MOBILITA ELETTRICA: INFRASTRUTTURA E MODALITA DI RICARICA - IMPATTO SULLA RETE DI DISTRIBUZIONE

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1 Low Carbon Mobility UNEI Roma, 26 Ottobre 2010 MOBILITA ELETTRICA: INFRASTRUTTURA E MODALITA DI RICARICA - IMPATTO SULLA RETE DI DISTRIBUZIONE Iva Gianinoni Michele de Nigris RSE - Ricerca sul Sistema Energetico

2 Struttura Quanto consuma un veicolo elettrico? Opzioni di ricarica: Modelli di business Velocità di ricarica Interfacce per la ricarica: Modi Collegamenti Prese connettori Impatto sulla rete di distribuzione: Caduta di tensione lungo linea Sovraccarico linea Soluzione smart grid

3 Quanto consuma un veicolo elettrico? Veicoli ricaricabili: Plug-in Electric Vehicles e Plug-in Hybrid Electric Vehicles Veicoli PEV segmenti A e B (< 1000 kg) Veicoli PEV segmenti C e D (1000<kg< 2000) Veicoli PHEV segmenti C e D (1000<kg< 2000) Capacità Consumo medio (1) Autonomia in elettrico (ciclo standard) 16 kwh 125 [Wh/km] 130 km 30 kwh 180 [Wh/km] 170 km 16 kwh 0.04 [L/km] 60 km (1) Dato relativo al consumo in condizioni operative standard (cioè senza includere consumo condizionatore, etc..): tali fattori possono essere tenuti in considerazione dividendo il valore in tabella per 0,9

4 Peculiarità del consumo per mobilità elettrica L energia prelevata da un punto di prelievo viene immagazzinata per essere consumata in un tempo successivo L energia prelevata viene utilizzata in un luogo diverso rispetto a quello dove è collocato il punto di prelievo Punto di prelievo e dispositivo di utilizzazione (veicolo elettrico) possono appartenere a soggetti diversi (punto di ricarica pubblico) Nei punti di ricarica pubblici si può configurare la fattispecie di rivendita a terzi di energia elettrica prelevata da una rete con obbligo di connessione di terzi

5 Quali modelli di business?

6 Punto di ricarica ad accesso privato La ricarica dell'auto elettrica rientra nella categoria Altri usi Risulta quindi necessario: Nuovo punto di fornitura nell ambito dello stesso contratto (come già avviene per le pompe di calore) Contatore dedicato: delibera AEEG ARG/elt 56/10 Funzionalità (a bordo auto) per modulare il prelievo nel tempo e in potenza

7 Punto di ricarica ad accesso pubblico

8 Modello del D.S.O. L infrastruttura di ricarica compete alle attività di distribuzione, per favorire lo sviluppo rapido delle stazioni di ricarica L utente (autovettura) non è connesso continuativamente alla rete elettrica, ma solo all atto della ricarica: Punto di prelievo (POD) mobile Contratto si attiva ogni volta che l auto si collega al punto di ricarica Le colonnine sono gestite come nodi attivi dalle Smartgrid La potenza resa disponibile alle colonnine è quella residuale in quel nodo Permette di evitare/differire il potenziamento delle reti (ottimizzare i costi di investimento di rete) La fatturazione avviene in bolletta da parte del venditore Oltre a coprire il servizio di trasporto e di dispacciamento e vendita, il contratto deve includere anche il servizio specifico di ricarica

9 Infrastruttura di proprietà di un terzo La stazione di ricarica, rispetto alla rete, è un normale punto di connessione in prelievo (e in immissione se dotato di sistemi di accumulo). Il gestore dispone di una potenza massima costante La stazione di ricarica è un cliente del mercato libero o del mercato di salvaguardia: il fornitore del servizio chiede un allaccio in un punto da lui scelto in BT o MT, secondo la normativa vigente Il DSO si limita a fornire il servizio di connessione, la misura di flussi di energia e l esercizio della rete garantendo i parametri di qualità e continuità del servizio Sono possibili varie forme contrattuali tra il gestore della stazione di ricarica e i suoi clienti veicoli elettrici, soprattutto se la stazione non è presidiata

10 Battery swap Nelle auto predisposte, una batteria si sostituisce in pochi minuti (2-3 minuti) La batteria è in leasing Si paga l energia realmente utilizzata con affitto a tempo dell accumulatore Necessario dotare anche il veicolo (o la batteria) di un proprio contatore. La relazione commerciale è tra cliente e gestore del servizio Presuppone un elevato numero di batterie intercambiabili elevato costo di immobilizzo serve uno standard per le dimensioni delle batterie La società Better Place, negli Stati Uniti e in Israele, propone un servizio di mobilità basato anche su battery swap

11 Velocità di ricarica Periodo iniziale Lenta ( normale ) - potenza < 3,3-3,6 kw; t ric 6 h (*) Monofase AC (compatibile con rete BT) Accelerata - potenza 6-20 kw; t ric 3-1 h (*) Trifase AC (compatibile con rete BT) Rapida - potenza kw; t ric min (*) Trifase AC (stazioni di ricarica allacciate alla rete MT) Extra Rapida - potenza > 43 kw; t ric 20-5 min (*) Ricarica CC (stazioni di ricarica allacciate alla rete MT) Seconda presa su auto; connettore standard da definire Apparati di ricarica esterni, costosi e di grandi dimensioni Battery swap - potenza < limiti tecnologici batteria Stazioni di ricarica allacciate alla rete MT Necessità di spazi e apparati di movimentazione accumulatori (*) tempo per ricarica batteria da 20 kwh

12 Modi di ricarica IEC Modo 3 / presa dedicata: carica lenta o rapida. connessione diretta all alimentazione di rete AC con spina specifica. funzioni controllo e protezione installate permanentemente nell infrastruttura dovrebbe diventare lo standard europeo

13 Connettori di ricarica Importanza della standardizzazione per interoperabilità IEC : Requisiti generali; IEC /2: Connettori Focus Group CEN CENELEC in risposta a mandato UE CEI: norma specifica CT312-1 per veicoli elettrici stradali MODO 1: ricarica da presa protetta da differenziale (<16A) MODO 3: ricarica pubblica (continuità conduttore di terra) Connettori EV-PLUG Alliance per MODO 3 : < 24 kw interoperabili, sicuri, adatti anche per servizi Vehicle to Grid

14 Processo di ricarica C e n tr o d i c o n t r o llo S is te m a d i F a t tu r a z io n e S is te m i i n f o r m a t iv i A z ie n d a li S e r v e r S M S W e b S e r v e r G P R S / H S D P A M o d e m I n te r f a c c ia u te n te C o n f ig u r a to r e L o c a le S ta z io n e d i r ic a r ic a C a v o R F i D C o lo n n in a S tr a d a le R e t e 1. Identificazione dell'utente (Id) tramite tecnologia RFID (Radio Frequency Id) 2. Verifica esistenza di un contratto attivo: autorizzazione alla ricarica 3. Sblocco protezione della presa 4. Erogazione di elettricità 5. Controllo d'integrità del cavo attraverso filo pilota 6. Misura fiscale: durata ricarica, Id utente ed energia 7. Riconoscimento interruzione dell'erogazione di energia elettrica 8. Comunicazione dati al centro di controllo (Rielaborazione RSE su infomazioni A2A)

15 Funzionalità delle colonnine Identificazione del soggetto che chiede di effettuare la ricarica Contrattazione tra cliente e fornitore sul valore del: bene (energia erogata) servizio (es. tempo di erogazione ricarica) Misurazione del bene erogato (energia erogata) Fatturazione del bene + servizio Saldo della transazione

16 Evoluzione della funzionalità Complessità - + Progetti pilota Regime Funzione Controllo pilota Identificazione Controllo Ricarica Misura Pagamento Remoto Servizio SMS Servizio WEB Prenotazione Ricarica Roaming ricarica SMART GRID Descrizione Controllo connessione punto di ricarica (Sistema di sicurezza) Identificazione EV/Utente tramite scheda RFID Stato di carica della batteria (allarmi e segnalazioni) Misura Energia ricaricata per ogni presa Pagamento remoto del servizio (prepagata, remote billing,..) Informazioni sulla ricarica al cliente Informazioni sulle stazioni di ricarica Prenotazione Punto di ricarica da WEB, Cellulare Possibilità ricaricare clienti di altri Venditori di energia/ servizi Integrazione nei sistemi di Smart Grid per gestione carichi (Rielaborazione RSE su infomazioni A2A)

17 Impatto sulle reti di distribuzione Maggiori flussi di energia sulle reti BT La domanda di energia elettrica annua di un veicolo elettrico ricaricato sulla rete di distribuzione è confrontabile con i consumi di una famiglia media (2.700 kwh/anno) 50 km/giorno (Percorrenza di riferimento) 240 giorni/anno (Utilizzo annuo) km/anno (Percorrenza annua) Un auto Un milione di auto Segmento A-B (140 Wh/km) kwh/anno 1,7 TWh/anno 0,5 % produzione e.e. Segmento C-D (200 Wh/km) kwh/anno 2,4 TWh/anno 0,7 % produzione e.e. In funzione della penetrazione di veicoli elettrici si dovranno prendere provvedimenti di potenziamento delle reti di distribuzione o di gestione intelligente della ricarica attraverso le reti intelligenti (smartgrid)

18 Impatto sulle reti di distribuzione Studiata la diffusione dei Veicoli Elettrici in tre differenti reti Italiana: Urbana Rurale Diverse tipologie di reti BT riferimento Europea (Cigré) Modello di rete europea (Cigré) MV network MV network L5 4E 4F Nodes Branches OH93 29m L6 OH85 30m 4D BUS MT 250 kva - 20/0.4 kv 1 cable59 17m 2 cable59 43m L1 3 cable59 86m 4 OH m cable59 195m Modelle di rete italiana rurale OH 9m OH82 46m 3A L2 OH82 67m 4A 4B L3 OH84 49m 5 4C L4 L7 L8 L9 Project: University Graphic: rural LV netw ork of Genoa Date: 07/11/2003 A5 A7 A3 cable59 21m cable59 33m cable59 14m cable59 19m LA7(1) BUS BT A1 A2 cable58 11m cable5. 26m A6 LA6(1) LA1(1) LA2(1) A4 LA41 cable57 11m LA42 D1 cable57 17m D2 LD21LD22 cable59 58m cable59 43m cable57 16m D5 D3 LD51LD52 BUS MT cable57 16m cable57 15m LD6 D4 D6 630 kva - 20/0.4 kv B5 LB51LB52 B6 cable59 45m cable56 16mLB21LB22 LB6 LB3 LC6 LC2 cable58 15m cable58 34m cable56 8m cable58 17m C6 C7 LC71LC72LC73 cable59 59m C1 B1 cable55 35m cable55 10m cable59 18m cable57 7m cable58 8m C2 C3 B4 B2 cable58 22m B3 cable56 23m LD41LD42 Modello di rete italiana urbana C5 C4 C8 LC81 LC3 LC82 C9 cable55 11m C10 LC91LC92 LC101LC102 LC83 cable57 20m

19 Impatto sulle reti di distribuzione Profilo di carico giornaliero per i carichi residenziali nella rete benchmark di distribuzione BT europea Potenza (%) 120,00 100,00 80,00 60,00 Profilo di ricarica per i veicoli PEV (ipotesi di ricarica: 15kWh/giorno, ricaricati a 2.78kW costante per 6 ore) Orario Percentuale di veicoli in ricarica 00:00 01: :00 24: ,00 20,00 0, :00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 Domanda residenziale (esistente) Tempo (hh:mm) 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 + Domanda per la ricarica 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 01:00 03:00 / 19:00 21: :00 06:00 / 12:30 13: :15 12:30 / 13:45 14: :00 12:15 / 14:15 14: :00 12:00 / 14:30 19:00 0 potenza (%) :00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 Tempo (hh:mm)

20 Impatto sulle reti di distribuzione Profili di potenza sulle reti BT Scenario sostituzione parco autoveicoli: 5% 10% 15% 20% Effetti profilo di potenza Potenza (kw) 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 Profilo ricarica 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 20% 15% 10% 5% 10:00 10:30 11:00 11:30 450,00 PHEV 5% PHEV 10% PHEV 15% PHEV 20% Caso base 80 Caso base PHEV 5% PHEV 10% PHEV 15% PHEV 20% 400, , , ,00 200,00 Potenza (kw) , , :00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 50,00 0,00 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 12:00 12:30 13:00 Tempo (hh:mm) 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 PHEV 5% PHEV 10% PHEV 15% PHEV 20% 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 Potenza (kw) Rete urbana italiana Rete rurale italiana Tempo (hh:mm) Tempo (hh:mm)

21 Impatto sulle reti di distribuzione Rete Urbana italiana Riduzione % delle tensioni Le cadute di tensione sono entro i valori ammissibili Le variazioni più evidenti di tensione si verificano nei nodi con distanza elettrica più elevata (fondo linea) 0,00% R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18-0,20% -0,40% Differenza rispetto al caso base (%) -0,60% -0,80% -1,00% -1,20% -1,40% Nodo PEV 5% PEV 10% PEV 15% PEV 20%

22 Impatto sulle reti di distribuzione Fattore di utilizzo (correnti) Rete Urbana italiana Ci possono essere problemi di sovracorrente (es. linee 19 e 29) Caso base PEV 5% PEV 10% PEV 15% PEV 20% 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,

23 Impatto sulle reti di distribuzione SMARTGRID: controllo della ricarica Produttore Consumatore di energia elettrica Senza controllo della ricarica Rete intelligente Casa intelligente Trafo 160kVA Comunicazioni bidirezionali ICT per la gestione dell energia Veicoli ricaricabili da rete Segnali di sistema Segnali di mercato Controllo ricarica effettuato da una smartgrid Trafo 160kVA Generazione distribuita

24 Impatto sulle reti di distribuzione Sono stati ipotizzati quattro gradi di penetrazione dei PEV all interno del mercato (5%, 10%, 15% e 20% del numero di utenze complessive alimentate). L utilizzo di questi veicoli aumenterà il carico delle reti di distribuzione, causando un aumento dell utilizzo delle linee (o cavi) e dei trasformatori e una maggior caduta di tensione, specialmente sui nodi lontani dalla partenza dei feeder. L aggiunta di questo carico aumenta sia: il carico notturno (contribuendo a spianare il profilo) il livello di picco per le utenze residenziali Le utenze residenziali hanno il picco spostato verso la tarda sera, proprio nel momento in cui le auto elettriche verranno verosimilmente collegate alla rete. Si rende necessario collegare le infrastrutture di ricarica ai sistemi di telegestione delle reti della distribuzione ovvero alle future smartgrid.

25 Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambito dell Accordo di Programma tra RSE ed il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G.E.R.M. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM, 19 marzo 2009.