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

Resumo Técnico: Planejamento Coordenado da Infraestrutura de Carregamento Europeia e do Sistema de Energia para a Implementação Ótima de V1G e V2G

Definição do Problema
As atuais metas europeias para a infraestrutura de carregamento de veículos elétricos (VE), como as do Regulamento de Infraestruturas de Combustíveis Alternativos (AFIR), baseiam-se em parâmetros uniformes (ex: 1,3 kW por veículo) que negligenciam o potencial de flexibilidade oferecido pelas tecnologias de carregamento inteligente (V1G) e de Veículo-para-a-Rede (V2G). Avaliações anteriores dos benefícios de V1G e V2G foram limitadas por estimativas divergentes de poupança nos custos do sistema (variando de 0% a 20%), pela dependência de pressupostos exógenos para valores de mercado e pela confusão entre custos de infraestrutura e taxas de remuneração. Além disso, muitos modelos tratam o investimento em infraestrutura como uma decisão independente, em vez de uma variável endógena, impedindo uma avaliação adequada da competição entre as estratégias de carregamento não controlado, V1G e V2G. Existe uma falta de avaliação sistemática sobre quais opções de flexibilidade proporcionam benefícios consistentes ao nível do sistema e sob quais características específicas do sistema energético essas opções são mais eficazes.

Metodologia
Os autores estendem o modelo de otimização de sistema energético Euro-Calliope, acoplado a setores, para representar explicitamente a infraestrutura de carregamento e os seus custos como variáveis de decisão endógenas. O modelo opera numa resolução temporal horária e numa resolução espacial nacional (NUTS 0) para 2050, minimizando os custos totais do sistema, incluindo a compra de veículos e o investimento em infraestrutura.

Principais características metodológicas incluem:

• Modelagem Endógena de Infraestrutura: O modelo otimiza a implementação de infraestrutura de carregamento não controlada, V1G e V2G simultaneamente, permitindo que estas compitam com base nas necessidades do sistema.
• Integração de Mobilidade: Séries temporais de tempo de conexão específicos por país são gerados utilizando uma versão adaptada do modelo de mobilidade RAMP, incorporando restrições de estado de carga (SoC) e probabilidades de conexão.
• Dimensões de Cenários: O estudo explora três dimensões:
  1. Flexibilidade de Carregamento: Não controlado, V1G (sensível ao preço) e V2G (bidirecional).
  2. Expansão da Rede: Capacidades de transmissão transfronteiriças limitadas, moderadas e não restringidas (com base nas projeções da ENTSO-E 2040).
  3. Custos de Infraestrutura: Cenários que variam de Custo-Alto a Custo-Zero.
• Representação de Veículos: Os veículos elétricos são modelados como uma combinação de tecnologias de armazenamento e conversão, com as capacidades das baterias agregadas por segmento de transporte e por país. O modelo também contabiliza powertrains alternativos (FCEVs, ICEVs) para garantir uma comparação robusta.
• Cálculo de Benefícios: Os benefícios do sistema são definidos como reduções nos custos totais do sistema energético em relação à linha de base não controlada. As receitas de V2G são derivadas da arbitragem de mercado usando as variáveis duais do modelo como proxies para os preços de eletricidade no atacado.

Principais Resultados

• Poupança de Custos do Sistema: O V1G captura a maior parte das poupanças de custos do sistema, reduzindo os custos totais do sistema energético em 19,4–42,4 mil milhões de € por ano (2,2–4,5%). Em contraste, o V2G proporciona apenas poupanças adicionais marginais, variando de zero a 2,5 mil milhões de € por ano.
• Requisitos de Infraestrutura: O V1G reduz substancialmente os requisitos de pico de carregamento, passando de 281–284 GW (não controlado) para 73–94 GW. O deployment de V2G aumenta ligeiramente as necessidades de infraestrutura para 76–116 GW para suportar capacidades de descarga, mas a implementação bidirecional total não é custo-efetiva; apenas uma parte da rede requer atualizações de V2G.
• Valor de Mercado de V2G: Embora as poupanças de custos do sistema provenientes de V2G sejam marginais, este gera receitas substanciais no mercado de equilíbrio de até 6,4 mil milhões de € por ano. Para os proprietários de VE, estas receitas compensam largamente os custos de eletricidade acrescidos associados à operação de V2G, resultando em preços médios de carregamento de 41–59 € MWh⁻¹ em comparação com 84–111 € MWh⁻¹ em cenários não controlados.
• Determinantes do Deployment de V2G: O deployment ótimo de V2G é impulsionado principalmente pela prevalência de geração fotovoltaica (PV) e pela expansão limitada da rede. O V2G é mais custo-efetivo em sistemas dominados por PV, onde grandes spreads de preços intra-diários criam oportunidades de arbitragem. Em sistemas com abundantes recursos eólicos ou hídricos, ou onde a expansão da rede não é restringida, a utilização de V2G é limitada ou inexistente.
• Variabilidade Específica por País: Os requisitos de carregamento variam significativamente entre países, indo de 0,17 a 2,81 kW por veículo. Países com sistemas dominados por eólica/hídrica (ex: Noruega, Reino Unido) requerem menos capacidade (<0,5 kW/veículo) devido ao valor económico limitado na mudança de carga, enquanto países ricos em PV beneficiam mais da flexibilidade.
• Deslocamento de Armazenamento: O carregamento inteligente (V1G e V2G) reduz significativamente a necessidade de armazenamento de baterias estacionárias. Em cenários com transmissão limitada e carregamento não controlado, os requisitos de armazenamento atingem 874 GWh, caindo para zero quando o carregamento inteligente e a expansão da rede são habilitados.

Significância e Alegações
O artigo afirma que as metas uniformes de infraestrutura de carregamento em toda a UE correm o risco de sobrestimar as necessidades em algumas regiões, enquanto limitam os benefícios do carregamento inteligente noutras. Os autores argumentam que:

1. V1G é uma Opção de "Não Arrependimento" (No-Regret): O V1G deve ser priorizado, pois desbloqueia a maioria dos benefícios ao nível do sistema e reduz os requisitos de infraestrutura de pico.
2. Valor de V2G Dependente de Contexto: O V2G é economicamente atraente apenas sob condições específicas: sistemas dominados por PV com volatilidade significativa de preços intra-diários, flexibilidade alternativa limitada ou atraso na expansão da rede.
3. Implicações Políticas: O planejamento deve ser dinâmico e alinhado com as características nacionais do sistema energético, em vez de parâmetros fixos. O deployment coordenado de V1G e V2G pode reduzir os custos totais do sistema, aliviar a pressão noutras partes do sistema energético (como baterias estacionárias e geração despachável) e limitar a necessidade de expansão adicional de transmissão.
4. Contribuição Metodológica: Ao endogenizar os custos de infraestrutura e as decisões de investimento, o estudo fornece uma avaliação mais realista da competição entre modos de carregamento, corrigindo as sobrestimações anteriores do potencial de V2G decorrentes da omissão dos custos de infraestrutura.

O estudo conclui que, embora o V2G ofereça receitas de mercado valiosas para os proprietários de VE, o seu papel na redução dos custos totais do sistema é secundário ao V1G e altamente dependente da estrutura específica do mix energético nacional.