L’accumulo condiviso riduce i costi di ricarica degli EV
Una ricerca pionieristica condotta da studiosi del Nanjing Institute of Technology e della North China Electric Power University rivela una strategia rivoluzionaria per ridurre drasticamente i costi operativi delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV). Integrando un modello di “accumulo energetico condiviso”, lo studio dimostra significativi risparmi sia sugli investimenti iniziali che sulle spese operative quotidiane, offrendo una solida base economica per il futuro dell’infrastruttura EV. I risultati, pubblicati sulla rivista Electric Power Engineering Technology, presentano un dettagliato framework di ottimizzazione a doppio strato che potrebbe trasformare il modo in cui vengono pianificate e gestite le reti di ricarica.
Mentre la transizione globale verso la mobilità elettrica si accelera, la domanda di un’infrastruttura di ricarica robusta ed efficiente è in rapida crescita. Tuttavia, l’espansione esponenziale della proprietà di veicoli elettrici presenta una sfida significativa: la natura imprevedibile e spesso irregolare della domanda di ricarica può mettere a dura prova le reti elettriche locali e generare bollette energetiche elevate per gli operatori delle stazioni. Le soluzioni tradizionali, come l’installazione di sistemi di batterie individuali e di proprietà privata in ogni stazione, sono intensivi in capitale e spesso sottoutilizzati, rendendoli un’opzione economica meno che ideale. È qui che entra in gioco il concetto di accumulo energetico condiviso, che abbandona un approccio isolato a favore di un modello più collaborativo e basato sulla comunità.
La ricerca, guidata dalla Dott.ssa Haihong Bian del Nanjing Institute of Technology, affronta direttamente questa sfida proponendo un modello di ottimizzazione a doppio strato integrale. L’idea centrale è quella di sostituire o integrare le batterie individuali di ogni stazione con un’unica installazione di accumulo energetico centralizzata che serva più stazioni di ricarica in un’area locale. Questa batteria condivisa, gestita da un operatore dedicato, agisce come una banca energetica comunitaria. Invece di far sostenere a ogni stazione il costo totale di una batteria di grandi dimensioni, gli operatori pagano una tariffa di servizio per accedere alla risorsa condivisa, riducendo significativamente il loro investimento iniziale. Il modello dello studio è progettato per rispondere a due domande critiche: in primo luogo, qual è la capacità ottimale di energia e potenza per questa batteria condivisa (il livello di pianificazione)? E in secondo luogo, come dovrebbe essere utilizzata la batteria su base giornaliera per minimizzare i costi operativi (il livello operativo)?
Il livello superiore del modello si concentra sulla pianificazione a lungo termine. Il suo obiettivo principale è minimizzare il costo annuo totale, che è una combinazione del costo di investimento iniziale per la batteria condivisa e dei costi operativi continuativi. Il costo di investimento viene calcolato in base alla capacità totale di energia della batteria (in chilowattora) e alla sua potenza massima di uscita (in kilowatt), tenendo conto del costo dell’attrezzatura e dell’installazione, ammortizzato sulla sua vita utile prevista. Il costo operativo, derivato dai risultati del livello inferiore, include il costo giornaliero di manutenzione della batteria e il costo cumulativo dell’elettricità acquistata dalla rete principale durante l’anno. Questo livello determina essenzialmente il “formato” ideale della risorsa condivisa che offre il miglior equilibrio tra spesa in capitale e risparmi a lungo termine.
Il livello inferiore del modello sposta l’attenzione sulle operazioni a breve termine e quotidiane. Il suo obiettivo è minimizzare il costo operativo totale per un giorno tipico. Questo costo è principalmente guidato dalla bolletta energetica della stazione, che è fortemente influenzata dalla tariffa elettrica basata sul tempo. L’elettricità è molto più economica durante le ore di bassa domanda (ad esempio, di notte) e significativamente più costosa durante i periodi di punta (ad esempio, a mezzogiorno e nel tardo pomeriggio). Il modello utilizza un’ottimizzazione sofisticata per pianificare i cicli di carica e scarica della batteria condivisa, nonché la ricarica degli stessi veicoli elettrici, per sfruttare queste differenze di prezzo. Ad esempio, il sistema caricherà la batteria condivisa con elettricità economica dalla rete o con energia rinnovabile in eccesso (da impianti solari o eolici in loco) durante i periodi di basso costo. Successivamente, durante le costose ore di punta, la batteria si scaricherà per alimentare le stazioni di ricarica, riducendo o addirittura eliminando la necessità di prelevare elettricità costosa dalla rete. Questo processo, noto come “livellamento dei picchi e dei valli”, è un meccanismo chiave per la riduzione dei costi.
Per validare il loro modello, i ricercatori hanno condotto una simulazione dettagliata che coinvolgeva tre stazioni di ricarica per veicoli elettrici distinte, ognuna con caratteristiche uniche. Una stazione era dotata di generazione solare, mentre le altre due dipendevano dall’energia eolica. Le stazioni avevano anche carichi giornalieri diversi, simulando uno scenario realistico in cui alcune stazioni servono più clienti di altre. Lo studio ha confrontato quattro diversi scenari operativi per isolare i benefici del modello di accumulo condiviso.
Il primo scenario ha funzionato come linea di base: ogni stazione operava con la propria batteria privata e distribuita e permetteva ai veicoli elettrici di ricaricarsi in modo incontrollato e “casuale”. Questo scenario, sebbene comune, si è rivelato il più costoso. La ricarica incontrollata dei veicoli elettrici spesso coincideva con i prezzi massimi dell’elettricità, generando alti costi di acquisto dalla rete. Per compensare, il modello ha assegnato batterie grandi e costose a ogni stazione, aumentando ulteriormente il costo totale dell’investimento. Il secondo scenario ha migliorato questo introducendo la “ricarica programmata”, dove la ricarica dei veicoli elettrici era programmata per avvenire durante le ore più economiche di bassa domanda. Solo questo ha portato a una riduzione sostanziale dei costi operativi, dimostrando il potere della gestione della domanda.
Il terzo scenario ha introdotto l'”accumulo energetico interconnesso”, dove le tre stazioni, ognuna con la propria batteria privata, potevano condividere energia tra loro attraverso una rete locale. Questo modello ha mostrato ulteriori miglioramenti, poiché una stazione con energia rinnovabile in eccesso poteva caricare le batterie dei suoi vicini, aumentando l’efficienza complessiva. Tuttavia, il costo di costruzione delle linee di alimentazione interconnesse e la necessità continua di tre sistemi di batterie separati hanno limitato il potenziale di risparmio.
Il quarto e ultimo scenario ha implementato il modello proposto di “accumulo energetico condiviso”. Qui, le tre stazioni erano collegate a una singola batteria centralizzata. I risultati sono stati impressionanti. Rispetto al modello di accumulo distribuito con ricarica programmata, il modello di accumulo condiviso ha ottenuto una riduzione del 12,5% nei costi operativi totali e una riduzione del 7,9% nella quantità totale di elettricità acquistata dalla rete. La differenza più drammatica è stata nella capacità di batteria richiesta. Il modello condiviso richiedeva una batteria che fosse il 61,2% più piccola in capacità di energia e il 63,0% più piccola in potenza di uscita rispetto alla capacità combinata delle tre batterie separate nel modello distribuito. Questa riduzione massiccia nell’hardware richiesto si traduce direttamente in un enorme risparmio sull’investimento iniziale, che è la barriera più grande per l’implementazione su larga scala dell’accumulo di energia.
I vantaggi economici del modello condiviso sono multifaceti. In primo luogo, raggiunge un tasso di utilizzo più elevato per la batteria. Una singola batteria più grande che serve più stazioni con modelli di utilizzo diversi è molto meno probabile che sia inattiva rispetto a tre batterie più piccole, ognuna soggetta alle fluttuazioni casuali della domanda della propria stazione. In secondo luogo, sfrutta la “diversità” del carico. Quando una stazione sperimenta un picco di domanda, un’altra potrebbe essere tranquilla, consentendo alla batteria condivisa di bilanciare efficacemente il carico su tutta la rete. In terzo luogo, semplifica la manutenzione e la gestione, poiché un singolo operatore è responsabile di un singolo asset di grandi dimensioni anziché di diversi più piccoli.
Un componente critico del modello di accumulo condiviso è il meccanismo di prezzo per il servizio. Lo studio propone un nuovo sistema di prezzi interni basato sull’equilibrio tra offerta e domanda di elettricità in tempo reale all’interno della rete di stazioni di ricarica. Quando la generazione rinnovabile combinata delle stazioni supera il loro carico totale, il sistema ha un surplus e il prezzo interno per utilizzare la batteria condivisa per immagazzinare questa energia in eccesso è impostato più basso. Al contrario, quando il carico combinato supera la generazione, il sistema è in deficit e il prezzo interno per prelevare energia dalla batteria è impostato più alto. Questo prezzo dinamico incentiva le stazioni a utilizzare la risorsa condivisa in modo efficiente, caricandola quando l’energia è abbondante ed economica e scaricandola quando è scarsa e costosa. La ricerca ha scoperto che questo costo di transazione interno per gli utenti era più basso nel modello condiviso rispetto al modello interconnesso, aumentando ulteriormente il suo appeal economico.
Lo studio ha anche condotto un’analisi di sensibilità per comprendere come variabili chiave influenzino l’economia generale. Una di queste variabili è la tariffa di servizio addebitata dall’operatore dell’accumulo condiviso. La ricerca ha scoperto che all’aumentare di questa tariffa, il costo operativo totale per le stazioni di ricarica aumenta naturalmente. Tuttavia, la relazione non è lineare. Con tariffe di servizio molto basse, le stazioni sono incentivati a fare un forte affidamento sulla batteria condivisa, minimizzando i loro acquisti dalla rete. All’aumentare della tariffa, le stazioni scoprono che è più economico ridurre l’uso della batteria e invece acquistare più energia direttamente dalla rete, specialmente durante le ore di bassa domanda. Questo compromesso significa che la tariffa di servizio ottimale è un equilibrio che incentiva un uso efficiente dell’asset condiviso senza renderlo proibitivamente costoso.
Un altro fattore cruciale è il costo associato all’usura della batteria del veicolo elettrico. Quando un veicolo elettrico scarica la sua batteria per alimentare la rete o una stazione di ricarica (un processo noto come Vehicle-to-Grid, o V2G), causa usura sulla batteria del veicolo. Perché questo servizio sia sostenibile, i proprietari dei veicoli elettrici devono essere compensati per questa “perdita di scarica”. Lo studio ha incorporato questo costo nel suo modello e ha scoperto che all’aumentare del costo di compensazione, la quantità di energia prelevata dai veicoli elettrici diminuisce. A un certo livello, diventa troppo costoso per la stazione di ricarica utilizzare l’energia V2G e il sistema si affida maggiormente alla batteria condivisa e alla rete. Questo evidenzia una sfida chiave: i benefici economici dell’accumulo condiviso sono massimizzati quando è disponibile il V2G, ma solo se la compensazione per l’usura della batteria è mantenuta a un livello ragionevole.
Le implicazioni di questa ricerca sono profonde per il futuro dell’industria della ricarica dei veicoli elettrici. Fornisce un argomento chiaro e basato sui dati che l’accumulo energetico condiviso non è solo un concetto teorico, ma una soluzione pratica ed altamente economica. Per gli operatori delle stazioni di ricarica, offre un percorso verso la redditività riducendo drasticamente le loro due spese più grandi: elettricità e investimento in capitale. Per le società elettriche e gli operatori della rete, una rete di stazioni di ricarica che utilizza l’accumulo condiviso può agire come una risorsa preziosa per la rete, aiutando a livellare la domanda e integrare più energia rinnovabile. Per i pianificatori urbani e i responsabili politici, presenta un modello per costruire un’infrastruttura energetica urbana più resiliente e sostenibile.
Il successo del modello dipende dalla collaborazione. Richiede un cambiamento di mentalità da parte degli operatori delle stazioni individuali che pensano solo ai loro costi a un approccio più cooperativo in cui più parti interessate beneficiano di un asset condiviso. Ciò potrebbe essere facilitato da una società di servizi energetici di terze parti che possiede e gestisce la batteria condivisa, o da una cooperativa formata dai proprietari stessi delle stazioni di ricarica. Il modello di business preciso dovrà essere sviluppato, ma la fattibilità tecnica ed economica sottostante è ora stata chiaramente dimostrata.
Inoltre, l’integrazione di fonti di energia rinnovabile come solare ed eolico è centrale per l’efficacia del modello. La batteria condivisa agisce come un ammortizzatore, immagazzinando energia rinnovabile in eccesso quando splende il sole o soffia il vento e rilasciandola quando è necessaria. Ciò non riduce solo i costi, ma aumenta anche la quota complessiva di energia pulita utilizzata per alimentare i veicoli elettrici, amplificando i benefici ambientali dell’elettrificazione. Lo studio mostra che nello scenario di accumulo condiviso, tutta l’energia rinnovabile generata dalle stazioni è stata completamente utilizzata, senza “curtailment” o spreco.
In conclusione, il lavoro di Bian, Li e Tong presenta un approccio trasformativo per l’economia delle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. Passando da un modello di accumulo isolato e di proprietà privata a una risorsa condivisa e cooperativa, la ricerca sblocca significativi risparmi e efficienze operative. Il modello di ottimizzazione a doppio strato fornisce un framework robusto per progettare e gestire questi sistemi, assicurando che siano sia economicamente sostenibili che tecnicamente solidi. Mentre il mondo costruisce la sua rete di ricarica per veicoli elettrici, questa ricerca offre una visione convincente di un futuro più intelligente, efficiente e sostenibile. I risultati rappresentano un passo significativo verso il rendere la proprietà di veicoli elettrici non solo responsabile dal punto di vista ambientale, ma anche economicamente sostenibile per tutte le parti interessate.
Haihong Bian, Nanjing Institute of Technology; Can Li, Nanjing Institute of Technology; Yuxuan Tong, North China Electric Power University. Electric Power Engineering Technology. DOI: 10.12158/j.2096-3203.2024.05.017