Veicoli elettrici le sfide della resilienza della rete

• La transizione energetica richiederà un elevato e rapido dispiegamento di forze per la realizzazione di impianti che utilizzano fonti rinnovabili non programmabili
• Vediamo che cosa comporta questo per la rete e le tecnologie di ricarica dei veicoli elettrici
• Le tecnologie V2H, VEICHLE TO HOME, o V2G, VEICHLE TO GRID hanno un ruolo strategico per la stabilità della rete

Di fatto con l’arrivo del 2023 siamo entrati nel pieno della transizione energetica, sia per le questioni inerenti i cambiamenti climatici che per quelle energetiche e mi riferisco alla sicurezza degli approvvigionamenti della materia prima, soprattutto in Europa.

Sappiamo che la transizione energetica richiederà un elevato e rapido dispiegamento di forze per la realizzazione di impianti che utilizzano fonti rinnovabili non programmabili (FRNP). Le previsioni che arrivano da diversi studi, compreso gli scenari di transizione energetica pulita elaborati dalla agenzia Irena, International Renewable Energy Agency, indicano che Il 60% della capacità di generazione elettrica nel 2030, su scala globale, potrebbe arrivare da eolico e solare.

Oltre alle rinnovabili, la transizione prevede una velocissima conversione dei veicoli che utilizzano motori termici con veicoli elettrici (BEV-PHEV).

Il ruolo dei veicoli elettrici però non si fermerà alla sola sostituzione del veicolo termico nel settore della mobilità. Le batterie di questi veicoli, a loro volta, potrebbero essere un asset fondamentale per la distribuzione dell’energia elettrica prodotta dalle rinnovabili lungo tutta la rete elettrica. Arrivando così a  integrare la generazione di energia rinnovabile con la fornitura di servizi di rete a breve termine (massimo 4 ore di erogazione di potenza).

Tuttavia, la stima dell’opportunità di mercato richiede la comprensione di molti parametri e vincoli sia per gli aspetti socio economici che tecnologici.

Come soddisfare la domanda di accumulo di rete con le batterie dei veicoli elettrici

Uno studio condotto da un gruppo di scienziati del Leiden Institute of Environmental Sciences olandese (CML), in collaborazione con il National Renewable Energy Laboratory americano, ha quantificato la capacità globale di accumulo dei veicoli elettrici disponibile per l’immagazzinamento e l’integrazione in rete. Lo ha fatto utilizzando un modello integrato che incorpora le previsioni future relative alla presenza e distribuzione delle batterie dei veicoli elettrici, il degrado delle stesse e la partecipazione dei possessori dei veicoli al mercato, grazie, appunto, alla tecnologia V2G.

Lo studio ha incluso sia le fasi di utilizzo durante l’uso delle batterie a bordo veicolo e sia quelle di fine vita del veicolo calcolando una capacità tecnica con una forbice di 32-62 terawattora entro il 2050 di fornitura di energia da tali sistemi.

Per il raggiungimento di tali obbiettivi sono necessari bassi tassi di partecipazione da parte degli utenti. Da un minimo del 12% fino al massimo del 43%. Lo studio indica questa forbice per soddisfare la domanda di accumulo di rete a breve termine globalmente.

I tassi di partecipazione scendono al di sotto del 10% se la metà delle batterie dei veicoli elettrici a fine vita viene utilizzata come accumulo dedicato. Questo indica che la domanda di storage di rete a breve termine, inferiore quindi alle 4 ore, potrebbe essere soddisfatta già nel 2030 nella maggior parte dei paesi Europei.

L’impatto sulla rete elettrica italiana al 2030

Ma quale sarà l’impatto in Italia sulla rete elettrica, in termini di incremento di richiesta energetica, necessario a  soddisfare le esigenze dei veicoli elettrici presenti sul territorio nazionale al 2030?

Il tasso di penetrazione del vettore elettrico in Italia al 2017 è stato del 22,1%.

Tale dato, secondo le politiche correnti, dovrebbe raggiungere una penetrazione del vettore elettrico pari a circa il 23,0% al 2030.

Adottando invece le misure contenute nella proposta del Piano Nazionale Integrato Energia e Clima italiano il tasso di penetrazione aumenterebbe in maniera significativa, arrivando a circa il 25,1%. Secondo questi dati e seguendo il PNIEC consumi finali di energia sarebbero infatti 103,8 Mtep al 2030. Con una riduzione complessiva di circa l’8,3% rispetto ai consumi inerziali previsti al 2030 e pari a 113,2 Mtep. I consumi finali di energia elettrica vengono stimati da Elettricità Futura in 26,1 Mtep seguendo i dati PNIEC. Sempre nel PNIEC gli accumuli previsti al 2030 relativi all’energia elettrica prevendono 17,9 GW di accumuli di cui 6,0 GW provenienti dalle batterie. Dato che si riferisce ad accumulo elettrochimico.

Ritornando al peso che avranno i veicoli elettrici sul sistema e considerando una previsione di 6 milioni di veicoli elettrici, seguendo quindi i dati PNIEC, di cui 4 milioni solo BEV al 2030, l’incremento di richiesta energetica sulla rete elettrica dovrebbe attestarsi ad un valore non superiore ai 10 TWh/anno. Calcolo effettuato ipotizzando una percorrenza annuale di circa 11.000 km/anno per veicolo ed un consumo di 15 kWh/100 km percorsi.

Si tratta quindi di circa il 3% del fabbisogno elettrico atteso allo stesso anno e valutato in circa 340 TWh/anno.

Il problema della ricarica veloce

Da questi dati si evince come il vero problema non sia quello della richiesta energetica su base annua, ma quello della richiesta di potenza elettrica istantanea sulla rete.

Ricordando anche cosa sta accadendo in California, causa l’elevata presenza di impianti Rinnovabili NP e l’incremento di penetrazione del veicolo elettrico nel parco automotive Californiano. Se 100 veicoli BEV al 2030 si collegheranno alla rete attraverso stazioni di ricarica fast a 150 kW la loro richiesta cumulata istantanea di potenza sarebbe di 15 MW. Se consideriamo che mediamente i picchi di prelievo per un’utenza domestica difficilmente supera i 2 kW 15 MW. Dato che equivale a circa 8.000 appartamenti che contestualmente richiedono 2 KW di potenza istantanea. Se si concentrasse la ricarica in un arco temporale di 30 minuti al rientro tra le 18/18.30 solo del 5% dei veicoli elettrici circolanti al 2030, avremmo in 30 minuti in aumento di richiesta di potenza sulla rete di 9GW considerando una potenza media di 30 kW alla colonnina.

Chiaramente per poter gestire questi carichi con rampe estremamente pendenti sarà necessario dotare la rete di servizi ancillari per bilanciare il carico con immediata integrazione da parte di accumuli distribuiti sul territorio. Nel caso dei veicoli elettrici tali servizi possono essere garantiti solo attraverso un’attività di ricarica smart e una tecnologia di modulazione bidirezionale dei flussi di energia ovvero tecnologie V2H, VEICHLE TO HOME, o V2G, VEICHLE TO GRID.

I servizi di modulazione V2G, potranno trovare solo nella seconda parte del decennio (2025-2030) spazio per una concreta applicazione e solo in determinati ambiti infrastrutturali di ricarica come: inverter bidirezionale, ON board Charger bidirezionale. Chiaramente la scelta di rendere l’infrastruttura di ricarica bidirezionale o il veicolo bidirezionale è legata ad una serie di valutazioni commerciali e anche tecnologiche.

Attualmente sono coinvolti in tutto il mondo diversi player del mercato dei trasporti in 75 progetti pilota di cui 52 solo in Europa. I sevizi testati in questi progetti pilota sono relativi alla regolazione della frequenza di rete entro limiti accettabili, backup nel caso di interruzione della rete elettrica, servizi di DSO compresa la regolazione della tensione di rete. Non mancano test sull’Arbitrage in cui si sfruttano le differenze di prezzo dell’elettricità sul mercato (off-peak e peak). Infine servizi di Time Shifting, ovvero carica in off-peak e fornitura energia in peak period.

In conclusione la sfida della mobilità elettrica non riguarda solo il cambio di tecnologia e vettore energetico dei trasporti, ma rappresenta una sfida molto più ampia che consentirà l’integrazione tra il settore dei trasporti e il mondo dell’energia elettrica. Una sfida che aprirà a un ampissimo spettro di modalità di utilizzo, tra cui quello di generazione di potenza che, ovviamente, avrà tra i suoi driver anche quello relativo all’aspetto finanziario e di remunerazione del servizio reso dall’utente, che si trasformerà da prosumer a prosumer con upgrade di fornitura di servizi di rete.