Sistemi di gestione dell'energia e strategie di ottimizzazione per l'integrazione dei veicoli elettrici considerando gli aspetti economici e ambientali

Ongoing climate change is driving the need for rapid action with effective and long-term impacts. Among the major polluting sectors, energy used in buildings, industries, and transportation accounts for most of the world's greenhouse gas emissions. Electrification of these sectors is one of the optimal solutions for the decarbonization process by supporting the ongoing energy transition policies. Electricity generation from renewable sources and the exponential growth of the global electric vehicle market are the key to a sustainable future. However, despite their potential, they bear attention to their mutual integration in order to fully understand the real benefits from energy, economic and environmental perspectives. In addition, the possibility of two-way energy exchange through the advent of Vehicle-to-Grid (V2G) technology defines new opportunities for integration and support to the power grid. In the present work, optimized energy management and control for the integration of electric vehicles with the power grid and distributed renewable generation systems are studied. In the first part, the emission problem, electrification of transportation and definitions of some key concepts are introduced. Next, the integration of electric vehicles is studied from two different perspectives. The first, partially in collaboration with the Christian-Albrechts-Universität (CAU) in Kiel, focuses on aspects related to power electronics and low-level control, showing a comparison of different DC-DC converter (DAB) topologies, an analysis of total vehicle charging efficiency, and a simulation of an experimental V2G system for providing ancillary services. The second focuses more on the management and predictive control of energy flows for the integration of electric vehicles with microgrids, focusing on economic and environmental aspects. In particular, it shows the implementation and experimental validations of a real-time control system for a photovoltaic charging station installed at the University of Trieste, an integrated V2G system within an Alpine ski-resort, and finally, a study related to a condominium microgrid showing the benefits related to a group of jointly acting renewables self-consumers.

Il cambiamento climatico in atto ci spinge ad intervenire rapidamente con azioni efficaci e durature nel tempo. Tra i principali settori inquinanti, l'energia utilizzata negli edifici, nelle industrie e nei trasporti è causa della gran parte delle emissioni di gas serra a livello mondiale. L'elettrificazione di questi settori è una delle soluzioni ottimali per il processo di decarbonizzazione supportando le politiche della transizione energetica in corso. La produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili e la crescita esponenziale del mercato dei veicoli elettrici a livello mondiale sono la chiave per un futuro sostenibile. Tuttavia, nonostante il loro potenziale, portano l'attenzione sulla loro reciproca integrazione al fine di comprendere a fondo i reali vantaggi dal punto di vista energetico, economico ed ambientale. Inoltre, la possibilità di scambio energetico bidirezionale grazie all'avvento della tecnologia Vehicle-to-Grid (V2G) definisce nuove opportunità di integrazione e supporto alla rete elettrica. In questo lavoro, vengono studiate la gestione energetica e il controllo ottimizzato per l'integrazione dei veicoli elettrici con la rete elettrica e i sistemi di generazione rinnovabile distribuita. Nella prima parte viene introdotto il problema delle emissioni, l'elettrificazione dei trasporti e le definizioni di alcuni concetti chiave. Successivamente, l'integrazione dei veicoli elettrici viene studiata da due diversi punti di vista. Il primo, in parte in collaborazione con la Christian-Albrechts-Universität (CAU) a Kiel, si focalizza su aspetti legati all'elettronica di potenza e al controllo di basso livello, mostrando un confronto tra diverse topologie di convertitori DC-DC (DAB), un'analisi sull'efficienza totale di ricarica del veicolo e la simulazione di un sistema V2G sperimentale per la fornitura di servizi ancillari. Il secondo invece si concentra maggiormente sulla gestione ed il controllo predittivo dei flussi energetici per l'integrazione dei veicoli elettrici con microreti, focalizzando l'attenzione su aspetti economici ed ambientali. In particolare, viene mostrata l'implementazione e la validazione sperimentale di un sistema di controllo real-time per una stazione di ricarica fotovoltaica installata presso l'Università di Trieste, un sistema V2G integrato all'interno di uno ski-resort Alpino ed infine, uno studio relativo ad una microrete condominiale che mostra i vantaggi legati ad un gruppo di autoconsumatori che agiscono collettivamente.