Riassunto analitico
La crescente preoccupazione per le questioni ambientali sta portando molti paesi ad adottare misure che consentano un uso più razionale dell'energia al fine di garantire un futuro più sostenibile. Il miglioramento dell'efficienza dei sistemi coinvolti e l'utilizzo di fonti rinnovabili sono alcuni punti su cui lavorare per ridurre le emissioni di gas serra di origine antropica, la causa principale dei cambiamenti climatici. A questo proposito, il settore elettrico è una delle più importanti fonti di emissioni nocive nell'atmosfera, seguiti dal settore dei trasporti. Questa affermazione si basa sul dato oggettivo che vede la forte dipendenza di questi settori dai combustibili fossili, in particolare petrolio e suoi derivati. Ecco perché la mobilità elettrica attira l'attenzione di gruppi di ricerca, di aziende e delle amministrazioni pubbliche, sia a livello locale che a livello nazionale, che considerano l’argomento sempre più di importanza strategica anche al fine di affrontare le conseguenze negative derivanti dal consumo di energia elettrica. È chiaro che l'inclusione dei veicoli elettrici influenzerà fortemente il funzionamento, la gestione e la pianificazione dei sistemi elettrici attuali. In una fase iniziale, ossia quando la diffusione dei veicoli elettrici non è rilevante, non saranno necessarie misure speciali. Tuttavia, in futuro con migliaia di veicoli in funzione, una cattiva gestione del sistema di ricarica può portare alla congestione del sistema o alla violazione dei limiti di energia disponibile. Inoltre, l’aggiornamento dei sistemi elettrici attuali, della tecnologie di comunicazione dei dati e l´uso di migliori e piú appropriati sistemi di accumulo dell´energia, così come la presenza di più fonti rinnovabili, sono materia di studio multidisciplinare e complessa ma di sicuro interesse per una adeguata integrazione dei veicoli elettrici nel contesto. In breve, i sistemi elettrici, cosi come i veicoli elettrici, devono incorporare più intelligenza e divenire più sostenibili, efficienti e sicuri, in altre parole, devono tendere al concetto di smart grid. In questa tesi si affrontano i punti importanti riguardo a una soddisfacente integrazione dei veicoli elettrici nelle future reti elettriche. Si approfondiscono essenzialmente tre aspetti, vale a dire la gestione della domanda, la valutazione dei problemi tecnici e il ruolo dell’energy hub. La gestione della domanda si riferisce a specifiche strategie che cercano di cambiare i modelli di consumo attuali ad altri comportamenti che consentono un funzionamento più efficiente del sistema elettrico. Al fine di fornire una soluzione ai problemi tecnici più comuni, in questa tesi verranno presi in considerazione due strumenti utili alla minimizzazione dei medesimi. Entrambi gli approcci proposti consentono di evitare problemi di congestione della linea in modo efficace in determinate situazioni. In particolare, la ricarica di veicoli elettrici effettuata in ben precisi nodi della rete si propone come un modo possibile per mantenere il sistema in uno stato di sicurezza. Infine, una particolare strategia è impostata per consentire all’hub di veicoli elettrici di massimizzare i suoi benefici riconducibili essenzialmente nella gestione della carica/ scarica dei veicoli connessi in funzione dei momenti di maggior vantaggio in termini economici. Come conseguenza di quanto esposto i conducenti di veicoli elettrici soddisferanno le loro esigenze di mobilità e ridurranno il costo di ricarica delle batterie. In tal modo, la carica avrà luogo durante le ore notturne o comunque durante momenti vantaggiosi quando i costi sono in genere inferiori, mentre lo scarica sarà effettuata quando i picchi di domanda la rendono più remunerativa. Tale strategia consente ai soggetti aggregatori (hub) di avere un utile strumento a loro disposizione per partecipare a mercati dell'energia elettrica.
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Abstract
Nowadays, the growing concern about environmental issues is leading many countries to take measures that allow a more rational energy usage and for a more sustainable future. The improvement on systems efficiency and the use of renewable sources are some points to work on to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions, the main cause of climate change. In this respect, the electric sector is one of the most important sources of harmful emissions in the atmosphere, followed by the transportation sector. This statement is justified if the strong dependency of these sectors on fossil fuels, specifically petrol and its derivatives, is taken into account. That is why electric mobility is drawing the attention of companies, countries and research groups, as an important measure to face the negative consequences derived from the current energy usage.
It is clear that the inclusion of electric vehicles will strongly affect the operation, management and planning of current electric power systems. Firstly, an additional load will
have to be considered, the electric vehicles' charging. In an initial stage, when the deployment of electric vehicles is not significant, special measures will not be required. However, in the future with thousands of vehicles in operation, a bad electric vehicle management can lead to line congestion or voltage limits violation. Moreover, an update of the current electric power systems regarding more advanced information and communication technologies, better metering devices, an appropriate charging and discharging infrastructure, as well as the presence of more renewable sources are required for the suitable integration of electric vehicles. In brief, electric systems have to incorporate more intelligence and be more sustainable, efficient and secure, in other words, they have to tend to the smart grid concept.
Thus, this thesis is intended to cover relevant points regarding a satisfactory integration of electric vehicles in the future electric grids. It deals with three aspects, namely demand-side management, technical problems' corrections and the role of a new entity managing electric vehicles, the aggregator. Demand-side management refers to specific strategies intended to change current consumption patterns towards other behaviors that allow a more efficient operation of the power system. The result is a flatter demand curve that allows makes the most of the existing infrastructure and available generation resources, postponing ulterior reinforcements. From the consumer point of view, the energy costs are reduced. In the absence of corrective measures, the presence of electric vehicles will cause technical problems in the electricity system. In order to provide a solution for the most common technical problems, two tools are developed in this thesis: a centralized approach that dispatches the generators within the grid, and an algorithm that makes use of electric vehicles. Both approaches permit the avoidance of line congestion problems effectively in certain situations. In particular, the electric vehicle charging or power injection in specific buses in the grid is proposed as way to lead the system to a secure state. Finally, a particular strategy is set to allow an electric vehicle aggregator to maximize its benefits, managing electric vehicle charging and discharging. As a consequence of its application, electric vehicle drivers satisfy their mobility requirements and reduce the cost of charging the batteries. Thus, the charging will take place during night hours when the costs are typically lower while the discharging will be performed at the demand peaks. Such a strategy allows aggregators to have useful tool at their disposal to participate in electricity markets. Its application is illustrated through a market-clearing algorithm in which along with the traditional agents present nowadays in the electricity markets, the introduction of aggregator agents is also taken into account.
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