Sistema PV-DC Intelligente Soddisfa il 100% della Domanda di Ricarica a Pechino
In un significativo passo avanti verso l’integrazione energetica urbana sostenibile, una nuova strategia di ricarica intelligente sviluppata da ricercatori dell’Istituto di Ricerca dell’Energia Elettrica di State Grid Beijing e dell’Università di Tsinghua ha dimostrato il potenziale di alimentare interamente flotte di veicoli elettrici (EV) utilizzando esclusivamente energia solare generata sui tetti. Lo studio, condotto in un edificio per uffici a Pechino, presenta un approccio innovativo per allineare la generazione di energia fotovoltaica (PV) con la domanda di ricarica dei veicoli elettrici, eliminando la dipendenza dalla rete elettrica esterna durante le ore diurne e migliorando significativamente l’utilizzo delle energie rinnovabili.
Mentre le città globali accelerano la loro transizione verso la neutralità carbonica, la convergenza delle energie rinnovabili integrate negli edifici e dell’elettrificazione dei trasporti presenta immense opportunità ma anche complesse sfide tecniche. L’energia solare, pur essendo abbondante e pulita, è intrinsecamente intermittente e spesso raggiunge il suo picco a mezzogiorno, quando la domanda di elettricità negli edifici commerciali può essere moderata ma la domanda di ricarica dei veicoli elettrici è tipicamente bassa. Al contrario, la domanda di ricarica dei veicoli elettrici spesso aumenta la sera, quando la generazione solare è cessata, aumentando la pressione sulla rete e la dipendenza da fonti di energia basate su combustibili fossili. Questa mancata corrispondenza temporale è stata a lungo una barriera critica per massimizzare i benefici ambientali della ricarica dei veicoli elettrici con energia solare.
Il team di ricerca, guidato da Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu dell’Istituto di Ricerca dell’Energia Elettrica di State Grid Beijing, e Zhi Fu, Ji Zhang della Scuola di Architettura dell’Università di Tsinghua, ha affrontato questa sfida attraverso un’innovativa strategia di ricarica intelligente in corrente continua (PV-DC). Il loro lavoro, pubblicato su Electric Power, introduce una strategia di ricarica ordinata che regola dinamicamente la potenza di ricarica del veicolo elettrico in tempo reale in base alla generazione solare disponibile e allo stato della batteria del veicolo, raggiungendo livelli senza precedenti di autoconsumo e indipendenza dalla rete.
L’innovazione centrale risiede nell’utilizzo della tensione del bus in corrente continua come segnale di bilanciamento energetico in tempo reale. A differenza dei sistemi di ricarica in corrente alternata (AC) convenzionali che richiedono molteplici conversioni di potenza e spesso operano con orari di ricarica fissi, questa architettura accoppiata in corrente continua (DC) consente un flusso energetico più efficiente e reattivo. Il sistema integra pannelli fotovoltaici sul tetto, convertitori bidirezionali AC/DC per l’interazione con la rete, carichi dell’edificio e stazioni di ricarica intelligenti in corrente continua, tutti collegati a un bus in corrente continua comune da 375 volt. Sfruttando la tensione del bus in corrente continua come parametro di controllo, il sistema crea un quadro di gestione energetica decentrato ma coordinato che richiede un’infrastruttura di comunicazione minima.
La logica di controllo è elegantemente semplice ma altamente efficace. Quando la generazione solare è abbondante, la tensione del bus in corrente continua aumenta, segnalando alle stazioni di ricarica di aumentare la loro potenza di uscita. Al contrario, quando la produzione solare diminuisce a causa della nuvolosità o del tramonto, la tensione del bus diminuisce, inducendo i caricabatterie a ridurre la loro richiesta di potenza. Questa strategia di controllo basata sulla tensione elimina la necessità di complessi algoritmi di previsione o sistemi di controllo centralizzati, rendendo la soluzione sia robusta che scalabile.
Ciò che distingue questa strategia è l’integrazione di parametri specifici del veicolo nel processo decisionale di ricarica. Il sistema monitora continuamente lo stato di carica (SoC) di ogni veicolo elettrico e la potenza massima di ricarica consentita. I veicoli con un SoC più basso hanno la priorità durante i periodi di limitata disponibilità solare, assicurando che quelli che più hanno bisogno di energia ricevano un trattamento preferenziale. Questa priorizzazione è ottenuta attraverso un algoritmo dinamico di allocazione della potenza che modula la curva di ricarica in base alla tensione del bus e al SoC, creando una distribuzione equa ed efficiente dell’energia solare disponibile tra più veicoli.
La configurazione sperimentale è stata implementata in un edificio commerciale a Pechino, con un sistema fotovoltaico da tetto da 20 kWp e due stazioni di ricarica intelligente da 6,6 kW. Ai dipendenti dell’edificio, principalmente lavoratori d’ufficio, è stato chiesto di collegare i loro veicoli elettrici durante la giornata lavorativa, con la condizione che la ricarica sarebbe stata gratuita e alimentata esclusivamente da energia solare. Questo modello “collega e lascia” è particolarmente adatto agli scenari di ricarica sul posto di lavoro, dove i veicoli rimangono parcheggiati per periodi prolungati, fornendo tempo sufficiente per l’accumulo di energia solare e la ricarica delle batterie.
Nel corso dello studio, il sistema è stato testato in una varietà di condizioni meteorologiche, da giorni soleggiati e chiari a scenari nuvolosi e con bassa irradiazione. In un giorno soleggiato tipico, il sistema fotovoltaico ha generato 71,8 kWh di elettricità, con una potenza massima di 13,7 kW. Durante questo periodo, due veicoli elettrici sono stati ricaricati, ricevendo rispettivamente 30,6 kWh e 13,9 kWh. Crucialmente, il sistema ha raggiunto un tasso di soddisfazione del carico del 100%, il che significa che tutta l’energia di ricarica proveniva direttamente dal sistema solare in loco, senza alcun ricorso alla rete esterna. L’energia solare in eccesso, pari al 63% della generazione totale, è stata esportata in rete, dimostrando la capacità del sistema non solo di soddisfare la domanda locale ma anche di contribuire con energia pulita in eccesso alla rete elettrica più ampia.
Anche in condizioni meno favorevoli, il sistema ha funzionato notevolmente bene. In un giorno nuvoloso con solo 22,1 kWh di generazione solare totale, la strategia di ricarica intelligente è riuscita comunque a soddisfare il 100% delle esigenze di ricarica dei veicoli elettrici senza prelevare energia dalla rete. Il tasso di autoconsumo fotovoltaico ha raggiunto l’86%, e considerando la piccola quantità di energia utilizzata dai sistemi di controllo stessi, l’utilizzo effettivo dell’energia solare è salito al 94%. Questa resilienza in condizioni meteorologiche variabili sottolinea la robustezza della strategia di controllo basata sulla tensione, che può adattarsi senza problemi ai rapidi cambiamenti nella produzione solare.
Per quantificare i vantaggi del loro approccio, i ricercatori hanno condotto un’analisi comparativa utilizzando simulazioni Monte Carlo. Hanno modellato lo stesso scenario di ricarica utilizzando un metodo tradizionale di ricarica a potenza costante, in cui i veicoli elettrici prelevano potenza al loro tasso massimo nominale (6,6 kW) indipendentemente dalla disponibilità solare. In questa configurazione convenzionale, la domanda di ricarica ha creato un picco mattutino significativo, costringendo il sistema a importare fino a 10,9 kW dalla rete per soddisfare i requisiti di potenza istantanea. Nel frattempo, durante il picco solare a mezzogiorno, quando la generazione era al massimo, i veicoli elettrici si erano già caricati parzialmente, portando a una grande quantità di energia solare scartata o esportata. Il risultato è stato un tasso di autoconsumo fotovoltaico del solo 43,2% e una potenza massima di esportazione in rete di 11,5 kW.
In netto contrasto, la strategia di ricarica intelligente ha raggiunto un tasso di autoconsumo del 61,3%, rappresentando un miglioramento del 42% rispetto al metodo tradizionale. Ancora più importante, la potenza massima esportata in rete è stata ridotta a soli 5,3 kW, una diminuzione del 54%. Questa drastica riduzione del picco di esportazione è un beneficio critico per gli operatori di rete, poiché attenua il rischio di sovratensione e instabilità nelle reti di distribuzione che non sono progettate per gestire grandi iniezioni imprevedibili di energia solare distribuita. Livellando sia i profili di importazione che di esportazione, il sistema migliora la stabilità della rete e riduce la necessità di costosi aggiornamenti dell’infrastruttura.
Le implicazioni di questa ricerca vanno ben oltre un singolo edificio per uffici a Pechino. Mentre le aree urbane di tutto il mondo affrontano le sfide gemelle della decarbonizzazione dei trasporti e dell’integrazione di alti livelli di energia rinnovabile, questa strategia di ricarica PV-DC offre una soluzione pratica e scalabile. La tecnologia è particolarmente adatta per impianti commerciali e industriali, dove sono disponibili ampi spazi sui tetti per l’installazione solare e i parcheggi dei dipendenti forniscono un punto di aggregazione naturale per i veicoli elettrici. Centri commerciali, centri logistici e istituzioni pubbliche potrebbero adottare sistemi simili per creare ecosistemi energetici autosufficienti che riducono i costi operativi e l’impronta di carbonio.
Inoltre, il successo di questo progetto sottolinea l’importanza della progettazione a livello di sistema nella transizione energetica. Invece di considerare pannelli solari, veicoli elettrici e rete come entità separate, i ricercatori hanno dimostrato il valore di un approccio integrato che ottimizza le interazioni tra questi componenti. L’architettura in corrente continua (DC) stessa è un facilitatore chiave, poiché riduce le perdite di conversione e semplifica il controllo. In un sistema in corrente alternata (AC) convenzionale, l’energia in corrente continua (DC) solare deve essere convertita in corrente alternata (AC) per alimentare la rete o alimentare carichi in corrente alternata (AC), e poi convertita nuovamente in corrente continua (DC) per caricare la batteria del veicolo elettrico, un processo che può comportare perdite del 10% o più. Mantenendo l’energia in forma di corrente continua (DC) dalla generazione al consumo, il sistema raggiunge un’efficienza complessiva più elevata.
L’esperienza dell’utente è un altro fattore critico per il successo di tali sistemi. La natura “collega e dimentica” del processo di ricarica, in cui i conducenti collegano semplicemente i loro veicoli e ricevono una carica completa alla fine della giornata lavorativa, elimina le barriere comportamentali che spesso ostacolano l’adozione delle tecnologie di ricarica intelligente. Non è necessario che gli utenti programmino sessioni di ricarica o rispondano a segnali di prezzo; il sistema opera autonomamente in background, ottimizzando l’uso dell’energia senza richiedere alcuna azione da parte del conducente. Questa integrazione perfetta nelle routine quotidiane è essenziale per un’adozione diffusa.
La ricerca apre anche nuove possibilità per lo sviluppo futuro. Il team sottolinea che, sebbene il sistema attuale funzioni eccezionalmente bene, c’è spazio per un’ulteriore ottimizzazione. Ad esempio, l’integrazione di parametri basati sull’orario nel suo algoritmo di controllo potrebbe aiutare a distribuire la ricarica in modo più uniforme durante il giorno, evitando situazioni in cui i veicoli sono completamente carichi a metà mattina, lasciando l’eccessiva energia solare pomeridiana da esportare. Inoltre, il sistema potrebbe essere ampliato per includere lo stoccaggio della batteria, consentendo all’energia solare in eccesso di essere immagazzinata per l’uso durante le ore serali o nei giorni con bassa generazione. Ciò aumenterebbe ulteriormente l’autoconsumo e l’indipendenza dalla rete, avvicinandosi all’obiettivo di un edificio a consumo energetico netto zero.
Un’altra promettente strada è l’integrazione delle capacità veicolo-a-edificio (V2B). Mentre il sistema attuale si concentra sul flusso di energia da solare a veicolo (S2V), future iterazioni potrebbero consentire ai veicoli elettrici di scaricare indietro verso l’edificio durante i periodi di picco di domanda, trasformando efficacemente i veicoli parcheggiati in unità mobili di stoccaggio dell’energia. Questa capacità bidirezionale migliorerebbe la resilienza dell’edificio e fornirebbe ulteriori flussi di reddito attraverso la partecipazione a programmi di risposta alla domanda.
I benefici economici di un tale sistema sono anche significativi. Riducendo o eliminando gli acquisti di elettricità per la ricarica dei veicoli elettrici, i proprietari di edifici possono ottenere notevoli risparmi sui costi. Allo stesso tempo, i ricavi dalla vendita di energia solare in eccesso alla rete possono ulteriormente migliorare la fattibilità finanziaria dell’investimento. Con il continuo calo dei costi dei pannelli solari e dell’elettronica di potenza, si prevede che il periodo di recupero di questi sistemi si accorci, rendendoli sempre più attraenti per aziende e istituzioni.
Da una prospettiva politica, questa ricerca fornisce prove preziose per sostenere lo sviluppo di regolamenti e incentivi che promuovano soluzioni energetiche integrate. I governi e le aziende di servizi pubblici possono utilizzare questi risultati per progettare programmi che incoraggino l’adozione di infrastrutture di ricarica intelligente, in particolare nei settori commerciale e pubblico. Potrebbe essere necessario aggiornare gli standard per le microreti in corrente continua (DC) e i sistemi energetici integrati negli edifici per accogliere queste nuove tecnologie, assicurando l’interoperabilità e la sicurezza.
Il successo di questo progetto sottolinea anche l’importanza della collaborazione tra aziende di servizi pubblici, istituzioni accademiche e industria. La partnership tra l’Istituto di Ricerca dell’Energia Elettrica di State Grid Beijing e l’Università di Tsinghua esemplifica come l’esperienza ingegneristica pratica e la ricerca accademica possano unirsi per risolvere problemi del mondo reale. Tali collaborazioni sono essenziali per accelerare il dispiegamento di tecnologie innovative che sono fondamentali per raggiungere gli obiettivi climatici globali.
In conclusione, il lavoro di Ding, Zeng, Zhang, Wang, Liu, Fu e Zhang rappresenta un grande passo avanti nell’integrazione delle energie rinnovabili e dei trasporti elettrici. La loro strategia di ricarica intelligente PV-DC si è dimostrata in grado di soddisfare il 100% della domanda di ricarica dei veicoli elettrici utilizzando esclusivamente energia solare locale, migliorando significativamente l’autoconsumo fotovoltaico e riducendo l’impatto sulla rete. I risultati, pubblicati su Electric Power (DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101), forniscono un piano convincente per il futuro dei sistemi energetici urbani sostenibili. Mentre le città di tutto il mondo cercano di ridurre le loro emissioni di carbonio e costruire infrastrutture più resilienti, questa ricerca offre una soluzione pratica, scalabile e altamente efficace che avvicina di un passo la visione di un futuro energetico pulito alla realtà.
Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu (State Grid Beijing Electric Power Research Institute), Zhi Fu, Ji Zhang (Tsinghua University), Electric Power, DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101