Veicoli elettrici e rete: La sinergia che cambierà l’energia del futuro
L’adozione massiva dei veicoli elettrici (VE) non è più un trend, ma una realtà globale, e la Cina guida questo cambiamento con una penetrazione senza precedenti. Nel 2023, le vendite annuali di veicoli a energia nuova hanno superato i 9,5 milioni di unità, rappresentando il 31,6% del mercato automobilistico totale, e nel aprile 2024 i veicoli elettrici hanno raggiunto il 50% delle vendite di veicoli da passeggio. Tuttavia, mentre milioni di batterie circolano sulle strade, emerge una domanda cruciale: questi veicoli possono essere più di semplici mezzi di trasporto? Secondo uno studio pionieristico, potrebbero diventare il fondamento di un sistema energetico più intelligente e sostenibile.
Il lavoro, realizzato da ricercatori dell’Università di Tsinghua, approfondisce il fenomeno dell'”interazione veicolo-energia” (IVE), cioè lo scambio dinamico di energia tra VE, reti elettriche, edifici e persino altri veicoli. Pubblicato su Proceedings of the CSEE, lo studio dettaglia i meccanismi, i progetti di sistemi e le strategie di implementazione che potrebbero trasformare i VE in unità di stoccaggio mobili, stabilizzatori di reti e alleati nella lotta contro il cambiamento climatico.
L’urgenza: Una rete al bivio
Città come Pechino illustrano le sfide a cui le reti elettriche devono affrontare. Con il 70% della sua elettricità importata da regioni come Mongolia Interna o Shanxi, la rete della capitale cinese affronta un dilemma doppio: l’adozione crescente dei VE aggiunge carichi nuovi, mentre la domanda di punta (ad esempio, l’uso domestico serale) coincide con la ricarica disordinata dei veicoli. Il risultato è che più del 50% delle zone residenziali lottano con trasformatori sovraccarichi, incapaci di ospitare nuove stazioni di ricarica.
Ma i VE, che rimangono fermi il 90% del loro tempo di vita, nascondono un potenziale inesplorato. “Un milione di VE con stazioni di ricarica bidirezionali da 15 kW potrebbero iniettare 1,35 GW nella rete, equivalente alla carica media di Pechino”, sottolinea la ricerca. Se si scala a 2 milioni di veicoli, la loro capacità di stoccaggio combinata raggiunge i 100 GWh, un valore che coincide con la capacità totale di stoccaggio elettrochimico pianificata in Cina per il 2025. Non si tratta solo di energia di riserva, ma di reinterpretare i VE come risorse energetiche distribuite che stabilizzano le reti e assorbono energia rinnovabile.
La necessità è urgente. Entro il 2060, la Cina mira a far provenire il 76% della sua energia da fonti eoliche e solari. Ma le energie rinnovabili sono intermittenti: quando il vento si cala o le nuvole coprono il sole, le reti hanno bisogno di flessibilità. I VE potrebbero colmare questo vuoto. Studi dimostrano che, con una penetrazione del 80% di energie rinnovabili, una ricarica veloce disordinata raddoppierebbe la domanda di punta della rete e richiederebbe 130 GW di stoccaggio aggiuntivo. Con una ricarica intelligente, invece, questa necessità si riduce di un terzo.
La scienza: Come VE e reti “comunicano”
Al cuore dell’IVE c’è una danza delicata tra la chimica delle batterie e l’ingegneria elettrica. Lo studio analizza tre meccanismi chiave che rendono possibile questa collaborazione.
1. Ricarica bidirezionale: Prolungare la vita delle batterie
Le batterie agli ioni di litio si degradano nel tempo, ma l’IVE può rallentare questo processo. Il motivo è che la durata di una batteria dipende dal tempo che passa a alti voltaggi. Una ricarica intelligente e ritardata — cioè attendere fino alle ore di bassa domanda per ricaricare — riduce il tempo in stato di alta tensione, frenando l'”invecchiamento calendaristico”.
Ma l’innovativo vero è il flusso di corrente bidirezionale. Tramite impulsi controllati di carica e scarica, i ricercatori hanno scoperto che si può ridurre l'”invecchiamento per cicli”. Quando la velocità di degradazione di una batteria aumenta con la tensione in una curva convessa, alternare tra due punti di voltaggio riduce la degradazione media rispetto a rimanere in un unico livello alto. È come fare pause brevi durante una lunga corsa: meno usura.
Non è solo teoria. I test dimostrano che gli impulsi bidirezionali possono anche mitigare la deposizione di litio, un effetto collaterale pericoloso in cui il metallo litio si accumula sull’anodo, causando cortocircuiti. Mantenendo gli ioni in movimento, gli impulsi preveniscono questa accumulazione, aumentando la sicurezza.
2. Ricarica ad alta potenza: Velocità senza rischi
La ricarica veloce — fondamentale per i viaggi lunghi — porta rischi. Nel 2019, un Tesla a Shanghái è andato a fuoco dopo una ricarica veloce, mettendo in luce il pericolo di una deposizione di litio incontrollata. Lo studio identifica come l’IVE domini questo rischio.
In primo luogo, la ricarica a impulsi (invece di una corrente costante) cambia la struttura dei depositi di litio, renderli più densi e meno propensi a formare dendriti (cristalli affilati che causano cortocircuiti). In secondo luogo, il maggior tempo di connessione implicito nell’IVE — i VE rimangono collegati più a lungo alla rete — permette migliori controlli di sicurezza. Monitorando cali di voltaggio o tassi di autoscarica dopo la ricarica, i sistemi possono rilevare segni precoci di deposizione o cortocircuiti interni.
“È come un medico che controlla i tuoi parametri vitali dopo un allenamento”, spiega la ricerca. “Più tempo connesso alla stazione di ricarica significa più dati per rilevare problemi prima che si aggravino”.
3. Rilevazione: Leggere la “mente” della batteria
Per gestire la ricarica in modo sicuro, i sistemi devono “vedere” l’interno delle batterie. I metodi tradizionali si basano su segnali esterni come voltaggio o temperatura, ma perdono cambiamenti interni sottili — come la deposizione precoce di litio o la crescita dello strato di interfaccia elettrolitica solida (SEI), che riduce la capacità.
La soluzione sono elettrodi di riferimento impiantati. Questi piccoli sensori misurano il potenziale interno della batteria, tracciando il comportamento dell’anodo e del catodo in tempo reale. I ricercatori di Tsinghua hanno superato sfide iniziali — come l’interferenza dei sensori nel flusso di ioni — sviluppando modelli di correzione degli errori, rendendo queste misurazioni sufficientemente precise per l’uso pratico.
“Conoscere il voltaggio esatto dell’anodo permette di evitare la soglia di deposizione di litio”, sottolinea lo studio. Questa precisione apre la strada a una ricarica più veloce, sicura e una vita più lunga per la batteria.
I sistemi: Costruire l’ecosistema dell’IVE
L’IVE non funzionerà con hardware standard. Lo studio descrive tre progetti di sistemi chiave adattati a scenari diversi.
1. Potenza bidirezionale per sistemi veicolari
Il clima freddo danneggia i VE: a -7°C, l’autonomia diminuisce del 30%; a -30°C, anche la ricarica può fallire. L’IVE offre una soluzione: usare il motore del veicolo stesso per generare calore. Inviando corrente alternata attraverso le bobine del motore (mentre le ruote rimangono ferme), il sistema crea “calore di polarizzazione” all’interno della batteria, riscaldandola in modo uniforme.
I progetti iniziali lottavano con il rumore e la bassa corrente. Il avvento di Tsinghua è stato un design a “doppio modulo” per la batteria, dividendo il pacco in due gruppi collegati all’inverter. Ciò permette alla corrente di fluire tra i moduli anche quando il motore è inattivo, aumentando la produzione di calore da 2 a 3 volte e riducendo il rumore di oltre 10 dB. È come avere due riscaldatori invece di uno: più calore, meno rumore.
2. Sistemi solari-accumulo-ricarica-scambio per autostrade
Le stazioni di ricarica veloce sulle autostrade — alcune con potenze fino a 350 kW — stressano le reti. La soluzione sono microreti “fotovoltaiche-accumulo-ricarica-scambio”. Combinano pannelli solari, batterie locali e scambio di batterie (per camion commerciali) per ridurre la dipendenza dalla rete.
Ad esempio, una stazione di ricarica da 2,5 MW per camion pesanti può ridurre la sua domanda di rete di 0,7 MW usando batterie scambiate come stoccaggio temporaneo. L’integrazione solare riduce ulteriormente i costi, mentre le microreti in corrente continua (CC) minimizzano le perdite di energia rispetto a quelle in corrente alternata (CA). L’unico neo è che le scariche in CC sono più difficili da estinguere, quindi questi sistemi hanno bisogno di tecnologie avanzate di rilevazione di scariche — un altro area affrontata dalla ricerca.
3. Armonia casa-veicolo: Il modello “luce-accumulo-diretto-flessibile”
La ricarica residenziale rimane un collo di bottiglia, ma gli edifici hanno capacità nascoste. La maggior parte delle case e degli uffici usa solo una frazione della loro capacità elettrica in un dato momento. Combinata con pannelli solari sui tetti, crea un ecosistema “casa-veicolo”.
I VE ricaricano durante il giorno, quando l’energia solare è abbondante, e si scaricano la sera per alimentare le case, riducendo la tensione sulla rete. A Pechino, una microrete in CC da 375 V in un edificio ufficioso — collegata a 20 kW di energia solare, 3 stazioni di ricarica bidirezionali e apparecchiature in CC — dimostra già questo funzionalità. A Zhuhai, un impianto residenziale con 5 kW di solare e 6,6 kWh di accumulo riduce la domanda di punta della rete spostando la ricarica dei VE alle ore di bassa domanda.
“È un cerchio”, sottolinea lo studio. “L’energia solare alimenta il veicolo, il veicolo alimenta la casa e la rete riempie i lacune”.
L’implementazione: Una strategia “punto-linea-superficie”
La geografia diversa della Cina richiede un’adozione adattata dell’IVE. Lo studio propone un approccio “punto-linea-superficie”, allineato con le risorse energetiche regionali e l’uso dei veicoli.
1. Scenari “punto”: Parchi a zero carbonio
Nell’ovest della Cina — ricco di energia solare e eolica — miniere e campi petroliferi si stanno elettrificando. La miniera di carbone a cielo aperto di Dianshigou, ad Ordos, ha sostituito 50 camion diesel con modelli elettrici, risparmiando 2,7 milioni di litri di carburante all’anno. Combinata con pannelli solari su terreni ricostruiti, la miniera funziona oggi con energia quasi priva di emissioni.
Anche le zone rurali si adattano a questo scenario. Nel condado di Ruicheng, un villaggio con 2 MW di solare sui tetti usa 717 kWh di accumulo in batterie — completato da VE — per assorbire l’eccesso di energia e evitare sovraccarichi sulla rete.
2. Scenari “linea”: Corridori di carico
I corridoi di carico est-ovest, dove camion pesanti trasportano carbone e minerali, stanno testando nodi “solare-accumulo-ricarica-scambio-idrogeno”. Il corridoio Chengdu-Chongqing ha 6 stazioni di scambio che coprono 365 km, riducendo i costi logistici del 30% a piena capacità. I camion a idrogeno gestiscono viaggi più lunghi, con elettrolizzatori locali che usano energia solare per produrre carburante, riducendo drasticamente le emissioni.
3. Scenari “superficie”: Città intelligenti
Le città densamente popolate dell’est della Cina — come Shenzhen — stanno aggregando risorse distribuite in “centrali elettriche virtuali”. La piattaforma di Shenzhen connette oltre 90 stazioni di ricarica, sistemi di climatizzazione in edifici e torri di telecomunicazioni, rispondendo a più di 30 richieste della rete e spostando 400.000 kWh di carico. Con più VE, queste piattaforme virtuali potrebbero bilanciare le reti urbane, integrare energie rinnovabili e ridurre i rischi di blackout.
Il futuro: I VE come alleati della rete
L’IVE non è solo una questione di tecnologia, ma di ridefinire la mobilità. Entro il 2040, i 300-400 milioni di VE in Cina potrebbero accumulare 2000 GWh di energia — quasi la stessa quantità che il paese consume giornalmente. Sfruttati correttamente, potrebbero eliminare la necessità di miliardi in nuove centrali elettriche e impianti di accumulo.
Gli autori dello studio — Li Yalun, Ouyang Minggao e Zhao Zhengming della Scuola di Veicoli e Mobilità e del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Tsinghua — sottolineano che il successo dipende dalla collaborazione: produttori che progettino veicoli pronti per la bidirezionalità, operatori di reti che modernizzino le loro infrastrutture e legislatori che stabiliscano protocolli standard.
Mentre i VE passano da “consumatori di energia” a “soci energetici”, il percorso futuro non sarà solo elettrico, ma intelligente.
Di Li Yalun, Ouyang Minggao, Zhao Zhengming (Università di Tsinghua), pubblicato su Proceedings of the CSEE, DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.241338