Rapporto - Assoelettrica

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Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Contratto
Accordo di programma 2009÷2011 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 2011.
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.
Mod. RARDS v. 02
La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta di RSE.
N. pagine
108
N. pagine fuori testo
Data
31/03/2012
Elaborato
SSE – Antonio Valsecchi, Paolo Gramatica, Danilo Bertini
Verificato
SSE – Giuseppe Mauri
Approvato
SSE – Massimo Gallanti
TTD – Michele DeNigris
[inserire n.pagine fuori testo]
Ricerca sul Sistema Energetico – RSE S.p.A.
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ISO 9001 CH-32919
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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 ........................................................... 10
MONITORAGGIO RICARICA VEICOLO EV.................................................................................. 11
1
INTRODUZIONE .......................................................................................................................... 12
2
SCENARIO DI MOBILITÀ 2030................................................................................................. 14
2.1
2.2
Scenario di penetrazione EV al 2030 ....................................................................................... 14
Scenario di mobilità elettrica al 2030....................................................................................... 16
3 CONFRONTO TRA LO SCENARIO DI MOBILITÀ ELETTRICA E SCENARI BASATI
SU COMBUSTIBILI ALTERNATIVI ................................................................................................ 19
4
STIMA DI PROFILI DI RICARICA ........................................................................................... 22
4.1
4.2
5
Ricarica veloce ......................................................................................................................... 22
Profili di ricarica veloce ........................................................................................................... 23
LOCALIZZAZIONE DELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE ..................................... 25
5.1
5.2
5.3
Geolocalizzazione stazioni di rifornimento carburante ............................................................ 25
Geolocalizzazione rete MT di Lambrate .................................................................................. 25
Connessione stazioni di ricarica alla linea MT......................................................................... 27
6 STUDIO DELL’IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLE RETI MT (ANALISI
LOAD-FLOW) ....................................................................................................................................... 30
6.1
Considerazioni preliminari ....................................................................................................... 30
6.2
Load-flow: analisi di sottotensione .......................................................................................... 30
6.3
Analisi dei risultati ................................................................................................................... 32
6.3.1
Analisi di picco annuo...................................................................................................... 32
6.3.2
Analisi in esercizio medio ................................................................................................ 37
7
STUDIO DELL’IMPATTO DELLA RICARICA LENTA SULLE RETI BT ........................ 40
7.1
7.2
8
Implementazione Applicativo Mare ......................................................................................... 40
Funzione “Topologia rete & Load Flow”................................................................................. 41
ACCUMULI DI ENERGIA NELLE STAZIONI DI RICARICA VELOCE........................... 52
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8.1
Tipologie di impianto ............................................................................................................... 52
8.1.1
Impianto a “serbatoio”...................................................................................................... 52
8.1.2
Impianto a “polmone” ...................................................................................................... 54
9 PIANIFICAZIONE DELLE RETI DI DISTRIBUZIONE MT E BT IN PRESENZA DI
STAZIONI DI RICARICA VELOCE.................................................................................................. 56
9.1
9.2
Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete MT .............................. 56
Criteri di pianificazione e di esercizio della rete di distribuzione rete BT ............................... 56
10
MONITORAGGIO DELLE RICARICHE DI UN VEICOLO ELETTRICO (EV)
(PERIODO GIUGNO 2011 - FEBBRAIO 2012)................................................................................. 58
10.1
10.2
10.3
11
Sistema di monitoraggio delle ricariche ................................................................................... 59
Elaborazione dati...................................................................................................................... 64
Consumi della Colonnina di ricarica ........................................................................................ 67
CONCLUSIONI ......................................................................................................................... 71
BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................................... 72
ALLEGATO A – MONITORAGGIO RICARICHE EV ................................................................... 73
ALLEGATO B – BREVE STORIA E CENNI SULL’EVOLUZIONE DELLA TRASMISSIONE
DI POTENZA TRAMITE CIRCUITI MAGNETICI RISONANTI (TECNOLOGIA
WITRICITY)........................................................................................................................................ 105
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STORIA DELLE REVISIONI
Numero
revisione
00
Data
Protocollo
Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati
31/03/2012
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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
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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 CO2 dell’ordine di 8,6 MtCO2 rispetto alle auto a metano e di
7,6 MtCO2 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).
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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
Consumo al km (stima)
N° distributori
Energia erogata ogni
distributore medio
~ 300’000
30 km/giorno
0.15 kWh/km
~ 1100
giorno
dal
~ 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.
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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%).
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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
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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
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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 50160.
Figura 7 - Profilo di ricarica di 40 veicoli elettrici con maggior concentrazione nelle ore notturne alla
potenza di ricarica di 3.3kW ciascuno
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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
CO2 (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 70-115 km con consumi fra le
ricariche totali nel range 155-240 Wh/km. La valutazione delle emissioni di CO2 è stata effettuata
tenendo conto del valore riferito alla Produzione lorda totale 2009 = 414 gCO2/kWh rispetto ad un
veicolo endotermico equivalente con valori di emissione pari a 137 gCO2/km. La semplice valutazione
sui km percorsi e sui kWh caricati ha evidenziato una riduzione di emissioni nel range 35 - 45%.
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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 28-2011); servizi
ancillari alla rete.
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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 200-400 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.
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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 2030.
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 extra-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 9.
2.1
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
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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 2001. 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.
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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:
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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.
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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 (>150000 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 12.55 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, 17.65 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).
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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 CO2 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.
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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 CO2, 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 attuali1 e
pari a 95 gCO2/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 m3/100 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 CO2 non proprio contenute, e
pari a 154 gCO2/km per le auto a metano ed a 145 gCO2/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 m3 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 CO2. A fronte di emissioni aggiuntive nel settore elettrico per l’alimentazione degli EV pari a 8,2
MtCO2 con il Profilo 1 ed a 8,3 Mt con il Profilo 2, le emissioni delle auto a metano risulterebbero pari a
16,9 MtCO2 e quelle delle auto a GPL risulterebbero pari a 15,9 MtCO2.
Le auto a metano implicherebbero quindi emissioni aggiuntive pari a 8,7 MtCO2 rispetto al Profilo 1 ed
a 8,6 MtCO2 rispetto al Profilo 2, mentre le auto a GPL implicherebbero emissioni aggiuntive pari a 7,7
MtCO2 rispetto al Profilo 1 ed a 7,6 MtCO2 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 gCO2/km (fonte: UNRAE), quindi già al di sotto dell’obiettivo di 130 gCO2/km
previsto dal Regolamento europeo n. 443/2009 per il 2015.
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(pari a 9,43 /GJ) e valorizzando il GPL al prezzo industriale comunicato dal Ministero dello Sviluppo
Economico2 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
3
Auto a GPL
Consumo specifico
8 m /100 km
9 l/100 km
Emissioni specifiche
154 gCO2/km
145 gCO2/km
8,8 Gm3
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
16,9 MtCO2
15,9 MtCO2
Emissioni aggiuntive rispetto a EV – Profilo 1
8,7 MtCO2
7,7 MtCO2
Emissioni aggiuntive rispetto a EV – Profilo 2
8,6 MtCO2
7,6 MtCO2
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
Combustibile consumato
Emissioni di CO2
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 CO2 dell’ordine di 8,6 MtCO2 rispetto alle auto a metano e di 7,6
MtCO2rispetto 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 http://dgerm.sviluppoeconomico.gov.it/dgerm/prezzimedi.asp?prodcod=5&anno=2012.
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considerati, tuttavia la distanza rilevata nel presente studio rispetto ai benefici conseguibili dalla
penetrazione delle auto elettriche appare ben lontana dal poter essere colmata.
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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]
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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.
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Figura 14 – Profili di richiesta di energia per il parco auto elettrico
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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).
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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.
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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
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150 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
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Rapporto
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Figura 19 - Connessione dei distributori alla rete MT; dischi di raggio 50, 100 e 150 metri
Codice Feeder
N° distributori connessi
LA23062
LA23063
LA23064
LA23066
LA23067
LA23071
LA23128
LA23129
LA23134
LA23931
LA23936
Totale
4
5
2
2
6
3
1
1
4
28
Tabella 2 - Distributori connessi alla rete MT
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Rapporto
6
6.1
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STUDIO DELL’IMPATTO DELLA RICARICA VELOCE SULLE RETI MT
(ANALISI LOAD-FLOW)
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
50160. 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 50160 (-10%), in quanto è da
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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·Nn valori di tensione,
dove Nn 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 LA23071. 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
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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 12.00
6.3
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
6.3.1 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.
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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.
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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 ( Vmax = 200 V nel primo caso e Vmax = 240 V nel secondo caso). In Figura 24 viene
rappresentata la differenza tra le due precedenti, rapportata alla tensione nominale (23 kV).
In formule:
∆V % =
VEV − VnoEV
⋅100
VN
dove VEV è la tensione calcolata nella simulazione con l’aggiunta di carichi EV, VnoEV è la tensione
calcolata in assenza di carichi EV e VN 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.
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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 ‰.
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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
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Figura 28 - Dettaglio della differenza di tensione tra le due simulazioni effettuate sul feeder LA23936
6.3.2 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.
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Figura 29 - Rappresentazione 3D dell'impatto della ricarica rapida sul feeder LA23071 in situazione di
esercizio medio con 3 scale-factor
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Figura 30 - Rappresentazione 3D dell'impatto della ricarica rapida sul feeder LA23936 in situazione di
esercizio medio con 3 scale-factor
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7
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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:
•
•
•
•
3
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 DISCOVER3 [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.
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.
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Database
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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.
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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].
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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 50160 (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:
•
•
4
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 PBT4
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
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•
•
•
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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.
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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
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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).
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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)
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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
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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)
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Figura 41 - Load Flow del profilo con ricarica A – rappresentazione 3D (surface e proiezioni) per i quattro
feeder della sbarra
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Figura 42 - Load Flow del profilo con ricarica B – rappresentazione 3D (surface e proiezioni) per i quattro
feeder della sbarra
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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.
8.1.1 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)
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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.
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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Figura 44 – Andamento grandezze caratteristiche dell’impianto a “serbatoio” ottimizzato
8.1.2 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.
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Figura 45 - Andamento grandezze caratteristiche dell’impianto a “polmone” ottimizzato
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12001014
Rapporto
9
9.1
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Pag. 56/108
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
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
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Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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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.
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Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
10 MONITORAGGIO DELLE RICARICHE DI UN VEICOLO ELETTRICO (EV)
(PERIODO GIUGNO 2011 - 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 extraurbane mentre il resto si è suddiviso in parti
uguali nelle aree urbane e miste (Figura 47).
Utilizzo Veicolo Elettrico
100.0
90.0
% percorsi effettuati
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
urbano
misto
extraurbano
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.
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Ricariche veicolo elettrico
100.0
90.0
% tipo di ricarica
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
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
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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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
http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_ion_battery#cite_note-58 dove la procedura di carica delle batterie
agli Ioni di Litio (più celle in serie) viene caratterizzata in tre step:
1. CC
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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2. 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 bilanciamento5, 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.
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Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Figura 54 - Andamento Corrente e Tensione (gradino di tensione da rete di alimentazione)
Figura 55 - Amplificazione fase CV (tensione costante)
Figura 56 - Ciclo completo
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Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Figura 57 - Amplificazione fase di bilanciamento
Figura 58 - Andamento Corrente e Tensione
Figura 59 - Amplificazione fase CV (tensione costante)
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Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
10.2 Elaborazione dati
Il monitoraggio delle ricariche del veicolo elettrico si riferisce ad un periodo di nove mesi da giugno
2011 fino a febbraio 2012. 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 CO2 (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 70-115 km con consumi fra le ricariche totali
nel range 155-240 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
1800
1600
1400
kmpercorsi
1200
1000
800
600
400
200
0
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.
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Wh/km
Consumi fra ricariche totali
300.0
290.0
280.0
270.0
260.0
250.0
240.0
230.0
220.0
210.0
200.0
190.0
180.0
170.0
160.0
150.0
140.0
130.0
120.0
110.0
100.0
max percorrenza
137km a 143Wh/km
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
km percorsi
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
240.0
220.0
200.0
180.0
Wh/km
160.0
140.0
120.0
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
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
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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
250.0
240.0
230.0
Wh/km
220.0
210.0
200.0
190.0
180.0
170.0
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 1528
160.0
95
00
10
00
0
10
50
0
90
00
85
00
80
00
75
00
70
00
65
00
60
00
55
00
50
00
45
00
40
00
35
00
30
00
25
00
20
00
15
00
10
00
0
50
0
150.0
km percorsi progressivi
Wh/km progressivi
Figura 63 - Consumi medi progressivi
La valutazione delle emissioni di CO2 è stata effettuata tenendo conto del valore riferito alla Produzione
lorda totale 2009 = 414 gCO2/kWh (dati da sito TERNA – tabelle Confronti internazionali) rispetto ad
un veicolo endotermico equivalente con valori di emissione pari a 137 gCO2/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 CO2 che si attesta fra il -35 e
il -45%.
• kgCO2 Veicolo Elettrico = (gCO2/kWh * kWhricarica)/1000
• kgCO2 Veicolo Endotermico = (gCO2/km * kmpercorsi)/1000
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
240
1600
225
1500
210
1400
195
1300
180
1200
165
1100
150
1000
135
900
120
800
105
700
90
600
75
500
60
41.4
47.5
45.9
47.3
44.3
45
40.5
33.5
36.0
35.5
400
300
30
200
15
100
0
km totali percorsi
kg CO2; % rid CO2
Emissioni CO2 fra ricariche totali
0
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
Figura 64 - Valutazione e confronto emissioni di CO2
10.3 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).
12001014
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
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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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
30/05/2011 15:05
30/06/2011 15:05
Differenza
Ricariche EV
Totale
Energia totale sulle tre fasi:
Consumo colonnina:
Consumi Luglio – Agosto 2011
Data & Ora
30/06/2011 15:05
31/08/2011 15:05
Differenza
Ricariche EV
Totale
Energia totale sulle tre fasi:
L1
L2
L3
[Wh]
[Wh]
[Wh]
9
8
238
121240
234
15290
121231
226
15052
120910
321
226
15052
15599 Wh (per 31 giorni)
503.19 Wh/giorno.
L1
L2
L3
[Wh]
[Wh]
[Wh]
121240
234
15290
471840
684
45300
350600
450
30010
349910
690
450
30010
31150 Wh (per 62 giorni)
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Pag. 70/108
Consumo colonnina:
502.42 Wh/giorno.
Consumi Settembre – Ottobre 2011
Data & Ora
L1
L2
L3
[Wh]
[Wh]
[Wh]
31/08/2011 15:05
471840
684
45300
31/10/2011 15:05
812920
2317
78500
Differenza
341080
1633
33200
Ricariche EV
339880
Totale
1200
1633
33200
Energia totale sulle tre fasi:
36033 Wh (per 61 giorni)
Consumo colonnina:
590.70 Wh/giorno.
Consumi Ottobre – Novembre 2011
Data & Ora
30/09/2011 15:05
30/11/2011 15:05
Differenza
Ricariche EV
Totale
Energia totale sulle tre fasi:
Consumo colonnina:
L1
L2
L3
[Wh]
[Wh]
[Wh]
620070
1389
60980
1064840
3362
95660
444770
1973
34680
443650
1120
1973
34680
37773 Wh (per 61 giorni)
619.23 Wh/giorno.
Consumi Novembre – Dicembre 2011
Data & Ora
31/10/2011 15:05
31/12/2011 15:05
Differenza
Ricariche EV
Totale
Energia totale sulle tre fasi:
Consumo colonnina:
L1
L2
L3
[Wh]
[Wh]
[Wh]
812920
2317
78500
1272890
4399
113420
459970
2082
34920
458890
1080
2082
34920
38082 Wh (per 61 giorni)
624.29 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.
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Pag. 71/108
11 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 28-2011); 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 200-400 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.
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Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
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BIBLIOGRAFIA
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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. 11001070, 31 Marzo 2011.
[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 CO2 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. 11001070, Marzo 2011
[5]
Comune di Milano - Agenzia Mobilità Ambiente e Territorio: “Indagine sulla mobilità delle
persone nell'area milanese”, Dicembre 2007.
[6]
www.chademo.com
12001014
Rapporto
Pag. 73/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Elaborazioni mensili: Utilizzo; Consumi Wh/km ed Emissioni CO2
Nel seguito vengono riportate le elaborazioni mensili (giugno 2011 - febbraio 2012) dell’utilizzo del
veicolo elettrico con le valutazioni dei consumi e delle emissioni di CO2 .
Giugno 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Rilievi progressivi fra ricariche complete
700
140
650
130
597
577
120
600
557
110
100
462
450
90
400
350
300
70
60
247
250
50
194
200
115.8
112.0
107.0
90.6
67.3
49.7
30
40.5
25.7
6.7
50 28
14.3
68
100
40
103118
21.4
150
0
80
348
31
/0
5/
20
11
02
/0
6/
20
11
04
/0
6/
20
11
06
/0
6/
20
11
08
/0
6/
20
11
10
/0
6/
20
11
12
/0
6/
20
11
14
/0
6/
20
11
16
/0
6/
20
11
18
/0
6/
20
11
20
/0
6/
20
11
22
/0
6/
20
11
24
/0
6/
20
11
26
/0
6/
20
11
28
/0
6/
20
11
30
/0
6/
20
11
km progressivi
500
Data
kWh assorbiti
km percorsi
20
10
0
kWh progressivi
550
12001014
Giugno 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
urbano
urbano
misto
misto
urbano
misto
extra
urbano
misto
misto
extra
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
kg CO2
km percorsi
Rapporto
km percorsi
Tipo percorso
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Giugno 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
urbano
urbano
misto
misto
urbano
misto
extra
urbano
misto
misto
extra
Tipo percorso
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Luglio 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Rilievi progressivi fra ricariche complete
1700
340
1542
1600
1368
1300
280
260
1164
1200
240
1041
1100
1000
800
200
180
160
647
280.1
267.0
252.3
246.0
226.0
210.7
191.3
171.7
166.7
157.1
140
120
100
04
/0
7/
20
11
06
/0
7/
20
11
08
/0
7/
20
11
10
/0
7/
20
11
12
/0
7/
20
11
14
/0
7/
20
11
16
/0
7/
20
11
18
/0
7/
20
11
20
/0
7/
20
11
22
/0
7/
20
11
24
/0
7/
20
11
26
/0
7/
20
11
28
/0
7/
20
11
30
/0
7/
20
11
01
/0
8/
20
11
122.6
126.5
700 607626
600
118.6
220
904
883
831
796
900
500
300
1253
150.2
km progressivi
1400
320
kWh progressivi
1500
1472
1399
Data
km percorsi
Luglio 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
extra
extra
urbano
urbano
misto
misto
misto
urbano
misto
misto
misto
urbano
extra
urbano
Tipo percorso
Wh/km
km percorsi
kWh assorbiti
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Luglio 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
kg CO2
km percorsi
Rapporto
extra
extra
urbano
urbano
misto
misto
misto
urbano
misto
misto
misto
urbano
extra
urbano
Tipo percorso
Agosto 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Data
kWh assorbiti
km percorsi
485.0
465.9
448.3
431.9
414.7
380.0
398.2
kWh progressivi
2072
1986
362.5
346.6
330.2
308.7
2388
2283
2184
600
580
2686 560
540
2573
520
2480
500
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
03
/0
8/
20
11
05
/0
8/
20
11
07
/0
8/
20
11
09
/0
8/
20
11
11
/0
8/
20
11
13
/0
8/
20
11
15
/0
8/
20
11
17
/0
8/
20
11
19
/0
8/
20
11
21
/0
8/
20
11
23
/0
8/
20
11
25
/0
8/
20
11
27
/0
8/
20
11
29
/0
8/
20
11
31
/0
8/
20
11
km progressivi
Rilievi progressivi fra ricariche complete
3000
2900
2800
2700
2600
2500
2400
2300
2200
2100
2000
1907
1822
1900
1800 1706
1700
1600
1500
12001014
Agosto 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
kg CO2
km percorsi
Rapporto
km percorsi
Tipo percorso
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Agosto 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
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Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Settembre 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Rilievi progressivi fra ricariche complete
3423 650
3400
3300
610
3178
3200
590
3081
3100
3000
2900
570
2960
2909
550
530
2838
490
2600
470
576.4
540.9
527.0
510.8
450
02
/0
03 9/1
/0 1
04 9/1
/0 1
05 9/1
/0 1
06 9/1
/0 1
07 9/1
/0 1
08 9/1
/0 1
09 9/1
/0 1
10 9/1
/0 1
11 9/1
/0 1
12 9/1
/0 1
13 9/1
/0 1
14 9/1
/0 1
15 9/1
/0 1
16 9/1
/0 1
17 9/1
/0 1
18 9/1
/0 1
19 9/1
/0 1
20 9/1
/0 1
21 9/1
/0 1
22 9/1
/0 1
23 9/1
/0 1
24 9/1
/0 1
25 9/1
/0 1
26 9/1
/0 1
27 9/1
/0 1
28 9/1
/0 1
9/
11
2500
613.5
2700
594.5
510
559.2
2800 2734
493.4
km progressivi
630
3293
kWh progressivi
3500
Data
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
km percorsi
Settembre 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
km percorsi
kWh assorbiti
12001014
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Settembre 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2
km percorsi
Rapporto
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
Ottobre 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Rilievi progressivi fra ricariche complete
4600
820
4462
4378
4400
740
4117
4100
720
4001
4000
700
3900
3851
3900
680
3760
3800
660
Data
kWh assorbiti
km percorsi
805.8
803.5
786.2
769.8
750.4
734.7
716.0
700.2
640
690.4
674.6
634.6
3600 3547
653.5
3649
3700
04
/1
0/
11
06
/1
0/
11
08
/1
0/
11
10
/1
0/
11
12
/1
0/
11
14
/1
0/
11
16
/1
0/
11
18
/1
0/
11
20
/1
0/
11
22
/1
0/
11
24
/1
0/
11
26
/1
0/
11
28
/1
0/
11
30
/1
0/
11
km progressivi
760
4199
4200
3500
780
4296
4300
800
620
600
kWh progressivi
4500
4466
12001014
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Ottobre 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
Wh/km
km percorsi
Rapporto
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
Valore fuori scala:
• 12° valore – Wh/km fra ricariche = 565 (valore non attendibile del consumo dovuto ad intervento
tecnico su auto)
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Ottobre 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
kg CO2
km percorsi
Rapporto
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
Novembre 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
1104.0
1087.7
1088.8
1068.0
1050.6
1031.6
1015.3
998.2
980.4
Data
kWh assorbiti
km percorsi
kWh progressivi
5267
964.5
945.7
928.6
911.4
888.5
872.7
832.7
823.3
814.5
5012
4912
4826
5181
5098
5712
5598
5504
5421
5339
1160
5980 1140
5898
5896
1120
5799
1100
1080
1060
1040
1020
1000
980
960
940
920
900
880
860
840
820
800
02
/1
1/
20
11
04
/1
1/
20
11
06
/1
1/
20
11
08
/1
1/
20
11
10
/1
1/
20
11
12
/1
1/
20
11
14
/1
1/
20
11
16
/1
1/
20
11
18
/1
1/
20
11
20
/1
1/
20
11
22
/1
1/
20
11
24
/1
1/
20
11
26
/1
1/
20
11
28
/1
1/
20
11
30
/1
1/
20
11
km progressivi
Rilievi progressivi fra ricariche complete
6200
6100
6000
5900
5800
5700
5600
5500
5400
5300
5200
5100
5000
4900
4800
4615
4700
4563
4600 4515
4500
4400
12001014
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Novembre 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
km percorsi
Rapporto
extra
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
Valori fuori scala:
• 4° valore - km percorsi = 211 (totale comprendente due ricariche parziali)
• 17° valore – Wh/km fra ricariche = 530 (auto ricollegata alla colonnina dopo aver percorso 2 km –
valore non attendibile del consumo dovuto probabilmente al sistema di controllo della carica)
12001014
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Novembre 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
kg CO2
km percorsi
Rapporto
extra
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
Dicembre 2011 - Utilizzo veicolo elettrico
Rilievi progressivi fra ricariche complete
7000
6923 1350
6844
6752
6800
1225
6424
1200
6299
6300
1175
6227
6149
1150
Data
kWh assorbiti
km percorsi
1311.5
1292.5
1272.2
1254.7
1237.3
1221.6
1203.1
1191.5
1170.8
1125
1155.7
1138.3
1122.9
6076
01
/1
2/
20
11
03
/1
2/
20
11
05
/1
2/
20
11
07
/1
2/
20
11
09
/1
2/
20
11
11
/1
2/
20
11
13
/1
2/
20
11
15
/1
2/
20
11
17
/1
2/
20
11
19
/1
2/
20
11
21
/1
2/
20
11
23
/1
2/
20
11
25
/1
2/
20
11
27
/1
2/
20
11
29
/1
2/
20
11
km progressivi
6384
6400
5900
1250
6515
6500
6000
1275
6587
6600
6100
1300
6674
6700
6200
1325
1100
1075
kWh progressivi
6900
12001014
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Dicembre 2011 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
extra
extra
extra
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
urbano
extra
extra
Tipo percorso
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
km percorsi
Rapporto
12001014
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Dicembre 2011 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
kg CO2
km percorsi
Rapporto
extra
extra
extra
urbano
extra
extra
extra
extra
extra
urbano
extra
extra
Tipo percorso
Gennaio 2012 - Utilizzo veicolo elettrico
1591.5
1556.8
1571.6
1518.3
1539.1
1500.2
1481.3
1462.3
1436.2
1456.6
1415.2
1378.9
1397.2
1346.8
1609.7
Data
kWh assorbiti
km percorsi
kWh progressivi
8152
7397
7310
7233
7164
7089
1362.9
1328.2
7580
7500
7716
7608
8082
8000
7898
7810
1750
8332 1725
8248
1700
1675
1650
1625
1600
1575
1550
1525
1500
1475
1450
1425
1400
1375
1350
1325
1300
05
/0
06 1/1
/0 2
07 1/1
/0 2
08 1/1
/0 2
09 1/1
/0 2
10 1/1
/0 2
11 1/1
/0 2
12 1/1
/0 2
13 1/1
/0 2
14 1/1
/0 2
15 1/1
/0 2
16 1/1
/0 2
17 1/1
/0 2
18 1/1
/0 2
19 1/1
/0 2
20 1/1
/0 2
21 1/1
/0 2
22 1/1
/0 2
23 1/1
/0 2
24 1/1
/0 2
25 1/1
/0 2
26 1/1
/0 2
27 1/1
/0 2
28 1/1
/0 2
29 1/1
/0 2
30 1/1
/0 2
31 1/1
/0 2
1/
12
km progressivi
Rilievi progressivi fra ricariche complete
8500
8400
8300
8200
8100
8000
7900
7800
7700
7600
7500
7400
7300
7200
7100 7003
7000
6900
6800
6700
12001014
Gennaio 2012 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
misto
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
kg CO2
km percorsi
Rapporto
km percorsi
Tipo percorso
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Gennaio 2012 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
misto
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
12001014
Rapporto
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Febbraio 2012 - Utilizzo veicolo elettrico
Data
kWh assorbiti
km percorsi
1935.7
1917.9
1902.2
1883.5
1870.0
kWh progressivi
9603
9533
1855.4
1839.5
1824.4
1807.4
1790.2
1773.3
1754.7
1738.4
8851
1721.4
1704.1
1681.8
1663.8
1645.6
1624.9
8771
8681
8604
9235
9154
9083
9001
8926
9459
9388
9316
2075
9860 2050
2025
9770
9687
2000
1975
1950
1925
1900
1875
1850
1825
1800
1775
1750
1725
1700
1675
1650
1625
1600
02
/0
2/
20
12
04
/0
2/
20
12
06
/0
2/
20
12
08
/0
2/
20
12
10
/0
2/
20
12
12
/0
2/
20
12
14
/0
2/
20
12
16
/0
2/
20
12
18
/0
2/
20
12
20
/0
2/
20
12
22
/0
2/
20
12
24
/0
2/
20
12
26
/0
2/
20
12
28
/0
2/
20
12
km progressivi
Rilievi progressivi fra ricariche complete
10100
10000
9900
9800
9700
9600
9500
9400
9300
9200
9100
9000
8900
8800
8700
8511
8600
8500 8413
8400
8300
8200
12001014
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Febbraio 2012 - Consumi (rilievi fra ricariche complete)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wh/km ricariche
Wh/km prog.
km percorsi
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
misto
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Wh/km
km percorsi
Rapporto
12001014
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160
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120
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50
40
30
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0
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SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Febbraio 2012 - Emissioni CO2 (rilievi fra ricariche complete)
kg CO2 ZE
kg CO2 1.5 dCi
km percorsi
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
extra
misto
extra
extra
extra
extra
Tipo percorso
34.0
32.0
30.0
28.0
26.0
24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
kg CO2
km percorsi
Rapporto
12001014
Rapporto
Pag. 90/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Ricariche Veicolo Elettrico
Nel seguito viene riportata una raccolta di ricariche del veicolo elettrico effettuate c/o la colonnina
installata c/o RSE. La raccolta presenta i grafici, ricavati dai valori mediati ogni 60 secondi del database
dell’applicativo GridVis della Janitza, corredati dalle corrispondenti tabelle elaborate7.
I grafici della potenza attiva di una ricarica mostrano la connessione alla rete, uguale per tutti, dove
istantaneamente viene raggiunta la potenza di ricarica; la fase di carica vera e propria con andamento a
dente di sega e la parte finale della durata variabile (rilevata) da 5 a 50 minuti con una chiusura rapida
sotto il kilowatt.
Prima ricarica
Ora [hh.mm]
Data
30/05/2011
7
start
15.10
stop
17.58
Energia attiva [Wh]
durata
2.48
start
stop
8
8878
Il colore delle Tabelle si differenzia dal tipo di ricarica: ___ ricariche parziali; ___ ricariche totali
diff.
8870
12001014
Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
08/06/2011
Pag. 91/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
start
8.51
stop
11.04
Energia attiva [Wh]
durata
2.13
start
23270
stop
30420
diff.
7150
Nell’amplificazione del grafico precedente si nota che le variazioni diverse dall’andamento a dente di
sega della Potenza attiva durante la carica, sono da imputare a variazioni della tensione di alimentazione
della colonnina.
12001014
Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
09/06/2011
Pag. 92/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
start
14.34
stop
15.55
Energia attiva [Wh]
durata
1.21
start
30430
stop
34660
diff.
4230
Conferma delle variazioni rilevate sull’andamento della Potenza attiva dovute a variazioni della tensione
di alimentazione della colonnina.
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Pag. 93/108
Snapshot della registrazione on-line degli andamenti della Potenza attiva e reattiva nella fase terminale
della 5a ricarica. La riduzione del carico fino a zero ha una durata di circa 15 minuti.
Ricarica parziale (parte finale chiusa rapidamente)
12001014
Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
10/06/2011
Pag. 94/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
start
9.52
stop
Energia attiva [Wh]
durata
13.56
Sono confermate le variazioni dovute alla tensione
4.04
start
34670
stop
48090
diff.
13420
12001014
Rapporto
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
Pag. 95/108
Snapshot della fase terminale della 6a ricarica dove si vede il differente andamento rispetto alla 5a. Il
cavo è stato staccato durante la ricarica.
12001014
Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
Pag. 96/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
start
14/06/2011
7.31
stop
10.23
Energia attiva [Wh]
durata
2.52
start
49520
stop
58750
diff.
9230
Snapshot che conferma gli andamenti della Potenza attiva e reattiva durante la fase terminale dell’8a
ricarica
Ricarica totale più lunga
12001014
Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
4/08/11
Pag. 97/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
start
11.03
stop
17.34
Energia attiva [Wh]
durata
6.31
start
stop
314290
335790
diff.
21500
Ricarica dell’ultimo giorno prima della chiusura estiva
Ora [hh.mm]
Data
11/08/11
start
10.29
stop
15.46
Energia attiva [Wh]
durata
5.17
start
368230
stop
385640
diff.
17410
12001014
Rapporto
Pag. 98/108
SSE Sviluppo dei Sistemi Elettrici
L’auto ricaricata dopo 12 giorni di non utilizzo nel periodo di chiusura estiva ha caricato 1190Wh
denotando una auto-scarica delle batterie valutabile in circa 99Wh/giorno8 (0.45% al giorno della
capacità totale delle batterie 22kWh)
Ora [hh.mm]
Data
23/08/11
8
start
15.38
stop
16.03
Energia attiva [Wh]
durata
0.25
start
385780
stop
diff.
386970
1190
Una volta caricata, l’energia accumulata nella batteria tende a diminuire nel tempo anche se essa non è collegata ad alcun carico. La scarica avviene a causa della
corrente che scorre attraverso la resistenza interna presente tra anodo e catodo e quella dovuta all’isolamento tra i due elettrodi. Nel caso delle pile al litio, i documenti tecnici
mostrano una decrescita dell’energia accumulata pari al 10% in 12 settimane alla temperatura di 20 °C, cioè circa lo 0.1% al giorno. Tale decrescita è funzione della
temperatura e aumenta al 38% a 60 °C, cioè allo 0.45% al giorno. Quindi nell’uso giornaliero delle batterie questo tipo di perdita può essere trascurato, mentre esso può
intervenire significativamente quando le batterie dovessero essere lasciate a 60 °C per più giorni (ad esempio autovettura elettrica parcheggiata al sole estivo).
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Rapporto
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Ricariche totali con differenti chiusure
Ora [hh.mm]
Data
22/09/11
start
7.44
stop
13.23
Energia attiva [Wh]
durata
5.39
start
547250
stop
565580
diff.
18330
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Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
27/09/11
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start
stop
10.25
15.45
Energia attiva [Wh]
durata
5.20
start
stop
582880
600950
diff.
18070
Ricariche giornaliere in più steps
Ora [hh.mm]
Data
7/10/11 (I)
Data
7/10/11 (II)
start
9.46
start
11.45
stop
11.02
Ora [hh.mm]
stop
13.03
Energia attiva [Wh]
durata
1.16
durata
1.18
start
660220
664400
Energia attiva [Wh]
start
7/10/11 (III)
start
13.33
stop
17.18
stop
664400
Ora [hh.mm]
Data
stop
668760
diff.
4180
diff.
4360
Energia attiva [Wh]
durata
3.45
start
668760
stop
681310
diff.
12550
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Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
11/11/11
start
9.23
stop
14.29
Energia attiva [Wh]
durata
5.06
start
11/11/11
start
15.24
stop
17.06
stop
895870
Ora [hh.mm]
Data
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913220
diff.
17350
Energia attiva [Wh]
durata
1.42
start
913220
stop
918690
diff.
5470
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Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
16/12/11
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start
8.35
stop
12.25
Energia attiva [Wh]
durata
3.50
start
stop
1152630
1164250
diff.
11620
Prelievo di energia partito automaticamente dopo notte a bassa temperatura (<-5°C) con auto rimasta
connessa alla colonnina. La potenza di prelievo risulta intorno a 3kW. L’evento è dovuto all’attivazione
del sistema di pre-riscaldamento in fase di ricarica. Il pre-riscaldamento funziona programmando un'ora
di inizio sul computer di bordo dell’auto elettrica e attivando il pre-riscaldamento, se la batteria è
completamente ricaricata, un'ora prima della partenza, il riscaldamento si attiva e si prolunga per circa
30 minuti prima che si riprenda il veicolo.
Ora [hh.mm]
Data
20/12/11
start
5.56
stop
7.24
Energia attiva [Wh]
durata
1.28
start
stop
1182820
1187260
diff.
4440
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Rapporto
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Dilatazione (50 minuti) del tempo di completamento della ricarica con temperatura ambiente al di sotto
di 7 °C.
Ora [hh.mm]
Data
21/12/11
Data
21/12/11
start
8.01
start
10.34
stop
10.24
Ora [hh.mm]
stop
11.52
Energia attiva [Wh]
durata
2.23
durata
1.18
start
stop
1187380
1195400
Energia attiva [Wh]
start
stop
1195400
1198550
diff.
8020
diff.
3150
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Rapporto
Ora [hh.mm]
Data
03/02/12
start
9.44
stop
16.13
Ultima ricarica del periodo di monitoraggio
Energia attiva [Wh]
durata
6.29
start
stop
1540870
1561590
Ora [hh.mm]
Data
29/02/12
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start
9.55
stop
15.15
diff.
20720
Energia attiva [Wh]
durata
5.20
start
stop
1789100
1806900
diff.
17800
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To achieve wireless power transfer in a way that is practical and safe, one needs to use a physical
phenomenon that enables the power source and the device (in this case, the mobile phone) to exchange
energy strongly, while interacting only weakly with living beings and other environmental objects, like
furniture and walls. The phenomenon of coupled resonators precisely fits this description. Two resonant
objects of the same resonant frequency tend to exchange energy efficiently, while interacting weakly
with extraneous off-resonant objects. A child on a swing is a good example of a resonant system. A
swing exhibits a type of mechanical resonance, so only when the child pumps her legs at the natural
frequency of the swing is she able to impart substantial energy into the motion of the swing. Another
example involves acoustic resonances: imagine a room with 100 identical wine glasses, but each filled
with wine up to a different level, so that each resonates at a different frequency (that is, they each emit a
different tone or note when tapped, by a utensil, for example). If an opera singer enters that room and
sings a very loud single note, the glass having the corresponding resonant frequency can accumulate
enough energy to shatter, while the other glasses are unaffected.
Coupled resonators are said to operate in a strongly coupled regime if their energy transfer rate is
substantially higher than the rate at which they lose energy due to factors such as material absorption
and radiation. In the strongly coupled regime, energy transfer can be very efficient. These considerations
are universal, applying to all kinds of resonances (e.g., acoustic, mechanical, electromagnetic, etc.).
Solja i and his colleagues at MIT (Karalis and Joannopoulos) set out to explore and develop the
physical theory of how to enable strongly coupled magnetic resonators to transfer power over distances
that would enable the kind of wireless device charging that Solja i first imagined. Their theoretical
results were published first in 2006, and again in 2008 in the Annals of Physics.
Once the physical theories were developed, Solja i and his team (Kurs, Karalis, Moffatt, Joannopoulos,
Fisher) set out to validate them experimentally. The theory was developed to cover a broad range of
coupled resonator systems, but the experimental work focused on proving that magnetically coupled
resonators could exchange energy in the manner predicted by the theory and required for the wireless
charging or devices, such as cell phones. The team explored a system of two electro-magnetic resonators
coupled through their magnetic fields. They were able to identify the strongly coupled regime in this
system, and showed that strong coupling could be achieved over distances that greatly exceeded the size
of the resonant objects themselves. The team had proven that in this strongly coupled regime, efficient
wireless power transfer could be enabled. Their successful experiment was published in the journal,
Science, in 2007.
The experimental design consisted of two copper coils, each a self-resonant system. One of the coils,
connected to an AC power supply, was the resonant source. The other coil, the resonant capture device,
was connected to a 60 watt light bulb. The power source and capture device were suspended in mid-air
with nylon thread, at distances that ranged from a few centimeters to over 2.5 meters (8.2 ft). Not only
was the light bulb illuminated, but the theoretical predictions of high efficiency over distance were
proven experimentally. By placing various objects between the source and capture device, the team
demonstrated how the magnetic near field can transfer power through certain materials and around
metallic obstacles.
Thus Prof. Solja i ’s dream of finding a method to wirelessly connect mobile electric devices to the
existing electric grid was realized. WiTricity Corp. was soon launched to carry this technology forward
from the MIT laboratories to commercial production
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At first glance, WiTricity’s technology for power transfer appears to be traditional magnetic induction,
such as is used in power transformers, where conductive coils transmit power to each other wirelessly,
over very short distances. In a transformer, an electric current running in a sending coil (or “primary
winding”) induces another current in a receiving coil (or “secondary winding”). The two coils must be
very close together, and may even overlap, but the coils do not make direct electrical contact with each
other. However, the efficiency of the power exchange in traditional magnetic induction systems drops by
orders of magnitude when the distance between the coils becomes larger than their sizes. In addition to
electric transformers, other devices based on traditional magnetic induction include rechargeable electric
toothbrushes, and inductive “charging pads” which require that the object being charged be placed
directly on top of, or very close to, the base or pad supplying the power.
The power exchange efficiency of some induction systems is improved by utilizing resonant circuits.
These so-called resonantly enhanced induction techniques are used in certain medical implants and highfrequency RFIDs for example. However, to the best of our knowledge, WiTricity’s founding technical
team was the first to discover that by specially designing the magnetic resonators, one could achieve
strong coupling and highly efficient energy exchange over distances much larger than the size of the
resonator coils, distances very large compared to traditional schemes.
The June 5, 1975 NASA JPL Goldstone Demonstration of directed radiative microwave power
transmission successfully transferred 34kw of electrical power over a distance of 1.5km
Artist rendering of European Space Agency Aeolus Satellite with laser beam pointing at the Earth's
atmosphere. Aeolus will use laser Doppler radar to better understand weather phenomena. Credits:
ESA/AOES Medialab.
WiTricity’s technology for power transfer is non-radiative and relies on near-field magnetic coupling.
Many other techniques for wireless power transfer rely on radiative techniques, either broadcasted or
narrow beam (directed radiation) transmission of radio, or light waves.
Broadcasted radiation of radio frequency energy is commonly used for wireless information transfer
because information can be transmitted over a wide area to multiple users. The power received by each
radio or wireless receiver is miniscule, and must be amplified in a receiving unit using an external power
supply. Because the vast majority of radiated power is wasted into free space, radio transmission is
considered to be an inefficient means of power transfer. Note that while more energy can be supplied to
the receiver by “cranking up the power” of the transmitters in these systems, such high power levels may
pose a safety hazard and may interfere with other radio frequency devices.
“Directed radiation”, using highly directional antennas, is another means of using radio transmission to
beam energy from a source to a receiver. However, directed radiation—in particular microwave
radiation—may interact strongly with living organisms and certain metallic objects. Such energy
transfer methods may pose safety hazards to people or objects that obstruct the line-of-sight between the
transmitter and receiver. These limitations make directed radio transmission impractical for delivering
substantial levels of wireless power in a typical consumer, commercial, or industrial application. In fact,
defense researchers are exploring the use of directed energy systems to deliver lethal doses of power to
targets in space and on the battlefield.
In addition to radio waves, visible and invisible light waves can also be used to transfer energy. The sun
is an excellent radiative source of light energy, and industry and academia are working hard to develop
photovoltaic technologies to convert sunlight to electrical energy. A laser beam is a form of directed
light radiation, in which visible or invisible light waves may be formed into a collimated beam,
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delivering energy in a targeted way. However, as in the case of directed radio waves, safe and efficient
transmission of laser power requires a clear line of sight between the transmitter and receiver.
As mentioned at the beginning of this section, WiTricity’s technology is based on non-radiative energy
transfer. It does not require a clear line of sight between the power sources and capture devices and it is
safe for use in typical home, hospital, office, or industrial environments.
MRI machines use “magnetic resonance imaging” to produce diagnostic images of soft tissue.
Many people assume that WiTricity’s “Resonant Magnetic Coupling” must be similar to magnetic
resonance imaging (MRI) technology, however, the technologies are similar in name only. MRI is, as
its name suggests, a technology for using magnetism as a basis for diagnostic imaging of soft tissue in
the human body. It utilizes a strong DC magnet to orient the magnetic fields of atoms within tissues, and
radio frequency fields to manipulate those atoms in a selective way, so that tissues and structures can be
imaged clearly. The “resonance” referred to in “MRI” refers to the resonance of atomic structures. MRI
is not considered to be a method for wireless power transfer.
In the late 1800’s and early 1900’s, at the dawn of the electrification of the modern world, some
scientists and engineers believed that using wires to transfer electricity from every place it was
generated to every place that it could be used would be too expensive to be practical. Nikola Tesla, one
of the most well-known of these scientists, had a vision for a wireless world in which wireless electric
power and communications would reach around the world, delivering information and power to ships at
sea, factories, and every home on the planet. Tesla contributed significantly to our understanding of
electricity and electrical systems and is credited with inventing three-phase AC power systems,
induction motors, fluorescent lamps, radio transmission, and various modes of wireless electric power
transfer. WiTricity technology for power transfer is different than the technologies proposed by Tesla,
but his work is referenced and acknowledged in the scientific articles published by WiTricity’s founding
technical team.
WiTricity's mode of wireless power transfer is highly efficient over distances ranging from centimeters
to several meters. We define efficiency as the amount of usable electrical energy that is available to the
device being powered, divided by the amount of energy that is drawn by the WiTricity source. In many
applications, efficiency can exceed 90%. And WiTricity sources only transfer energy when it is needed.
When a WiTricity powered device no longer needs to capture additional energy, the WiTricity power
source will automatically reduce its power consumption to a power saving “idle” state. Contact
WiTricity to learn the efficiency and distance ranges that can be achieved in your applications.
The magnetic near field has several properties that make it an excellent means of transferring energy in a
typical consumer, commercial, or industrial environment. Most common building and furnishing
materials, such as wood, gypsum wall board, plastics, textiles, glass, brick, and concrete are essentially
“transparent” to magnetic fields—enabling WiTricity technology to efficiently transfer power through
them. In addition, the magnetic near field has the ability to “wrap around” many metallic obstacles that
might otherwise block the magnetic fields. WiTricity’s applications engineering team will work with
you to address the materials and environmental factors that may influence wireless energy transfer in
your application.
WiTricity’s technology is a non-radiative mode of energy transfer, relying instead on the magnetic near
field. Magnetic fields interact very weakly with biological organisms—people and animals—and are
scientifically regarded to be safe. Professor Sir John Pendry of Imperial College London, a world
renowned physicist, explains: “The body really responds strongly to electric fields, which is why you
can cook a chicken in a microwave. But it doesn't respond to magnetic fields. As far as we know the
body has almost zero response to magnetic fields in terms of the amount of power it absorbs." Evidence
of the safety of magnetic fields is illustrated by the widespread acceptance and safety of household
magnetic induction cooktops.
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Through proprietary design of the WiTricity source, electric fields are almost completely contained
within the source. This design results in levels of electric and magnetic fields which fall well within
regulatory guidelines. Thus WiTricity technology doesn’t give rise to radio frequency emissions that
interfere with other electronic devices, and is not a source of electric and magnetic field levels that pose
a risk to people or animals.
Limits for human exposure to magnetic fields are set by regulatory bodies such as the FCC, ICNIRP,
and are based on broad scientific and medical consensus. WiTricity technology is being developed to be
fully compliant with applicable regulations regarding magnetic fields and electromagnetic radiation.
WiTricity systems can be designed to handle a broad range of power levels. The benefits of highly
efficient energy transfer over distance can be achieved at power levels ranging from milliwatts to several
kilowatts. This enables WiTricity technology to be used in applications as diverse as powering a
wireless mouse or keyboard (milliwatts) to recharging an electric passenger vehicle (kilowatts).
WiTricity technology operates in a “load following” mode, transferring only as much energy as the
powered device requires.
WiTricity technology is being designed so that it can be easily embedded into a wide variety of products
and systems. The physics of resonant magnetic coupling enables WiTricity engineers to design power
sources and devices of varying shapes and sizes, to match both the packaging requirements and the
power transfer requirements in a given OEM application. WiTricity has designed power capture devices
compact enough to fit into a cell phone.