Veicoli elettrici riducono i costi energetici del 20 %
L’integrazione dei veicoli elettrici (VE) nei sistemi di alimentazione elettrica delle ferrovie suburbane sta emergendo come una soluzione innovativa per migliorare l’efficienza energetica e ridurre i costi operativi. Una ricerca recente dimostra che collegando i VE alle stazioni ferroviarie periferiche, questi non fungono solo da mezzi di trasporto, ma diventano anche unità mobili di accumulo energetico, in grado di ottimizzare il consumo elettrico dell’intera rete ferroviaria. Questo approccio, sviluppato da Tang Zhaoxiang e Xu Wantao di CRRC Qingdao Sifang Co., insieme a Deng Hao e Lu Wenjie della Scuola di Ingegneria Elettrica dell’Università del Sudovest Jiaotong, mostra come la coordinazione tra batterie di auto elettriche, supercondensatori e sistemi di alimentazione elettrica ferroviaria possa trasformare i parcheggi in centri energetici intelligenti.
Le linee ferroviarie suburbane hanno assunto un’importanza crescente negli ultimi decenni come soluzione efficace per collegare i centri urbani alle aree periferiche, offrendo un’alternativa rapida, sicura e ad alta capacità rispetto al traffico stradale. Tuttavia, l’espansione di queste reti ha generato un aumento del consumo energetico, specialmente per quanto riguarda la trazione elettrica. Tradizionalmente, molti sistemi ferroviari hanno affrontato sfide come la bassa efficienza nel recupero dell’energia durante la frenata rigenerativa e picchi di domanda che aumentano i costi delle bollette elettriche. A ciò si aggiunge la necessità di modernizzare l’infrastruttura per rispettare gli obiettivi di decarbonizzazione e sostenibilità energetica.
Il modello proposto in questo studio affronta queste sfide attraverso un sistema di alimentazione della trazione monofase (co-phase AC), che elimina le sezioni di separazione di fase presenti nei sistemi convenzionali di corrente alternata. Questa architettura permette un trasferimento di energia più efficiente e una migliore gestione della potenza reattiva. Integrando controllori di flusso di potenza (PFC), il sistema può regolare l’energia fornita dalla rete elettrica, sopprimere le armoniche e facilitare il trasferimento bidirezionale di energia, rendendolo una piattaforma ideale per incorporare sistemi di accumulo energetico distribuito.
Quello che distingue questo lavoro è il suo approccio all’incertezza intrinseca nel comportamento degli utenti dei veicoli elettrici. A differenza dei modelli deterministici che presuppongono orari fissi di arrivo e partenza, livelli costanti di carica iniziale e schemi di consumo prevedibili, la realtà mostra una grande variabilità. I proprietari di VE arrivano in momenti diversi, partono in modo imprevedibile e iniziano a caricare con batterie a diversi livelli di carica. Tentare di ottimizzare la programmazione energetica in queste condizioni con metodi tradizionali spesso porta a soluzioni troppo conservative o non praticabili.
Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno impiegato la programmazione basata su vincoli probabilistici (chance-constrained programming). Questo approccio non richiede che tutti i vincoli siano soddisfatti con certezza assoluta, cosa poco realistica, ma permette un piccolo margine di rischio controllato, ad esempio un 5 % di probabilità di inadempienza, garantendo al contempo che il sistema operi entro livelli di confidenza accettabili. Questa metodologia, nota come programmazione con vincoli di opportunità, permette una pianificazione più flessibile e realistica delle attività di carica e scarica dei VE.
Il modello è stato formulato come un programma lineare misto intero (MILP), un quadro di ottimizzazione adatto a problemi di decisione su larga scala che coinvolgono variabili discrete (ad esempio, se un VE carica o scarica) e continue (ad esempio, livelli di potenza). Utilizzando il risolutore CPLEX, uno strumento commerciale ad alte prestazioni, il team ha simulato un’intera giornata di operazioni per una linea ferroviaria urbana equipaggiata con parcheggi per VE e supercondensatori a bordo.
I supercondensatori svolgono un ruolo fondamentale in questa architettura. Sebbene le batterie dei VE offrano un’alta capacità energetica, non sono progettate per cicli rapidi e frequenti di carica e scarica, il che può accelerarne il degrado. I supercondensatori, d’altra parte, sono eccellenti nel gestire picchi brevi di alta potenza, rendendoli ideali per smorzare i carichi transitori causati dall’accelerazione e dalla frenata dei treni. Combinando entrambe le tecnologie, il sistema raggiunge un equilibrio tra la capacità energetica (dei VE) e la capacità di risposta in potenza (dei supercondensatori), massimizzando le prestazioni generali preservando al contempo la salute delle batterie.
I risultati della simulazione sono stati significativi. Rispetto a uno scenario base senza integrazione di accumulo energetico, il sistema ottimizzato ha ridotto il costo giornaliero dell’elettricità per la sottostazione di trazione del 20,37 %. Questa riduzione si traduce in risparmi sostanziali per gli operatori ferroviari, specialmente quando si scala a reti complete. La diminuzione dei costi è dovuta a tre fattori principali: minor consumo di energia durante i periodi tariffari di punta, riduzione dei costi per la domanda e ricavi generati dalla vendita di energia in eccesso alla rete.
I costi per la domanda, basati sulla potenza media più alta prelevata durante un intervallo di 15 minuti nel ciclo di fatturazione mensile, rappresentano una parte importante delle bollette elettriche per i clienti industriali e del trasporto. Nello scenario non ottimizzato, la domanda massima ha raggiunto 9,3 MW, innescando costi elevati secondo la struttura tariffaria a due componenti utilizzata in Cina. Con il sistema integrato di VE e supercondensatori che gestisce attivamente i profili di carico, il picco è stato ridotto a 5,4 MW, una diminuzione del 41,9 %. Questo appiattimento così drastico della curva di carico non solo riduce i costi, ma migliora anche la stabilità della rete e riduce lo stress su trasformatori e apparecchiature di commutazione.
Un altro risultato chiave è stato il tasso di utilizzo dell’energia rigenerativa per la frenata, che ha raggiunto un impressionante 96,68 %, molto al di sopra dei valori tipici del 30-50 % osservati nei sistemi convenzionali. Quando i treni frenano, generano elettricità che può essere restituita alle linee aeree. Senza un adeguato accumulo o treni vicini che assorbano questa energia, spesso viene dissipata come calore tramite resistori o si perde a causa dell’aumento di tensione. In questo modello, tuttavia, l’energia recuperata viene immagazzinata nei supercondensatori per un uso immediato o diretta a caricare i VE parcheggiati, trasformando così lo spreco in valore.
Inoltre, lo studio ha analizzato l’impatto del livello di penetrazione dei VE sui risparmi di costo. Con l’aumentare del numero di VE connessi, le spese totali per l’elettricità diminuivano costantemente, avvicinandosi a un limite inferiore di circa 71.000 yuan al giorno. Questo effetto di saturazione si verifica perché, oltre un certo punto, la domanda aggiuntiva di carica da più VE inizia a compensare i benefici del livellamento del carico e della vendita di energia. Tuttavia, lo studio conferma che anche un’adozione moderata di VE, intorno a 100-200 veicoli per stazione, può generare rendimenti economici significativi.
I ricercatori hanno classificato gli utenti di VE in due gruppi in base al loro comportamento di spostamento: Tipo A, composto da lavoratori urbani che parcheggiano in stazioni suburbane durante il giorno prima di tornare a casa la sera; e Tipo B, residenti locali che lavorano in periferia e caricano i loro veicoli durante la notte in parcheggi di interscambio modale (P&R). Ogni gruppo mostra schemi temporali e comportamentali distinti, modellati utilizzando distribuzioni normali per gli orari di arrivo e partenza e lo stato di carica (SOC) iniziale, e distribuzioni uniformi per il SOC desiderato al momento della partenza.
È stato utilizzato un campionamento Monte Carlo per generare 500 scenari stocastici che riflettono la variabilità del mondo reale. Questi scenari sono stati incorporati nel modello di ottimizzazione tramite l’approssimazione della media campionaria (SAA), una tecnica che converte i vincoli probabilistici in equivalenti deterministici facendo la media su più realizzazioni. Ciò ha permesso di risolvere il modello con vincoli di opportunità in modo efficiente, mantenendo il rigore statistico.
Dal punto di vista politico, i risultati supportano lo sviluppo di quadri di pianificazione integrata per il trasporto e l’energia. I comuni che investono in ferrovie suburbane dovrebbero considerare la co-localizzazione dell’infrastruttura di ricarica per VE non solo come un servizio per i passeggeri, ma come un asset energetico strategico. Le aziende elettriche traggono anche vantaggio da carichi di picco ridotti e una maggiore resilienza della rete. Inoltre, gli operatori ferroviari potrebbero esplorare nuovi modelli di business, come offrire parcheggio scontato o accesso prioritario in cambio della partecipazione a programmi di veicolo alla rete (V2G).
L’implementazione tecnica si basa su convertitori DC/DC bidirezionali che collegano le batterie dei VE e i supercondensatori al bus in corrente continua del PFC. Questo elimina la necessità di fasi di rettifica separate e permette uno scambio di energia fluido tra la rete, i treni e le unità di accumulo. Il sistema di controllo monitora continuamente i prezzi dell’elettricità, gli orari dei treni e la disponibilità dei VE per determinare le strategie ottimali di carica e scarica minuto per minuto.
La sicurezza informatica e la privacy degli utenti sono considerazioni critiche in qualsiasi implementazione V2G. Il modello presuppone protocolli di comunicazione sicuri e la gestione di dati anonimizzati per proteggere le informazioni degli utenti. La partecipazione alla gestione energetica sarebbe probabilmente su base volontaria, con gli utenti che impostano preferenze per i livelli minimi di batteria e gli orari di partenza. Incentivi come tariffe di ricarica ridotte o punti fedeltà potrebbero incoraggiare un’adozione più ampia.
Dal punto di vista ambientale, il maggiore utilizzo dell’energia di frenata rigenerativa riduce la necessità di elettricità generata da combustibili fossili, abbattendo le emissioni di gas serra. Anche quando la rete include carbone o gas naturale, il dislocamento della generazione marginale durante le ore di punta contribuisce a un’aria più pulita e a una riduzione dell’inquinamento. Nel tempo, man mano che le reti diventano più pulite, i benefici climatici aumenteranno ulteriormente.
Lo studio sottolinea anche l’importanza di algoritmi di controllo coordinati. Consentire semplicemente ai VE di caricare quando arrivano, noto come “carica stupida”, può aggravare i carichi di punta e aumentare i costi. La carica intelligente, guidata da segnali di prezzo in tempo reale e vincoli di sistema, garantisce che l’energia venga prelevata quando è più economica e abbondante, e iniettata quando è più preziosa.
Sebbene il modello attuale si concentri sull’ottimizzazione a un giorno di distanza, lavori futuri potrebbero estendersi ad aggiustamenti in tempo reale utilizzando tecniche di controllo predittivo basate su modelli (MPC) o apprendimento per rinforzo. L’integrazione di fonti rinnovabili, come tetti solari sui parcheggi, aumenterebbe ulteriormente la sostenibilità, creando hub di trasporto completamente autosufficienti.
Un potenziale limite è il degrado della batteria a causa di cicli frequenti. Sebbene il modello eviti scariche profonde e limiti i tassi di potenza, gli impatti a lungo termine sulla durata delle batterie dei VE richiedono una validazione empirica. Tuttavia, dato che la maggior parte dei proprietari di VE non svuota completamente le batterie ogni giorno e molti guidano meno di 50 km al giorno, c’è capacità di riserva sufficiente per i servizi di rete senza compromettere le esigenze di mobilità.
In pratica, progetti pilota potrebbero iniziare con flotte di piccole dimensioni di VE di proprietà aziendale o veicoli municipali, fornendo un ambiente controllato per test e perfezionamento. Man mano che cresce la fiducia, la partecipazione del pubblico potrebbe espandersi gradualmente.
Le implicazioni vanno oltre i sistemi ferroviari. Principi simili potrebbero essere applicati a depositi di autobus, parcheggi di aeroporti o campus universitari con flotte elettrificate. Ovunque i VE siano parcheggiati per lunghi periodi accanto a carichi energetici significativi rappresenta un sito potenziale per la gestione energetica integrata.
In definitiva, questa ricerca esemplifica la convergenza dei sistemi di trasporto e di energia nell’era della città intelligente. Dimostra che i VE non sono semplici sostituti dei veicoli a combustione interna, ma partecipanti attivi in un ecosistema energetico più ampio e intelligente. Sfruttando la capacità collettiva delle batterie dei veicoli parcheggiati, le città possono costruire infrastrutture più resilienti, efficienti e sostenibili.
L’integrazione dei VE nei sistemi di energia ferroviaria non è solo un’innovazione tecnica; è un cambiamento di paradigma nel modo in cui pensiamo alla mobilità e all’energia. Invece di vedere i veicoli parcheggiati come asset inattivi, diventano unità di accumulo mobile che contribuiscono alla stabilità della rete e al risparmio di costi. Questa funzione duale migliora la fattibilità economica sia del trasporto elettrico che del trasporto pubblico, creando un circolo virtuoso di sostenibilità.
Mentre i governi di tutto il mondo spingono per la decarbonizzazione e l’elettrificazione, studi come questo forniscono percorsi pratici in avanti. Dimostrano che, con gli strumenti di modellazione adeguati, strategie di controllo e coordinamento istituzionale, la transizione verso un’energia pulita può essere tecnicamente fattibile ed economicamente vantaggiosa.
Il successo di questo approccio dipende dalla collaborazione tra settori: operatori ferroviari, aziende elettriche, produttori di automobili e responsabili politici devono allineare incentivi e standard. L’interoperabilità, la condivisione dei dati e la chiarezza normativa saranno essenziali per scalare queste soluzioni oltre le dimostrazioni isolate.
Tuttavia, l’evidenza è chiara: i VE parcheggiati, quando gestiti in modo intelligente, possono svolgere un ruolo fondamentale nella riduzione dell’impronta energetica del trasporto urbano. Questo studio offre un piano convincente per trasformare i parcheggi in centrali elettriche e i passeggeri in contributori a una rete più intelligente e verde.
Tang Zhaoxiang, Xu Wantao, Deng Hao, Lu Wenjie. Operazione ottimale del sistema di alimentazione della trazione ferroviaria urbana con veicoli elettrici basata sulla programmazione con vincoli di opportunità. Energy Storage Science and Technology, 2024. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0487