 2011 [5] Comune di Milano - Agenzia Mobilità Ambiente e Territorio: Indagine sulla mobilità delle persone nell'area milanese, Dicembre [6]

73 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 73/108 Elaborazioni mensili: Utilizzo; Consumi Wh/km ed Emissioni CO 2 Nel seguito vengono riportate le elaborazioni mensili (giugno febbraio 2012) dell utilizzo del veicolo elettrico con le valutazioni dei consumi e delle emissioni di CO 2. km progressivi /05/ /06/ /06/ /06/2011 Giugno Utilizzo veicolo elettrico Rilievi progressivi fra ricariche complete /06/ /06/ /06/ /06/ /06/2011 Data 18/06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ kwh progressivi kwh assorbiti km percorsi

74 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 74/108 km percorsi Giugno Consumi (rilievi fra ricariche complete) Wh/km ricariche Wh/km prog. km percorsi Wh/km urbano urbano misto misto urbano misto urbano misto misto Tipo percorso km percorsi Giugno Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete) misto misto urbano misto urbano Tipo percorso misto kg CO2 ZE kg CO2 1.5 dci km percorsi misto urbano urbano kg CO2

75 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 75/108 km progressivi /07/ /07/ /07/ /07/2011 Luglio Utilizzo veicolo elettrico Rilievi progressivi fra ricariche complete /07/ /07/ /07/ /07/2011 kwh assorbiti /07/2011 Data /07/ /07/2011 km percorsi 26/07/ /07/ /07/ /08/ kwh progressivi km percorsi Luglio Consumi (rilievi fra ricariche complete) Wh/km ricariche Wh/km prog. km percorsi Wh/km urbano urbano misto misto misto urbano misto misto misto urbano urbano Tipo percorso

76 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 76/108 km percorsi urbano Luglio Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete) urbano misto misto misto urbano misto Tipo percorso misto misto kg CO2 ZE kg CO2 1.5 dci km percorsi urbano urbano kg CO2 km progressivi /08/ /08/ /08/ /08/2011 Agosto Utilizzo veicolo elettrico Rilievi progressivi fra ricariche complete /08/ /08/ /08/ /08/ /08/2011 Data kwh assorbiti 21/08/ /08/2011 km percorsi /08/ /08/ /08/ /08/ kwh progressivi

77 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 77/108 km percorsi Agosto Consumi (rilievi fra ricariche complete) Wh/km ricariche Wh/km prog. km percorsi Wh/km Tipo percorso km percorsi Agosto Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete) Tipo percorso kg CO2 ZE kg CO2 1.5 dci km percorsi kg CO2

78 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 78/ Settembre Utilizzo veicolo elettrico Rilievi progressivi fra ricariche complete km progressivi kwh progressivi /09/11 03/09/11 04/09/ /09/11 06/09/11 07/09/11 08/09/11 09/09/ /09/11 11/09/11 12/09/11 13/09/11 14/09/ /09/11 16/09/11 Data kwh assorbiti 17/09/11 18/09/11 19/09/11 km percorsi 20/09/11 21/09/11 22/09/11 23/09/11 24/09/ /09/11 26/09/11 27/09/11 28/09/ km percorsi Settembre Consumi (rilievi fra ricariche complete) Tipo percorso Wh/km ricariche Wh/km prog. km percorsi Wh/km

79 Rapporto SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici Pag. 79/108 km percorsi Settembre Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete) Tipo percorso kg CO2 ZE kg CO2 1.5 dci km percorsi kg CO2 km progressivi Ottobre Utilizzo veicolo elettrico Rilievi progressivi fra ricariche complete kwh progressivi /10/11 06/10/11 08/10/11 10/10/11 12/10/11 14/10/11 16/10/11 18/10/11 20/10/11 22/10/11 24/10/11 26/10/11 28/10/11 30/10/11 Data kwh assorbiti km percorsi