Impianti di carica per i veicoli elettrici (Prima parte)

Impianti di carica per i veicoli elettrici  (Prima parte)    Prospettive e vincoli normativi    Tra le priorità europee in relazione al piano di ripresa economica, i veicoli elettrici o meglio  il  trasporto  elettrico  hanno  un  ruolo  di  primo  piano  e,  in  questo  contesto,  anche  la  filiera  legata agli impianti elettrici BT costituisce un elemento cruciale.  Uno dei presupposti principali per l’accettazione da parte dell’utente e del mercato, infatti,  è la disponibilità di una capillare infrastruttura di carica tanto pubblica, quanto privata, che  in  ultima  analisi  afferisce  agli  impianti  utente  di  bassa  tensione  oggetto  della  Norma  CEI  64-8.  Le Norme per le infrastrutture ruotano attorno a tre elementi principali:  - sicurezza;  - unificazione;  - prestazioni.    La sicurezza è ovviamente un fattore fondamentale per ogni sistema di carica, soprattutto  tenendo conto che la carica avviene anche su strada e coinvolge persone comuni, ovvero  senza particolari competenze elettriche. A livello internazionale, anche per ovvi interessi di  mercato, esistono opinioni divergenti in modo significativo sull’opportunità di permettere la  carica dei veicoli elettrici da prese a spina dedicate o meno. In questo contesto, il rapporto  con le leggi e le Norme nazionali costituisce un primo importate aspetto.  L’unificazione  favorisce  l’adozione  di  accessori  comuni  (spine,  prese  e  connettori).  Le  differenze regionali in materia di Norme di sicurezza e di distribuzione di energia elettrica  hanno portato allo sviluppo di diverse soluzioni possibili.  Ne l  contesto  in  esame  le  prestazioni  sono  principalmente  legate  all’ottimizzazione  della  carica,  anche  in  relazione  alle  smart  grid,  consentendo,  ad  esempio,  la  selezione  della  corrente di carica in funzione della capacità di rete o la contro alimentazione della rete da  parte  del  veicolo  quando  fosse  richiesto,  per  esempio,  in  condizioni  di  emergenza,  così  come la fatturazione dell’energia prelevata per la carica.  Questo  articolo  cerca  di  fare  ordine  per  quanto  di  interesse  per  progettisti  e  installatori  elettrici in questo senso, anche in relazione ai documenti legislativi e normativi attualmente  disponibili. 

  Disposizioni legislative per le infrastrutture di carica  Per  facilitare  lo  sviluppo  di  una  rete  di  carica  per  i  veicoli  elettrici  e,  quindi,  incentivare  anche il decollo della mobilità elettrica sono attualmente vigenti in Italia alcune disposizioni  legislative. Alle principali, valide sul territorio nazionale, si aggiungono alcune disposizioni  regionali.    ARG/elt 199/11  Ai  sensi  dell’Allegato  C  TIC,  Articolo  5,  dell’ARG/elt  199/11:  “Disposizioni  dell’AAEG  per  l’erogazione dei servizi di trasmissione, distribuzione e misura dell’energia elettrica per il  periodo  di  regolazione  2012-2015  e  disposizioni  in  materia  di  condizioni  economiche  per  l’erogazione del servizio di connessione”, in deroga:  -  al  POD  (Punto  di  prelievo)  unico  può  essere  previsto  un  ulteriore  POD  destinato  esclusivamente all’alimentazione privata di veicoli elettrici;  -  all’impiego del 2° POD per uso esclusivo per pompa calore si possono alimentare anche  infrastrutture di carica privata per veicoli elettrici.    Legge 7 agosto 2012, n. 134  Il Capo IV bis, comma 1, articolo 17 quinquies, della Legge 7 agosto 2012, n. 134 (D.L. 22  giugno 2012, n. 83): “Disposizioni per favorire lo sviluppo della mobilità mediante veicoli a  basse emissioni complessive”, recita: «Al comma 2 dell’articolo 4 del TU di cui al DPR 6  giugno  2001,  n.  380,  sono  premessi  i  seguenti:  1  ter.  Entro  il  1°  giugno  2014,  i  Comuni  adeguano il regolamento di cui al comma 1 prevedendo con decorrenza dalla medesima  data  che  ai  fini  del  conseguimento  del  titolo  abitativo  edilizio  sia  obbligatoriamente  prevista,  per  gli  edifici  di  nuova  costruzione  ad  uso  diverso  da  quello  residenziale  con  superficie  utile  superiore  a  500  m 2   e  per  i  relativi  interventi  di  ristrutturazione  edilizia,  l’installazione  di  infrastrutture  elettriche  per  la  ricarica  dei  veicoli  idonee  a  permettere  la  connessione  di  una  vettura  da  ciascuno  spazio  a  parcheggio  coperto  o  scoperto  e  da  ciascun box per auto, siano essi pertinenziali o no, in conformità alle disposizioni edilizie di  dettaglio fissate nel regolamento stesso...».  La  stessa  legge  prevede  che  in  un  condominio  le  opere  edilizie  per  l’installazione  delle  infrastrutture di ricarica elettrica dei veicoli sian o comunicate all’assemblea di condominio,  che, tuttavia, non le può impedire.   

DPR 39/1953 e Legge 388/2000  In Italia, fin dal 1953 (DPR 39/1953) è stata prevista l’esenzione quinquennale dalla tassa  di possesso per gli autoveicoli elettrici e, a partire dal 2001, la stessa è stata estesa dalla  legge finanziaria 388/2000 a motocicli e ciclomotori a due, tre e quattro ruote.  Alla scadenza del quinto anno dalla data d’immatricolazione, l’importo della tassa risulta:  -  ridotto ad un quarto rispetto all’importo corrispondente per gli autoveicoli;  - intero per motocicli e ciclomotori.    In alcune regioni (Lombardia e Piemonte), l’esenzione è, invece, estesa a tutta la vita del  veicolo.    Direttiva EU Carburanti alternativi  Per  ridurre  l’importante  dipendenza  dei  trasporti  europei  dal  petrolio  d’importazione,  lo  scorso 15 aprile, a Strasburgo, il Parlamento europeo ha votato la cosiddetta Direttiva per  lo  sviluppo  dell’infrastruttura  dei  carburanti  alternativi,  un  provvedimento  che  punta  a  incentivare  stazioni  di  carica  per  veicoli  elettrici,  distributori  di  metano  e,  in  misura  per  la  verità minore, d’idrogeno.  La Direttiva prevede che i Paesi Membri si dotino di piani strategici nazionali in materia di  carburanti  alternativi  entro  24  mesi  dall’entrata  in  vigore  del  testo,  probabilmente  a  settembre.  I  settori  in  cui  si  fissano  obiettivi  sono  diversi  e  riguardano  anche  ambiti  non  strettamente  legati  alle  auto,  come  quello  del  gas  naturale  liquefatto  per  le  navi  e  per  i  mezzi pesanti.  Sul fronte delle stazioni elettriche di carica, gli orizzonti temporali sono due:  -  entro il 2020, la Direttiva prevede “la copertura dei nodi urbani e suburbani”;  - entro il 2025, per i corridoi europei (ad esempio, le autostrade).    I punti verranno definiti dai singoli Paesi in base alle previsioni sulla diffusione delle vetture  elettriche.  La  Direttiva  affronta  anche  le  specifiche  tecniche  delle  colonnine:  carica  lenta  con prese di Tipo 2 e carica rapida Combo 2. Il testo europeo, pur non prevedendo azioni  specifiche,  considera,  inoltre,  tecnologie  come  la  ricarica  wireless  e  lo  scambio  delle  batterie.    Norme tecniche per le infrastrutture di carica 

Le Norme tecniche applicabili alle infrastrutture di ricarica sono numerose, in evoluzione e  di matrice non solo elettrica. Le principali possono essere compendiate come segue:  1) Spine, prese fisse, connettori mobili e fissi per veicoli  -  CEI  EN  62196-1:  Spine,  prese  fisse,  connettori  mobili  e  fissi  per  veicoli  -  Carica  conduttiva dei veicoli elettrici. Parte 1: Requisiti generali;  -  CEI  EN  62196-2:  Spine,  prese  fisse,  connettori  mobili  e  fissi  per  veicoli  -  Carica  conduttiva  dei  veicoli  elettrici.  Parte  2:  Compatibilità  dimensionale  e  requisiti  di  intercambiabilità di attacchi a spina e alveoli per corrente alternata;  -  CEI  EN  62196-3:  Ancora  allo  studio,  interesserà:  Compatibilità  dimensionale  e  requisiti di intercambiabilità dei connettori per corrente continua.    2) Comunicazione  -  Serie CEI EN 61850: Reti e sistemi di comunicazione per l’automazione nell’ambito  dei sistemi elettrici;  - Altre norme di matrice non elettrica come ISO 15118, SAE J2847, SAE J2836, SAE  J2293-2.    3) Topologia  -  IEC  61851-1:  Sistema  di  ricarica  conduttiva  dei  veicoli  elettrici.  Parte  1:  Prescrizioni  generali;  -  IEC  61851-21:  Ricarica  conduttiva  dei  veicoli  elettrici.  Parte  21:  Requisiti  dei  veicoli  elettrici per il loro collegamento conduttivo all’alimentazione in c.a. o in c.c.;  - IEC 61851-22: Ricarica conduttiva dei veicoli elettrici. Parte 22: Stazioni di ricarica in  c.a. per veicoli elettrici.    4) Sicurezza  -  CEI  64-8,  Sezione  722  (IEC  60364  722  HD  60364):  Impianti  elettrici  utilizzatori  a  tensione nominale non superiore a 1.000 V in corrente alternata e a 1.500 V in corrente  continua;  - CEI EN 60529: Gradi di protezione degli involucri (Codice IP);  - Altre norme di matrice non elettrica come ISO 6469-1..-2..-3 e SAE J1763.    Autori:  Angelo Baggini [email protected] 

Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Bergamo   Franco Bua [email protected] ECD Engineering Consulting and Design, PAVIA    Box    Veicoli elettrici    Per quanto il veicolo elettrico stia all’impianto elettrico (di carica) come un qualsiasi altro  carico  (volendo  escludere,  per  ora,  in  accordo  alla  Norma  CEI  0-21  la  possibilità  di  utilizzarlo come accumulo), trattandosi di un utilizzatore piuttosto nuovo può valere la pena  fare un po’ di ordine anche in questo senso.  Ai  veicoli  elettrici  (EV)  propriamente  detti,  nei  quali  l’energia  per  la  carica  della  batteria  proviene dalla rete elettrica, si contrappongono i veicoli ibridi convenzionali (1) .    Veicoli ibridi Range-Extended e Plug-in  Per risolvere il principale limite dei veicoli elettrici puri legato all’autonomia limitata, anche  se  non  mancano  proiezioni  che  promettono  importanti  progressi  delle  batterie  entro  il  prossimo  ventennio,  accanto  ai  veicoli  a  batteria  stanno  comparendo  sul  mercato  veicoli  ibridi “range-extended” e “plug-in”.  I veicoli ibridi Range-Extended (REEV) sono veicoli ibridi con due motori (endotermico, di  ricarica, ed elettrico, di trazione). La batteria, normalmente dimen sionata per un’autonomia  attorno al centinaio di chilometri, è caricabile dalla rete elettrica, ma, una volta scaricata in  viaggio, anche da un gruppo generatore trascinato dal motore endotermico di bordo.  La  carica  da  rete  elettrica  assicura,  almeno  per  le  tratte  a  emissioni  zero,  tutti  i  vantaggi  dei  veicoli  elettrici  puri,  pur  mantenendo  la  possibilità  di  lunghi  percorsi  attraverso  la  motorizzazione endotermica.  Il veicolo si muove, quindi, con il motore elettrico ma:  - opera oltre il limite di autonomia base attraverso il carburante di bordo;  -  le  minori  emissioni  e  il  maggior  rendimento  rispetto  ai  veicolo  puramente  endotermico  convenzionale derivano dal fatto che il motore del REEV lavora a regime costante.    I  veicoli  ibridi  Plug-in  (PHE  V)  sono  veicoli  con  doppia  motorizzazione,  elettrica  ed  endotermica,  adibita  alla  propulsione  e  connessa  alle  ruote  motrici  e  la  cui  batteria, 

normalmente  dimensionata  per  un’autonomia  di  poche  decine  di  chilometri,  può  essere  ricaricata dalla rete elettrica.  Una volta scaricata la batteria o non appena raggiunto un livello di carica minimo (30÷40%  del  contenuto  energetico  della  batteria),  il  veicolo  entra  in  un  funzionamento  ibrido,  analogo a quello dei veicoli ibridi tradizionali non ricaricabili da rete.    Veicoli bimodali  I  veicoli  bimodali  (elettrico  endotermico)  sono  veicoli  provvisti  di  due  motorizzazioni  del  tutto indipendenti:  - elettrica, alimentata a batteria e ricaricabile dalla rete elettrica;  -  endotermica,  utilizzabile  in  alternativa  a  quella  elettrica  per  consentire  percorrenze  elevate.    Veicoli elettrici a batteria  I veicoli elettrici a batteria (BEV) hanno la sola motorizzazione elettrica, alimentata da una  batteria  caricabile  esclusivamente  dalla  rete  elettrica.  L’autonomia  allo  stato  dell’arte  è  compresa tra poco più di 100 km e, in qualche caso, alcune centinaia di chilometri.    Veicoli Fuel-cell a idrogeno  I veicoli Fuel-cell a idrogeno (FCEV) sono veicoli con motorizzazione elettrica nei quali la  sorgente di energia elettrica, però, è costituita da una cella a combustibile, invece che da  una batteria. La cella a combustibile viene a sua volta alimentata da idrogeno, stoccato in  bombole  ad  alta  pressione  o  in  sistemi  fisico/chimici.  I  veicoli  Fuel-cell  a  idrogeno  non  hanno bisogno di essere caricati dalla rete e, quindi, di stazioni elettriche di carica.  L’autonomia  dipende  dal  dimensionamento  del  serbatoio  di  idrogeno.  Lo  svantaggio  principale è che occorre sviluppare un’apposita rete di distribuzione dell’idrogeno.  A onor del vero deve essere osservato c he il rendimento dell’intera catena energetica dei  FCEV  (dalla  fonte  primaria  alla  produzione  e  stoccaggio  dell’idrogeno,  fino  alla  propulsione) è assai inferiore a quello della catena energetica dei BEV. Ad esempio, se la  fonte  primaria  fosse  il  fotovoltaico  e  la  produzione  di  idrogeno  avvenisse  per  elettrolisi  dell’acqua, il consumo di energia primaria (Wh/km) del FCEV sarebbe circa doppio rispetto  a quello del BEV; in altre parole, occorrerebbe un campo fotovoltaico di dimensioni doppie  a parità di percorrenza resa.   

Nota:  1)  Le  vetture  ibride,  provviste  di  una  motorizzazione  termica  assistita  da  un’altra  elettrica  che  lavorano  in  modo  complementare,  sono  già  abbastanza  comuni  nel  mercato  dell’auto,  ma  nonostante la presenza di un motore/generatore elettrico e di una piccola batteria, non sono veicoli  elettrici in senso stretto. Analogamente a quanto avviene per i veicoli endotermici, infatti, in questo  genere  di  veicoli  tutta  l’energia  per  la  propulsione  proviene  in  ultima  analisi  dal  serbatoio  di  combust ibile e l’autonomia in funzionamento puramente elettrico è limitata a pochissimi chilometri.  Anche se nei veicoli ibridi il regime del motore endotermico può essere gestito in modo da ottenere  il massimo rendimento e le minori emissioni (inferiori ad almeno il 20% rispetto a quelle della sola  motorizzazione  termica),  i  principali  vantaggi  energetici  ed  ambientali  legati  alla  mobilità  elettrica  derivano in gran parte dall’elevata efficienza energetica degli impianti di generazione, anche se in  parte alimentati da fonti fossili.