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Vehicle-to-Grid:
l’integrazione della mobilità elettrica nei sistemi elettrici
Prof. Fabrizio Pilo, Ph.D.
Dipartimento di...
• XX secolo caratterizzato da sistemi di
conversione energetica
• Sistema elettrico (circa 117 GW in
Italia)
• Converte en...
The Smart Grid
Cagliari , 07/10/2019
9Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl
Source: Authors’ compilation
emis...
10 Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl
available to hybrid vehicles (Plug- in Hybrid Electric Vehicle;
Vehi...
• FER (RES) in crescita continua
• Impulso alla mobilità elettrica
• FER impattano la stabilità del
sistema
• Adeguatezza ...
Penetrazione dei VE
Cagliari , 07/10/2019
• 1 Milione di VE nel 2018 in circolazione in
Europa
• Auto elettriche (+61%) e ...
• Domanda globale da 6TWh a 1800 TWh
(2040)
• 30 Milioni = + 65 TWh
• 8,5 GW cicli combinati a gas naturale
• 5 GW di FV
•...
• Ricarica Immediata – Anche nota
come Dumb Charging
• ToU Based Charging – Ricarica si
alloca in periodi in base a
specif...
FLEXIBILITY AND DECENTRALISED CONTROL
DUMB CHARGING
EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout
1 41 (70% of tot Evs) 18:00...
EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout
1 41 (70% of tot EVs) 18:00 7:00 30% 100%
2 18 (30% of tot EVs) 17:00 23:00 30%...
EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout
1 41 (70% of tot Evs) 18:00 7:00
30% 100%
2 18 (30% of tot Evs) 17:00 23:00
EV ...
• Abilita scambi bidirezionali di
energia fra veicolo e rete
• Necessità di un convertitore
bidirezionale
• Stazioni che f...
Le potenzialità per il sistema elettrico
Cagliari , 07/10/2019
17Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl
Integr...
Servizi di sistema
Cagliari , 07/10/2019
industrial and commercial clients. In addition to the lower
EVS POTENTIAL FOR DSR...
Come si fa?
Cagliari , 07/10/2019
24 Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl
.
converter makes it possible to c...
Esempi di Applicazione – ENEL/NISSAN
Cagliari , 07/10/2019
Source: Auhors’ own compilation.
and Denmark, conducted a one-y...
Mitsubishi – New Motion
Cagliari , 07/10/2019
Source: Authors’ compilation based on press materials.
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Honda / EVTEC
Cagliari , 07/10/2019
Source: Authors’ compilation based on press materials.
Honda: global automotive brand;...
AUDI AMPARD
Cagliari , 07/10/2019
Source: Authors’ compilation based on press materials.
: global automotive brand investi...
Mercato e potenzialità
Cagliari , 07/10/2019
35Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl
assumptions:
Its shape w...
Grid Motion
Cagliari , 07/10/2019
Parigi – studio 2019 ENEDIS
(CIRED 2019)
1 Milione di veicoli – 2.000 M€
di investimenti...
• Molti studi tendono a sostenere che il veicolo
elettrico può essere connesso senza problemi
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Vehicle-to-Grid: l’integrazione della mobilità elettrica nei sistemi elettrici - Fabrizio Pilo (DIEE, Università degli Studi di Cagliari)

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L'intervento di Fabrizio Pilo (DIEE, Università degli Studi di Cagliari) in occasione dell'evento "Vehicle-to-Grid: l'integrazione della mobilità elettrica nelle microreti" che si è tenuto il 24 ottobre 2019 a Cagliari.

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Vehicle-to-Grid: l’integrazione della mobilità elettrica nei sistemi elettrici - Fabrizio Pilo (DIEE, Università degli Studi di Cagliari)

  1. 1. Vehicle-to-Grid: l’integrazione della mobilità elettrica nei sistemi elettrici Prof. Fabrizio Pilo, Ph.D. Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Università degli Studi di Cagliari Vehicle-to-Grid: l'integrazione della mobilità elettrica nelle microreti 24 ottobre 2019 - ore 9:00 Manifattura Tabacchi, piano primo sala 202 viale Regina Margherita 33 - Cagliari INCONTRO 09:00 Registrazione partecipanti 09:30 Apertura lavori e introduzione alla mobilità in V2G Mario Porru (DIEE, Università degli Studi di Cagliari) 09:45 Vehicle-to-Grid: l’integrazione della mobilità elettrica nei sistemi elettrici Fabrizio Pilo (DIEE, Università degli Studi di Cagliari) 10:20 Car sharing elettrico aziendale e tecnologia V2G: il progetto pilota dell’IIT Massimiliano Gatti (IIT, Istituto Italiano di Tecnologia di Genova) 11:00 Coffee break 11:15 SUN2CAR: Sharing energetico per mobilità elettrica 100% rinnovabile Matteo Atzori (Sun2Car) 11:30 Progetto Poseidon: microreti e mobilità elettrica in aree portuali Alessandro Serpi (NEPSY) 11:45 Microrete di Macchiareddu: ottimizzare la gestione dell’energia con l’integrazione dei veicoli elettrici
  2. 2. • XX secolo caratterizzato da sistemi di conversione energetica • Sistema elettrico (circa 117 GW in Italia) • Converte energia chimica, nucleare, potenziale gravitazionale in energia elettrica • Sistema trasporto leggero (circa 2.400 GW) • Converte energia chimica dei combustibili in energia meccanica Introduzione Cagliari , 07/10/2019 • XXI secolo caratterizzato • Sistema elettrico • Spostamento del settore elettrico verso le rinnovabili • Sistema trasporto leggero • Automobile elettrica • Convergenza per ragioni tecniche ed economiche dei due settori
  3. 3. The Smart Grid Cagliari , 07/10/2019 9Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl Source: Authors’ compilation emissions and . Global e-Sustainability Initiative, the smart grid technology makes it possible to reduce CO emissions in the power . Base year High: 15%CO reduction Additional income = 0.8 t rillion USD reliability
  4. 4. 10 Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl available to hybrid vehicles (Plug- in Hybrid Electric Vehicle; Vehicle; . ELECTRIC VEHICLE IN THE SMART GRID as electricity storage devices STORAGE OF ELECTRICITY FOR EV Il veicoio elettrico nella smart grid Cagliari , 07/10/2019
  5. 5. • FER (RES) in crescita continua • Impulso alla mobilità elettrica • FER impattano la stabilità del sistema • Adeguatezza e Sicurezza • Problemi a mantenere il parco tradizionale • Veicoli elettrici sono una sorgente di flessibilità Fonti rinnovabili e transizione energetica Cagliari , 07/10/2019 sione europea, in data 8 gennaio 2019, la proposta di Piano nazionale integrato per l'energia e il er gli anni 2021-2030 . abelle seguenti – tratte dalla Proposta di PNIEC - sono illustrati i principali obiettivi del PNIEC al u rinnovabili, efficienza energetica ed emissioni di gas serra e le principali misure previste per il imento degli obiettivi del Piano. Gli obiettivi risultano più ambiziosi di quelli delineati nella SEN 2017. Fonte: PNIEC 2018 unicato stampa del MISE evidenzia che i principali obiettivi del PNIEC italiano sono: percentuale di energia da FER nei Consumi Finali Lordi di energia pari al 30%, in linea con gli ttivi previsti per il nostro Paese dalla UE; quota di energia da FER nei Consumi Finali Lordi di energia nei trasporti del 21,6% a fronte del % previsto dalla UE;
  6. 6. Penetrazione dei VE Cagliari , 07/10/2019 • 1 Milione di VE nel 2018 in circolazione in Europa • Auto elettriche (+61%) e ibride (+38%), • Meno dell’1% del totale circolante. 13PRELIMINARE PER DISCUSSIONE Mobilità Elettrica Ipotesi di Scenario Fonte 1Scenario SEN Roma Veicoli Elettrici [mln] Il livello di penetrazione degli EV nel mercato al 2030 è stimato in 4 - 6,2 milioni Il consumo di elettricità dei veicoli elettrici potrebbe variare tra 4 e 16 TWh 1,8 GW TERNA Sviluppo 4,2 TERNA Base 1,6 Media Ambros. Lower, Middle e Upper 3,5 Media Ambros. Accelerated, ST DG 6,5 0,4 1,2 SEN 5 Il valore della potenza di picco stimata1, per la sola mobilità elettrica nel perimetro di Roma Città Metropolitana. 2,5 mln Ad uso privato 33.000 Ad uso pubblico Infrastrutture di ricarica 0,4 GW 2,2 GW Ad uso privato Ad uso pubblico Scenari nazionali Scenari Locali 0,2 0,7 0,4 0,6 La crescente diffusione della mobilità elettrica genera impatti importanti sulle reti di distribuzione in termini di energia e picco di potenza aggiuntivi rispetto alla previsione di domanda da utenze «classiche» al 2030 Gli scenari futuri richiedono ai distributori di definire nuove modalità di gestione della rete per prevenire gli impatti previsti dallo sviluppo della mobilità elettrica
  7. 7. • Domanda globale da 6TWh a 1800 TWh (2040) • 30 Milioni = + 65 TWh • 8,5 GW cicli combinati a gas naturale • 5 GW di FV • 3 GW di eolico Impatto sul sistema elettrico Cagliari , 07/10/2019 14 Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl . can also supply electricity needed by distribution systems roads, will entail the growth in electricity demand by . This raises concerns whether the current electric power system will be able to cope with the increased power demand storage and system services. Plan for the Development of Electromobnility in Poland. Energy for the Future. POWER GRID Energy generation Energy demand POWER GRID Energy generation Energy demand
  8. 8. • Ricarica Immediata – Anche nota come Dumb Charging • ToU Based Charging – Ricarica si alloca in periodi in base a specifiche tariffe giornaliere • RTP – Based Charging – Ricarica si modifica e si adatta in base al prezzo dell’energia in real time Politiche di ricarica Cagliari , 07/10/2019 20 Figure 5.4: Daily arrival times at home and at work for countries without time shift (l) and corresponding charging profile of Germany as example (r) As driving patterns differ across the European countries, the determined charging profiles are shifted according to their daily activity [11]. This results in a shifted participation in travel that is modelled by a shift of charging profiles. Based on information from a time use survey [11], countries were clustered in two groups, one including all countries with similar activity patterns than in France and one with countries featuring activity patterns being shifted by one hour forward compared to the French reference13 , cf. Table 5.1. Table 5.1: Time shift of each country No time shift Time shift of minus one hour Belgium, Switzerland, Cyprus, Denmark, Estonia, Spain, France, Greece, Ireland, Italy, Latvia, Malta, Norway, Portugal, United Kingdom Austria, Bosnia and Herzegovina, Bulgaria, Germany, Czech Republic, Finland, Croatia, Hungary, Lithuania, Luxembourg, Montenegro, Republic of Macedonia, Netherlands, Poland, Romania, Serbia, Sweden, Slovakia, Slovenia For countries with similar daily activities as France, the charging profile remains the same as the one generated from the data given in Figure 5.4. For other countries with a start of activities approximately one hour ahead (e.g. Germany), the generated charging profile is shifted forward by one hour. 5.4. TOU-BASED CHARGING ToU-based charging is defined by the preferred charging during prior specified, static low price periods given by so-called time-of-use-tariffs (ToU). In this study, ToU-periods are determined based on the hourly marginal electricity costs in the base scenario for each country. The base scenario is a scenario without any adaption of EV charging. For the determination of the ToU-periods, seasonal as well as weekly effects are considered by the differentiation of summer and winter as well as weekday and weekend day. First, the mean value for every hour of a day for e.g. a weekday in summer is determined. Using the 50%- quantile, twelve hours of the days are classified as low price and the remaining twelve hours as high price periods. The resulting mean values for the marginal costs and the 50%- 13 Independent from this correction, the METIS model takes into account the different time zones. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Arrival at Home Arrival at Work 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 BEV home BEV work PHEV home PHEV workTesto 21 Figure 5.5: Mean values of one day for marginal cost in EUCO30 in 2030 scenario Assuming that it is more desirable to charge EVs as early as possible and in a situation, where the arrival time coincidences with a low price period, the EV is charged until the daily charging hours are reached or a high price period begins. If the arrival time coincidences with a high price period, the charging begins in the next low price period. In Figure 5.6, the derivation of the charging profiles from the ToU-tariffs is illustrated for France as example. An illustration of ToU-based charging patterns across all countries is provided in the Annex, Section 9.2.2 Figure 5.6: Charging profile France for winter and summer in EUCO30 in 2030 scenario 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DE FR Quantile DE Quantile FR /MWh 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Friday Saturday Winter Summer hours 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 sum, wd 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 sum, we 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 win, wd 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 win, we 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1Low price period High price period
  9. 9. FLEXIBILITY AND DECENTRALISED CONTROL DUMB CHARGING EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot Evs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot Evs) 17:00 23:00 Aalborg , 01/10/2019 Prof. Fabrizio Pilo
  10. 10. EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot EVs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot EVs) 17:00 23:00 30% 80% FLEXIBILITY AND DECENTRALISED CONTROL SMART CHARGING EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot Evs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot Evs) 17:00 23:00 Aalborg , 01/10/2019 Prof. Fabrizio Pilo
  11. 11. EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot Evs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot Evs) 17:00 23:00 EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot EVs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot EVs) 17:00 23:00 30% 80% EV Set Number of EVs Tin Tout SOCin SOCout 1 41 (70% of tot EVs) 18:00 7:00 30% 100% 2 18 (30% of tot EVs) 17:00 23:00 30% 100% FLEXIBILITY AND DECENTRALISED CONTROL FLEXIBLE DEMAND AND SMART CHARGING Aalborg , 01/10/2019 Prof. Fabrizio Pilo
  12. 12. • Abilita scambi bidirezionali di energia fra veicolo e rete • Necessità di un convertitore bidirezionale • Stazioni che funzionano come come interfaccia di potenza e di comunicazione • Veicoli sono fermi in un’area di parcheggio per la maggior parte del tempo (?) Vehicle to grid – grid to vehicle Cagliari , 07/10/2019 15Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl LINES LOWVOLTAGE DISTRIBUTION LINES DISTRIBUTED RENEWABLE ENERGY SOURCES HEADQUARTERS GROUP CHARGING STATIONS EVS IN GROUP CHARGING STATIONS SHOPPINGCENTRES,OFFICE (communicationwithSystem Operatorviacentralsystem ofgroupchargingstation) INDIVIDUAL CHARGINGSTATIONS V2GCONCEPT UTILITY POWER PLANTS EVS LOWVOLTAGE DISTRIBUTION NETWORKS between an electric vehicle and the power grid. generat ion. as well as economic ones.
  13. 13. Le potenzialità per il sistema elettrico Cagliari , 07/10/2019 17Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl Integration of vehicle-to-grid in western Danish Power System The electricity accumulated in the EVs’ batteries can, sustain the supply in the local network and even compensate the reactive power and higher harmonics or control power in the system . . V2GPOTENTIAL Source: Nissan. GREATER GRID STABILITY SELLING ELECTRICITY TOTHE GRID POWER SUPPLY Source: Authors’ compilation. ent. e system is an important problem to solution is to be provided by the ed capacity market mechanism. 17 potential as power storage. Time of day s 33%EV About the vehicle is parked Possibility to provide DSR services to utilise a battery that is not being used
  14. 14. Servizi di sistema Cagliari , 07/10/2019 industrial and commercial clients. In addition to the lower EVS POTENTIAL FOR DSR SERVICES PROVISION COWI Consortium EV Household appliances Others
  15. 15. Come si fa? Cagliari , 07/10/2019 24 Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl . converter makes it possible to convert the power stored in the batteries into AC power management that can work both as a mobile power CONVERTER FOR THE V2G T2 T4 T2 T3 T6 T5 CDC LAC LDC Bidirectional AC/ DC inverter Bidirectional DC/ DC inverter CHALLENGES TOTHE DEVELOPMENT OF V2GSYSTEMS Source: Authors’ compilation. OF GRID TECHNOLOGY SOCIAL BARRIERS LEGISLATION CHANGES OF FINANCIAL EFFICIENT AND OF ENERGY SOURCES AND NETWORK ASSETS 23Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl ELEMENTS OF THE V2GSYSTEM generating units possibilities to control and (mainly wind and photo-voltaic power consumption who are able to a certain time (e.g. they can use the electricity stored in the EV battery during night time to power their who can provide regulation system services USED AS AN ENERGY RESOURCE (DER – Distributed Energy Resources) the grid operator INTERNET INTERNET USER’S PROFILE AND PREFERENCES CONTROL PANEL GPS the grid operator AGGREGATOR
  16. 16. Esempi di Applicazione – ENEL/NISSAN Cagliari , 07/10/2019 Source: Auhors’ own compilation. and Denmark, conducted a one-year- long study which which is in line with plans t o develop and commercialise . Enel in Denmark, UK and France and France in Denmark, UK and France Nissan and Endesa sign a cooperation agreement during COOPERATION BETWEEN NISSAN AND ENEL
  17. 17. Mitsubishi – New Motion Cagliari , 07/10/2019 Source: Authors’ compilation based on press materials. model (the bestselling model in the over by Shell : world leader in the implementation the grid and EVs in the Netherlands Creating a new business model using mobile energy storage COOPERATION BETWEEN MITSUBISHI AND NEWMOTION
  18. 18. Honda / EVTEC Cagliari , 07/10/2019 Source: Authors’ compilation based on press materials. Honda: global automotive brand; author EVTEC : Austrian COOPERATION BETWEEN HONDA AND EVTEC
  19. 19. AUDI AMPARD Cagliari , 07/10/2019 Source: Authors’ compilation based on press materials. : global automotive brand investing in electromobility on the market Smart Energy Network COOPERATION BETWEEN AUDI AND AMPARD
  20. 20. Mercato e potenzialità Cagliari , 07/10/2019 35Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl assumptions: Its shape will depend, among other things, on: EV charging points owners who have their own chargers at home EVs to the number charging stations participants business models to a degree that is impossible to predict at the moment 35Polish Alternative Fuels Association | pspa.com.pl In order to demonstrate the assumptions: Its shape will depend, among other things, on: EV charging points owners who have their own chargers at home EVs to the number charging stations participants business models to a degree that is impossible to predict at the moment
  21. 21. Grid Motion Cagliari , 07/10/2019 Parigi – studio 2019 ENEDIS (CIRED 2019) 1 Milione di veicoli – 2.000 M€ di investimenti principamente nella rete di distribuzione MT e BT 25% può essere tagliato grazie a politiche intelligenti di ricarica
  22. 22. • Molti studi tendono a sostenere che il veicolo elettrico può essere connesso senza problemi • Sistema elettrico ampiamente sovradimensionato ma … • ….. non considerando la coincidenza della domanda in alcune ore della giornata come con VE • Problemi locali nel Sistema di distribuzione (tipicamente feeder con eccessiva caduta di tensione) • Problemi di Sistema (integrazione con rinnovabili) • Investimenti insostenibili • Opportunità da gestione intelligente e grandi vantaggi da V2G Conclusioni Cagliari , 07/10/2019

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