La mobilità sta attraversando un processo di trasformazione senza precedenti. Il numero di veicoli in tutto il mondo ha superato il miliardo di unità già un decennio fa e la crescita continua. Ciò ha conseguenze significative sui cambiamenti climatici (emissioni di CO2) e sull'inquinamento atmosferico (particolato e ossidi di azoto).
L'e-mobility offre un'opportunità per un'ampia trasformazione dalla mobilità basata sui combustibili fossili alla mobilità basata sulle energie rinnovabili. Inoltre, poiché i paesi in un mondo in rapida crescita e in rapida evoluzione cercano di affrontare quello che sarà il futuro fabbisogno energetico, il raggiungimento di un trasporto sostenibile diventa un problema sempre più importante da affrontare. Fino a poco tempo, l'"ansia da autonomia" era considerato il più grande freno alla crescita del mercato dei veicoli elettrici (EV); i consumatori temono infatti di rimanere bloccati a causa delle scarse prestazioni della batteria o della mancanza di infrastrutture di ricarica.
I quadri politici nazionali e internazionali, volti a sostenere la diffusione di apparecchiature di alimentazione elettrica (EVSE), stanno ora guidando la crescita del mercato delle apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici. Paesi come la Germania, la Cina, i Paesi Bassi e la Francia, tra gli altri, sono alcune delle nazioni chiave che sviluppano le proprie infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici attraverso varie misure di sostegno politico.
Ad esempio, la Germania sta perseguendo l'obiettivo di costruire 50.000 ulteriori stazioni di ricarica rapida e standard entro la fine del 2021, organizzando una rete di stazioni di ricarica raggiungibili entro 10 minuti una dall’altra. Inoltre, entro la fine del 2023 sarà istituita una rete pubblica di ricarica rapida con 1.000 stazioni. Questa rete di ricarica ad alta velocità dovrà comprendere diversi punti di ricarica per ogni stazione, ciascuno con una potenza minima di 150 kW. Ciò rende possibili senza problemi i viaggi a lunga distanza e offrire servizi di ricarica rapida in aree densamente popolate.
Tuttavia, la realtà attuale sembra non sembra confortante. Nel quarto trimestre del 2020, l'infrastruttura di ricarica tedesca è stata provvista di circa 35.600 stazioni di ricarica. Per raggiungere questi ambiziosi obiettivi, il governo tedesco ha introdotto negli ultimi anni numerose misure per promuovere la mobilità elettrica. Queste includono, ad esempio, lo sconto sull'acquisto di veicoli elettrici, l'esenzione dal bollo auto e l'Electric Mobility Act. con il pacchetto Mobilità Elettrica del maggio 2016 si è deciso, tra l'altro, di promuovere infrastrutture di ricarica accessibili al pubblico con un volume di 300 milioni di euro. La nuova edizione del programma di finanziamento di Charging Infrastructure – per un importo di 500 milioni di euro – è stata prevista per l'inizio del 2021. Tra l'altro, i quadri politici hanno contribuito a portare le nuove registrazioni di veicoli elettrici in Germania a numeri da record. Nel 2020 sono stati immatricolati circa 194.200 veicoli elettrici a batteria (BEV), circa il triplo rispetto all'anno precedente (nel mondo, nel 2019, sono stati circa 2.320.000).
Interoperabilità
Dato che la capacità della batteria dei nuovi veicoli elettrici di classe media raggiunge i 60-80 kWh, l'ansia da autonomia sta diventando sempre meno un fattore dominante. Ma questi livelli di potenza e la citata, rapida crescita delle totali installazioni pubbliche EVSE, porteranno l'e-mobility a conquistare il mercato di massa globale solo se l'implementazione diventerà sufficientemente matura.
Ci si immagini di avvicinarsi con entusiasmo a un caricabatterie rapido in corrente continua, con la batteria dell’auto quasi scarica; si consideri il sollievo nel vedere attraverso il proprio parabrezza la palina di alimentazione libera, ma la frustrazione conseguente nel caso in cui la ricarica non si avvi per motivi invisibili o che eroghi soltanto una frazione della potenza di ricarica supportata. Come si sentirebbe il conducente del veicolo elettrico e la sua famiglia in questa situazione?
Per rendere completamente obsolete le auto con motore a combustione interna, i veicoli elettrici dovranno dotarsi di sistemi a lunga autonomia. Per questo motivo, un conducente di veicoli elettrici deve fare affidamento sul fatto che il punto di ricarica successivo sul suo percorso sia operativo e interoperabile con il suo veicolo. Potrebbe sembrare banale, ma in realtà è una situazione non facile da realizzare.
Ci si ricorda quando il Wi-Fi è stato implementato nei laptop consumer? Oggi nessuno si aspetterebbe che un nuovo dispositivo mobile abbia problemi a connettersi a qualsiasi rete Wi-Fi privata o pubblica. Ma per arrivarci, c’è stato bisogno della Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA1, nel 2002 ribattezzata WiFi Alliance), che ha sviluppato test di compatibilità dedicati e che non sono stati inclusi nello stesso standard IEEE 802.11b.
Due decenni dopo, la stessa situazione si può applicare ai veicoli elettrici e alle infrastrutture di ricarica. Sebbene la maggior parte della specifica normativa sia stata pubblicata tra il 2014 e il 2015 (vedi Figura 1), questa non conteneva i test corrispondenti su come verificare la conformità dell'implementazione. Più oltre esamineremo più da vicino il protocollo di ricarica chiamato Combined Charging System (CCS), poiché questo è lo standard de facto in Europa e nel Nord America (per riferimento: Tesla sta migrando dal proprio protocollo proprietario al CCS; Nissan ha recentemente annunciato di passare in Europa e negli Stati Uniti da CHAdeMO al CCS) e viene accettato in molti altri paesi al di fuori del Giappone e della Cina.
Nel 2021, nel bel mezzo di un'ondata di veicoli elettrici di seconda generazione introdotti da tutte le principali case automobilistiche, l'interoperabilità della ricarica non è stata ancora risolta. Ecco perché, rispetto al WiFi, un'interfaccia di ricarica CCS è molto più complessa, in quanto include l'alta tensione e il trasferimento di una notevole quantità di energia elettrica. In secondo luogo, le auto sono progettate secondo specifici standard automobilistici, mentre le infrastrutture di ricarica seguono standard elettrotecnici più generici. Di conseguenza, le specifiche tecniche per la ricarica di veicoli elettrici CC sono frammentate in più documenti della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), dell'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) e dell'Istituto tedesco per la standardizzazione (DIN). La figura 2 mostra quelli più rilevanti per quanto riguarda l'interoperabilità per la carica conduttiva CCS (è stata semplificata, ad esempio, la compatibilità meccanica dei connettori, mentre la compatibilità elettromagnetica è stata omessa).
Come si può vedere dalla figura, non è ancora stata pubblicata alcuna specifica di test di conformità relativa ai requisiti di sistema e di sicurezza di EV e di EVSE, oltre ai protocolli di comunicazione. Ciò significa, in effetti, che tutti i prodotti CCS attualmente utilizzati non potrebbero essere sottoposti a test armonizzati.
Fortunatamente, tutto ciò sta per cambiare. I principali stakeholder industriali, organizzati nell'ambito della Charging Interface Initiative e.V. (CharIN), stanno per pubblicare un programma di test di interoperabilità. Inizialmente questo si concentra sui test di conformità EVSE e consentirà agli OEM di testare i propri prodotti.
Prospettive per il prossimo futuro della e-mobility
Pur concentrandosi sugli attuali problemi dell'interoperabilità, il mercato della mobilità elettrica si sta sviluppando e si sta dotando di nuove tecnologie per raggiungere due obiettivi globali: essere sempre più adatto al consumo di massa ed essere sempre più “verde”. Questi obiettivi devono essere realizzati per fornire al guidatore di veicoli elettrici un'esperienza che sia sempre più simile – in occasione della ricarica del suo veicolo elettrico – a quella che è normalmente l’esperienza del rifornimento di carburante di veicoli con motore a combustione interna. Termini rilevanti sono, in questo caso, un facile accesso alle strutture di ricarica, una comunicazione automatizzata tra il veicolo elettrico e la stazione stessa, nonché una sessione di ricarica la più breve possibile.
Plug and charge. Ovvero, la ricarica intelligente
Attualmente, i veicoli elettrici devono essere identificati con sistemi RFID o altri mezzi quando si trovano nella stazione di ricarica di modo che i loro conducenti possano verificare e avviare una sessione di ricarica e possano organizzare il pagamento con successo. Questa procedura è soggetta a errori e non è agevole, poiché sul mercato esistono diversi mezzi di identificazione e diversi servizi di pagamento. Con Plug and Charge, specificato all'interno della serie ISO 15118, il processo d’identificazione e di pagamento sarà automatizzato in modo tale che il guidatore del veicolo elettrico dovrà solo collegare il cavo di ricarica al proprio veicolo. Per supportare tale funzione, la comunicazione di addebito e, in particolare, le informazioni sul pagamento dovranno essere crittografate garantendo uno standard di sicurezza efficace alla transazione. Inoltre, per aumentare la complessità di questo ecosistema, le informazioni di pagamento dovranno anche essere comunicate in modo sicuro ad altre parti interessate tramite l'infrastruttura di back-end.
Un secondo passaggio nell'automazione della ricarica dei veicoli elettrici è la ricarica wireless. Senza la necessità di un cavo di ricarica, il guidatore dovrà solo parcheggiare il suo veicolo e la ricarica, la comunicazione e il trasferimento di potenza verranno eseguiti automaticamente.
Quando si parla di e-mobility, le persone pensano direttamente alla mobilità “verde” come termine di neutralizzazione della CO2 e come energia fornita da fonti rinnovabili. La ricarica intelligente è un aspetto importante di questo concetto. La Smart charge descrive infatti la programmazione delle sessioni di ricarica del veicolo elettrico controllate da una gestione intelligente del carico. I criteri di programmazione sono la quantità (minima) di energia necessaria al veicolo connesso per supportare l'autonomia di guida del proprio proprietario/utente così come la minimizzazione del consumo energetico complessivo proveniente dalla rete di alimentazione. La problematica che risiede in questo bilanciamento del carico è la complessità e la serietà del controllo in relazione ai numerosi punti di ricarica collegati e alle quantità fluttuanti di energia rinnovabile come quella solare o eolica.
Tali fluttuazioni relativamente imprevedibili nelle fonti di energia rinnovabile devono essere ammortizzate, quando si pensa a periodi di tempo di elevata radiazione solare o di vento forte in contrasto con condizioni meteorologiche nuvolose e di vento calmo. Le batterie dei veicoli elettrici possono contribuire in modo significativo a tali situazioni se sono viste come sistemi di accumulo di energia. Ciò fornisce scenari come “Vehicle to Grid (V2G)" o “Vehicle to home (V2H)", in cui la batteria del veicolo elettrico funge da fonte di alimentazione per altri utilizzatori della famiglia ogni volta che le fonti di energia rinnovabile sono limitate o non possono fornire la quantità necessaria di energia. Nel caso in cui il consumo di energia sia segnalato al gestore della rete tramite un contatore intelligente e un sistema IT cloud, anche i veicoli elettrici e i loro pacchi batteria aiutano a ridurre al minimo i picchi nella produzione di energia convenzionale (così come mostrato in figura 2).
Dispositivi di connessione automatica
Per la ricarica conduttiva, il prossimo passo logico per aumentare la comodità dell'utente è eliminare la necessità di uscire dall'auto e collegare la pistola di ricarica all'auto, cosa che è particolarmente onerosa in condizioni climatiche fredde o umide. Inoltre, in caso di ricarica DC, la gestione può essere ulteriormente scomoda a causa del peso e della rigidità del cavo.
Quindi, il prossimo standard ISO 15118-20 introdurrà il supporto di dispositivi di connessione automatica (ACD) che possono essere implementati in vari modi (ad esempio un pantografo, una specifica connessione sottoscocca o un connettore convenzionale collegato da un sistema robotizzato).
Alta potenza di ricarica
Un aspetto aggiuntivo quando si confronta il rifornimento di un auto a motore endotermico con la ricarica di un veicolo elettrico, è il tempo di ricarica.
CharIN e. V. attualmente fornisce una classificazione per CCS denominata "CC CCS Power Classes", che inizia con la classe di potenza "DC5 “e termina con l’ ”HPC350", rispettivamente con una potenza massima di carica rispettivamente di 5 kW e di 350 kW. Le tensioni di carica sono specificate con un massimo di 920 volt e correnti da 500 ampere (DC). ChaoJi-1/-2, uno standard orientale (Cina e Giappone) di ricarica di nuova concezione, progettato per sostituire gli attuali standard GB / T e CHAdeMO, specifica una potenza massima di carica di 900 kW, a 1.500 volt e 600 ampere (DC).
Queste correnti di carica in corrente continua notevolmente potenziate saranno ancora gestibili grazie ai cavi di ricarica raffreddati a liquido, dato che questi sono sufficientemente leggeri e flessibili rispetto alle varianti convenzionali. Ciò, in combinazione con il raddoppio della tensione del pacco batterie, consente di ridurre drasticamente il tempo di ricarica di un rifornimento convenzionale (così come mostrato in figura 3).
Prospettive per un futuro remoto
Quando si parla dei problemi dell'e-mobility, l'attenzione è solitamente rivolta ai veicoli passeggeri con un propulsore elettrificato. Sebbene esistano molti standard di ricarica DC, nessuno è sufficiente per caricare i veicoli commerciali entro un tempo ragionevole. Per caricare un veicolo con batterie da 200-600 kWh in 20-30 minuti (tempo medio di ricarica richiesto dal cliente), è necessaria una potenza di oltre 1 MW e una corrente di oltre 1.000 ampere. Per questo motivo, l'industria dei camion e degli autobus sta cercando di creare una nuova soluzione per caricare i propri veicoli elettrici pesanti. A causa della necessità di un connettore per la ricarica di veicoli commerciali elettrici, CharIN ha avviato il gruppo di lavoro Megawatt Charging System (MCS) nel 2018 per conformarsi a un approccio di sistema olistico basato sul CCS. I requisiti tecnici attualmente in discussione presso l’MCS sono un massimo di 1.500 volt e 3.000 ampere (DC) – basati su PLC + ISO/IEC 15118 – sempre solo con un’unica presa conduttiva.
Conclusioni
In sintesi, l'e-mobility sta entrando nella fase potenzialmente più critica in termini di adozione di massa, quindi l'infrastruttura di ricarica è un fattore chiave. Grazie alle politiche governative e agli enormi investimenti affrontati, il numero totale di punti di ricarica, comprese le stazioni di ricarica ad alta potenza di grande capacità ideali per i viaggi a lunga distanza, aumenterà in modo massiccio entro il 2025. Le nuove funzionalità intelligenti trasformeranno e attività di ricarica, al momento non agevoli, in un'esperienza altamente automatizzata, di gran lunga preferibile a quella delle stazioni di servizio tradizionali. Ma per arrivarci, dobbiamo raccogliere una sfida invisibile ma decisiva. L'industria e gli organismi di standardizzazione stanno lottando per integrare tutte queste nuove funzionalità avanzate per la ricarica intelligente nelle norme e nelle specifiche ufficiali, pur mantenendo la compatibilità con i prodotti già distribuiti.
