Coordinated planning of European charging infrastructure and energy system for optimal V1G and V2G deployment

Sintesi Tecnica: Pianificazione Coordinata dell'Infrastruttura di Ricarica Europea e del Sistema Energetico per un Ottimale Sviluppo di V1G e V2G

Problema
Gli attuali obiettivi europei per l'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici (EV), come quelli previsti dal Regolamento sulle Infrastrutture per i Combustibili Alternativi (AFIR), si basano su parametri uniformi (ad esempio, 1,3 kW per veicolo) che trascurano il potenziale di flessibilità offerto dalle tecnologie di ricarica intelligente (V1G) e Vehicle-to-Grid (V2G). Le valutazioni precedenti sui benefici di V1G e V2G sono state limitate da stime divergenti del risparmio sui costi di sistema (che variano dallo 0% al 20%), dalla dipendenza da assunzioni esogene per i valori di mercato e dalla confusione tra costi infrastrutturali e commissioni di remunerazione. Inoltre, molti modelli trattano l'investimento infrastrutturale come una decisione indipendente piuttosto che come una variabile endogena, impedendo una valutazione adeguata della competizione tra le strategie di ricarica non controllata, V1G e V2G. Esiste una mancanza di valutazione sistematica su quali opzioni di flessibilità forniscano benefici coerenti a livello di sistema e sotto quali specifiche caratteristiche del sistema energetico tali opzioni siano più efficaci.

Metodologia
Gli autori estendono il modello di ottimizzazione del sistema energetico sector-coupled Euro-Calliope per rappresentare esplicitamente l'infrastruttura di ricarica e i suoi costi come variabili decisionali endogene. Il modello opera con una risoluzione temporale oraria e una risoluzione spaziale nazionale (NUTS 0) per il 2050, minimizzando i costi totali del sistema, inclusi l'acquisto dei veicoli e l'investimento infrastrutturale.

Caratteristiche metodologiche chiave:

• Modellazione Endogena delle Infrastrutture: Il modello ottimizza lo sviluppo delle infrastrutture di ricarica non controllate, V1G e V2G simultaneamente, permettendo loro di competere in base alle necessità del sistema.
• Integrazione della Mobilità: Le serie temporali specifiche per paese dei tempi di ricarica (plug-in) sono generate utilizzando una versione personalizzata del modello RAMP-mobility, incorporando i vincoli dello stato di carica (SoC) della batteria e le probabilità di connessione.
• Dimensioni degli Scenari: Lo studio esplora tre dimensioni:
  1. Flessibilità di Ricarica: Non controllata, V1G (sensibile al prezzo) e V2G (bidirezionale).
  2. Espansione della Rete: Capacità di trasmissione transfrontaliera limitata, moderata e non vincolata (basata sulle proiezioni ENTSO-E 2040).
  3. Costi Infrastrutturali: Scenari che vanno da Costo-Alto a Costo-Zero.
• Rappresentazione dei Veicoli: I veicoli elettrici sono modellati come una combinazione di tecnologie di stoccaggio e di conversione, con le capacità delle batterie aggregate per segmento di trasporto e per paese. Il modello tiene conto anche di propulsioni alternative (FCEV, ICEV) per garantire un confronto robusto.
• Calcolo dei Benefici: I benefici di sistema sono definiti come riduzioni dei costi totali del sistema energetico rispetto alla baseline non controllata. I ricavi V2G sono derivati dall'arbitraggio di mercato utilizzando le variabili duali del modello come proxy per i prezzi dell'elettricità all'ingrosso.

Risultati Chiave

• Risparmio sui Costi di Sistema: La tecnologia V1G cattura la maggior parte dei risparmi sui costi di sistema, riducendo i costi totali del sistema energetico di 19,4–42,4 miliardi di € anno⁻¹. Al contrario, il V2G fornisce solo marginali risparmi aggiuntivi di sistema, compresi tra zero e 2,5 miliardi di € anno⁻¹.
• Requisiti Infrastrutturali: Il V1G riduce sostanzialmente i requisiti di picco della ricarica, passando da 281–284 GW (non controllato) a 73–94 GW. Lo sviluppo del V2G aumenta leggermente le necessità infrastrutturali a 76–116 GW per supportare le capacità di scarica, ma lo sviluppo bidirezionale completo non è conveniente; solo una parte della rete richiede aggiornamenti V2G.
• Valore di Mercato V2G: Sebbene i risparmi sui costi di sistema derivanti dal V2G siano marginali, esso genera consistenti ricavi nel mercato del bilanciamento fino a 6,4 miliardi di € anno⁻¹. Per i proprietari di EV, questi ricavi compensano ampiamente i maggiori costi elettrici associati all'operatività V2G, risultando in prezzi di ricarica medi di 41–59 € MWh⁻¹ rispetto agli 84–111 € MWh⁻¹ degli scenari non controllati.
• Determinanti dello Sviluppo V2G: Lo sviluppo ottimale del V2G è guidato principalmente dalla prevalenza della generazione fotovoltaica (PV) e dalla limitata espansione della rete. Il V2G è più conveniente in sistemi dominati dal PV dove i grandi spread di prezzo intraday creano opportunità di arbitraggio. Nei sistemi con abbondanti risorse eoliche o idroelettriche, o dove l'espansione della rete è non vincolata, l'utilizzo del V2G è limitato o inesistente.
• Variabilità per Paese: I requisiti di ricarica variano significamente tra i paesi, da 0,17 a 2,81 kW per veicolo. I paesi con sistemi dominati da vento/idroelettrico (es. Norvegia, Regno Unito) richiedono meno capacità (<0,5 kW/veicolo) a causa del valore economico limitato dello spostamento del carico, mentre i paesi ricchi di PV beneficiano maggiormente della flessibilità.
• Spostamento dello Stoccaggio: La ricarica intelligente (V1G e V2G) riduce significativamente la necessità di batterie di stoccaggio stazionarie. Negli scenari con trasmissione limitata e ricarica non controllata, i requisiti di stoccaggio raggiungono gli 874 GWh, scendendo a zero quando vengono abilitati la ricarica intelligente e l'espansione della rete.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che gli obiettivi uniformi di infrastruttura di ricarica dell'UE rischiano di sovrastimare le necessità in alcune regioni e di limitare i benefici della ricarica intelligente in altre. Gli autori sostengono che:

1. Il V1G è un'Opzione "No-Regret": Il V1G dovrebbe essere prioritario poiché sblocca la maggior parte dei benefici a livello di sistema e riduce i requisiti infrastrutturali di picco.
2. Il Valore del V2G è Dipendente dal Contesto: Il V2G è economicamente attraente solo in condizioni specifiche: sistemi dominati dal PV con significativa volatilità dei prezzi intraday, flessibilità alternativa limitata o ritardo nell'espansione della rete.
3. Implicazioni Politiche: La pianificazione deve essere dinamica e allineata con le caratteristiche del sistema energetico nazionale piuttosto che basata su benchmark fissi. Lo sviluppo coordinato di V1G e V2G può ridurre i costi totali del sistema, alleviare lo stress su altre parti del sistema energetico (come le batterie stazionarie e la generazione programmabile) e limitare la necessità di espansione della trasmissione.
4. Contributo Metodologico: Rendendo endogene i costi infrastrutturali e le decisioni di investimento, lo studio fornisce una valutazione più realistica della competizione tra le modalità di ricarica, correggendo le precedenti sovrastime del potenziale V2G derivanti dall'omissione dei costi infrastrutturali.

Lo studio conclude che, sebbene il V2G offra preziosi ricavi di mercato per i proprietari di EV, il suo ruolo nella riduzione dei costi totali del sistema è secondario rispetto al V1G ed è altamente dipendente dalla specifica struttura del mix energetico nazionale.