RSE – Auto elettrica, infrastrutture e modalità di ricarica

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
Struttura
•
•
Quanto consuma un veicolo elettrico?
Opzioni di ricarica:
•
•
•
Velocità di ricarica
Interfacce per la ricarica:
•
•
•
•
Modelli di business
Modi
Collegamenti
Prese – connettori
Impatto sulla rete di distribuzione:
•
•
•
Caduta di tensione lungo linea
Sovraccarico linea
Soluzione smart grid
Quanto consuma un veicolo elettrico?
Veicoli ricaricabili:
Plug-in Electric Vehicles e Plug-in Hybrid Electric Vehicles
Autonomia
Capacità
Consumo
medio (1)
in elettrico
(ciclo standard)
Veicoli PEV
segmenti A e B
16 kWh
125 [Wh/km]
130 km
(< 1000 kg)
Veicoli PEV
segmenti C e D
30 kWh
180 [Wh/km]
170 km
(1000<kg< 2000)
Veicoli PHEV
segmenti C e D
16 kWh
0.04 [L/km]
60 km
(1000<kg< 2000)
(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
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
Quali modelli di business?
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
Punto di ricarica ad accesso pubblico
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:
•
•
•
Le colonnine sono gestite come “nodi attivi” dalle Smartgrid
•
•
•
•
Punto di prelievo (POD) mobile
Contratto si attiva ogni volta che l’auto si collega al punto di ricarica
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
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
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
Velocità di ricarica
Periodo iniziale
•
Lenta (“normale”)
- potenza < 3,3-3,6 kW; tric 6 h (*)
• Monofase AC (compatibile con rete BT)
•
Accelerata
- potenza 6-20 kW; tric 3-1 h (*)
• Trifase AC (compatibile con rete BT)
•
Rapida
- potenza 22-43 kW; tric 60-30 min (*)
• Trifase AC (stazioni di ricarica allacciate alla rete MT)
•
Extra Rapida
- potenza > 43 kW; tric 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
Modi di ricarica
IEC 61851-1
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
Connettori di ricarica
•
•
•
•
•
•
•
Importanza della standardizzazione per interoperabilità
IEC 61851-1: Requisiti generali; IEC 62196-1/2: 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
Processo di ricarica
S is t e m a d i
F a t tu ra z io n e
C e n tro d i
c o n t r o llo
W eb
S er ver
G PR S/
HSDPA
I n t e r f a c c ia
u te n te
S e rv e r S M S
M o dem
Ca vo
S is te m i
i n f o r m a t iv i
A z ie n d a li
C o n f igu ra to re
L o c a le
C o lo n n in a
S t r a d a le
R FiD
S t a z io n e
d i r ic a r ic a
Rete
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Identificazione dell'utente (Id) tramite tecnologia RFID (Radio Frequency Id)
Verifica esistenza di un contratto attivo: autorizzazione alla ricarica
Sblocco protezione della presa
Erogazione di elettricità
Controllo d'integrità del cavo attraverso filo pilota
Misura fiscale: durata ricarica, Id utente ed energia
Riconoscimento interruzione dell'erogazione di energia elettrica
Comunicazione dati al centro di controllo
(Rielaborazione RSE su infomazioni A2A)
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
Evoluzione della funzionalità
Complessità
Funzione
-
Progetti pilota
Regime
+
Descrizione
Controllo pilota
Controllo connessione punto di ricarica (Sistema di sicurezza)
Identificazione
Identificazione EV/Utente tramite scheda RFID
Controllo
Ricarica
Misura
Pagamento
Remoto
Stato di carica della batteria (allarmi e segnalazioni)
Misura Energia ricaricata per ogni presa
Pagamento remoto del servizio (prepagata, remote billing,..)
Servizio SMS
Informazioni sulla ricarica al cliente
Servizio WEB
Informazioni sulle stazioni di ricarica
Prenotazione
Ricarica
Prenotazione Punto di ricarica da WEB, Cellulare
Roaming ricarica
SMART GRID
Possibilità ricaricare clienti di altri Venditori di energia/ servizi
Integrazione nei sistemi di Smart Grid per gestione carichi
(Rielaborazione RSE su infomazioni A2A)
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
240 giorni/anno
12.000 km/anno
Un’auto
Un
milione
di auto

(Percorrenza di riferimento)
(Utilizzo annuo)
(Percorrenza annua)
Segmento A-B
Segmento C-D
(140 Wh/km)
(200 Wh/km)
1.680 kWh/anno
2.400 kWh/anno
1,7 TWh/anno
2,4 TWh/anno
0,5 % produzione e.e.
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)
Impatto sulle reti di distribuzione
Diverse tipologie di reti BT
Studiata la diffusione dei Veicoli
Elettrici in tre differenti reti
Italiana:
Urbana
Rurale
•
•
riferimento Europea (Cigré)
MV network
MV network
BUS MT
BUS MT
630 kVA - 20/0.4 kV
250 kVA - 20/0.4 kV
BUS BT
Modelle di
rete italiana rurale
1
cable59 17m
2
cable59 21m
C1
A1
B1
D1
LA1(1)
L1
cable55 35m
cable58 8m
cable57 7m
C2
cable59 18m
cable59 33m
cable59 43m
cable59 59m
cable59 45m
cable59 58m
cable57 16m
cable57 17m
B4
cable55 10m
C3
B2
A2
D2
3
L5
L2
OH 9m
D4
cable59 43m
cable59 14m
LA2(1)
A3
cable59 86m
B3
cable59 19m
A5
OH82 46m
B5
cable57 11m
cable58 11m
4B
cable59 195m
OH84 49m
L8
L4
L9
University
of Genoa
LC101LC102
D5
D6
C5
LB51 LB52
LB6
LC81
cable56 8m
LD6
LC82
cable58 17m
C7
C6
Project:
Graphic: rural LV netw ork
Date: 07/11/2003
Modello di
rete italiana urbana
LC83
cable57 20m
LA6(1)
LA7(1)
L7
LA42
LD51 LD52
A7
4C
L6
LA41
cable57 15m
cable5. 26m
A6
4F
5
cable58 34m
LB3
C8
cable57 16m
OH 82 30 m
OH85 30m
cable55 11m
C10
A4
L3
OH82 67m
LC3
cable58 15m
B6
4
OH93 29m
LC2
C4
D3
4E
Nodes Branches
cable56 16m LB21 LB22
cable58 22m
cable56 23m
LD41 LD42
LD21 LD22
3A
•
Modello di
rete europea (Cigré)
4A
•
4D
•
LC6
LC71 LC72LC73
C9
LC91LC92
Impatto sulle reti di distribuzione
120,00
Profilo di carico giornaliero per i
carichi residenziali nella rete
benchmark di distribuzione BT
europea
100,00
80,00
Potenza (%)

60,00
40,00
Profilo di ricarica per i veicoli PEV
(ipotesi di ricarica: 15kWh/giorno,
ricaricati a 2.78kW costante per 6 ore)
Orario
20,00
Domanda residenziale
(esistente)
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
0,00
Tempo (hh:mm)
18
Percentuale di veicoli
in ricarica
16
00:00 — 01:00
100
14
21:00 — 24:00
70
12
01:00 — 03:00 / 19:00 — 21:00
50
03:00 — 06:00 / 12:30 — 13:45
30
potenza (%)
+
Domanda per
la ricarica
10
8
6
12:15 — 12:30 / 13:45 — 14:15
20
12:00 — 12:15 / 14:15 — 14:30
10
2
06:00 — 12:00 / 14:30 — 19:00
0
0
4
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

Tempo (hh:mm)
100,00
50,00
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
250,00
200,00
Potenza (kW)

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

Potenza (kW)
PHEV 5%
PHEV 10%
PHEV 15%
PHEV 20%
Rete urbana italiana
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
Scenario sostituzione parco
autoveicoli:

5%

10%

15%

20%
Effetti profilo di potenza
Potenza (kW)
Impatto sulle reti di distribuzione
Profili di potenza sulle reti BT
100,00
90,00
80,00
PHEV 5%
450,00
Caso base
20
10
PHEV 10%
70,00
PHEV 15%
PHEV 20%
60,00
50,00
40,00
Profilo ricarica
30,00
20,00
10,00
20%
15%
10%
5%
0,00
Tempo (hh:mm)
80
Caso base
PHEV 5%
PHEV 10%
PHEV 15%
PHEV 20%
400,00
350,00
70
300,00
60
50
40
150,00
30
Rete rurale italiana
0
Tempo (hh:mm)
Tempo (hh:mm)
Impatto sulle reti di distribuzione
Riduzione % delle tensioni
Rete Urbana italiana
•
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)
•
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
0,00%
-0,20%
Differenza rispetto al caso base (%)
-0,40%
-0,60%
-0,80%
-1,00%
-1,20%
-1,40%
Nodo
PEV 5%
PEV 10%
PEV 15%
PEV 20%
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
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
0,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Impatto sulle reti di distribuzione
SMARTGRID: controllo della ricarica
250
Produttore – Consumatore
di energia elettrica
Casa
intelligente
Rete intelligente
Senza controllo della ricarica
200
150
Trafo 160kVA
100
50
Comunicazioni
bidirezionali
ICT per la
gestione
dell’energia
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Segnali di
sistema
Veicoli ricaricabili
da rete
Controllo ricarica effettuato da una smartgrid
180
Segnali di
mercato
160
140
Trafo 160kVA
120
Generazione
distribuita
100
80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 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.
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.