IT201800011106A1 - Stazione di ricarica pubblica e privata per veicoli elettrici e veicoli ibridi plug-in - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Stazione di ricarica pubblica e privata per veicoli elettrici e veicoli ibridi plug-in”

La presente invenzione ha per oggetto una stazione di ricarica per veicoli elettrici e una stazione di rifornimento per veicoli alimentati a gas comprendente una o più stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

Per veicolo elettrico si intende un qualsiasi tipo di mezzo di trasporto, come ad esempio veicoli commerciali, automobili o ciclomotori, funzionante con un sistema a propulsione elettrica o ibrida.

Tali sistemi a propulsione elettrica sono alimentati mediante batterie ricaricabili. In altre parole, quando la carica di tali batterie si esaurisce, è possibile, tramite appositi sistemi di ricarica, ristabilirla applicandovi un’adeguata energia elettrica per un determinato periodo di tempo.

Con il diffondersi dei veicoli elettrici e dei veicoli ibridi del tipo plug-in, è nata l’esigenza di creare una rete di colonnine o stazioni di ricarica diffusa sul territorio, al fine di garantire la possibilità di rifornimento di energia elettrica durante la sosta delle auto in modo tale da poterne aumentare il raggio d’azione.

Le colonnine di ricarica di tipo noto comprendono in sostanza un armadio che deve essere installato in un punto servito opportunamente dalla rete elettrica.

Attualmente, la ricarica dei veicoli elettrici si basa sostanzialmente su due tipi di stazioni di ricarica.

Un primo tipo di stazione è del tipo a “ricarica lenta”, con un tempo di ricarica del veicolo elettrico compreso tra le 8 e le 12 ore. In generale la ricarica lenta è del tipo a corrente alternata ed il costo di tale stazione di ricarica è relativamente basso.

Una seconda tipologia di stazione è detta a “ricarica veloce”, con un tempo di ricarica della durata di 20 - 30 minuti. In tal caso, la ricarica sarà a corrente continua (“DC”) ed il costo di tale unità di ricarica è relativamente elevato a causa delle periferiche ausiliarie e della complessità delle installazioni.

Vi è quindi la necessità di un'interconnessione alla rete di distribuzione elettrica con una capacità di erogazione di potenza elevata che oggi non è disponibile o che risulti essere economicamente conveniente nella maggior parte dei casi.

La maggior parte delle stazioni di ricarica attuali sono del tipo a ricarica lenta, situate presso i locali del proprietario dell'auto, nel 2016 più del 95% di questi punti di ricarica erano presenti in abitazioni private.

Le stazioni di ricarica rapida sono solitamente pubbliche, semipubbliche o commerciali.

L’autonomia (o “driving range”) è un fattore combinato dato dalla capacità della batteria e dalla distribuzione della rete di ricarica. In tal modo, la diffusione dei veicoli elettrici (“EV”, Electric Vehicles) è soggetta alla distribuzione di una rete di stazioni di ricarica, principalmente del tipo a ricarica veloce.

La ricarica dei veicoli elettrici può essere anche effettuata a casa mediante unità di ricarica domestica. La maggior parte dei proprietari di auto elettriche o ibride ricarica il proprio veicolo elettrico nel proprio parcheggio, per tale motivo, insieme all'acquisto di veicoli elettrici, installano un'unità di ricarica lenta per la casa. Questo metodo di ricarica lenta avviene quindi nelle abitazioni, solitamente durante la notte.

La deregolamentazione attuale del settore della produzione di energia elettrica e gas naturale ha portato all'introduzione di una serie di nuove tecnologie per la produzione distribuita di energia elettrica. Ad esempio, sono note unità di produzione di energia elettrica economiche e autonome basate su piccoli motori a turbina a gas. Queste "microturbine" hanno una potenza da 30 a 500 kW. Le unità più piccole vengono fornite in un armadio delle dimensioni di un grande forno domestico.

La microturbina a gas sta rapidamente attirando l'attenzione come fonte di energia in grado di generare fino a circa 500kW e di essere più piccola e leggera di altri motori a gas. Il suo design compatto lo rende ideale anche per gli impianti di cogenerazione, la sua semplicità e il numero limitato di componenti ne facilita la manutenzione e l'assistenza.

Le stazioni di ricarica di tipo noto, benché ampiamente apprezzate non sono esenti da difetti. Innanzitutto esse sono caratterizzate da difficoltà infrastrutturali come la presenza di cavi elettrici di sufficiente portata per poter essere utilizzati per la ricarica rapida necessaria per ricaricare i veicoli elettrici.

Inoltre, le installazioni di stazioni di ricarica di tipo noto sono poco flessibili in quanto a potenza di ricarica erogata e non riescono a tenere il passo della continua evoluzione delle potenze di ricarica rapida necessarie a ricaricare i veicoli elettrici attualmente in commercio (dai 50kW iniziali DC si è passati ai 350kW).

Altro inconveniente delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici noti è la necessità dell’obbligo per i gestori delle colonnine di pagare un impegno di potenza anche se la potenza elettrica erogata/consumo è poi pari a zero (per mancanza di veicoli elettrici).

Tutto questo chiaramente non incentiva la nascita di un’infrastruttura sostenibile, soprattutto con il numero di veicoli elettrici ed ibridi attualmente in circolazione sul territorio.

La presenza di una valida rete di stazioni di ricarica diffusa sul territorio, incentiverebbe notevolmente la diffusione dei veicoli elettrici ed ibridi, contribuendo all’abbattimento di gas inquinanti nell’ambiente.

L’Italia è dotata di una grande infrastruttura di ricarica per il gas compresso, tra l’altro in questo momento fortemente spinto da vari operatori del settore con l’introduzione anche del biometano. L’Italia è anche il primo mercato per il gas liquido, utilizzato per i veicoli commerciali e quindi in grado di sopperire le necessità di gas anche in luoghi non coperti dall’infrastruttura di rete.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di superare gli inconvenienti evidenziati sopra in relazione alla tecnica nota.

In particolare, un compito della presente invenzione è quello di rendere disponibile una colonnina di ricarica per veicoli elettrici ed ibridi, senza dover sostenere gli ingenti costi per la fornitura di potenze elettriche adeguate da parte dei distributori di energia elettrica.

Inoltre, un compito della presente invenzione è quello di rendere disponibile una colonnina di ricarica, che sia flessibile ed in grado di far fronte all’aumento delle richieste di ricariche data dal corrispondente diffusione di veicoli elettrici ed ibridi sul territorio ed anche e soprattutto alla crescente richiesta di potenze di ricarica rapida più elevate.

Altro compito della presente invenzione è quello di rendere disponibile una colonnina di ricarica che consenta una facile installazione e manutenzione. Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di essere in grado di fornire di calore e/o raffreddamento a piccoli uffici o stazioni di rifornimento.

Altro scopo della presente invenzione è quello di poter comprimere gas metano all’interno di una stazione di rifornimento di gas per veicoli terrestri.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quella di essere indipendente dal luogo di installazione e presentare una facilità di rilocazione della stessa qualora le necessità locali dovessero variare.

Tale scopo e tali compiti vengono raggiunti mediante una stazione di ricarica per veicoli elettrici in accordo con la rivendicazione 1.

Aspetti vantaggiosi sono descritti nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 11. Questi ed altri scopi sono inoltre raggiunti da una stazione di rifornimento per veicoli alimentati a gas, secondo quanto descritto nella rivendicazione 12.

L’invenzione consegue una pluralità di effetti tecnici:

- capacità di erogazione di energia elettrica illimitata per la ricarica dei veicoli elettrici al costo di acquisto dell'unità di ricarica;

- design modulare e flessibile che consente di aumentare il numero di unità di ricarica a seconda delle necessità ed aumentare la potenza di erogazione;

- nessuna dipendenza dalla capacità della rete di distribuzione elettrica; - possibilità di utilizzo della rete elettrica come backup delle unità di ricarica locali;

- utilizzo del calore residuo generato per riscaldare acqua, generare vapore o raffreddare l'aria condizionata per gli uffici e i servizi commerciali adiacenti alla stazione di gas/ricarica. In tal modo, gli uffici/locali commerciali della stazione di ricarica che ospita le colonnine di ricarica può godere di una tariffa più bassa per l'elettricità e l'aria condizionata rispetto alle normali tariffe;

- possibilità di utilizzare la capacità di accumulo di energia per la gestione anticipata della rete, per aumentare la fornitura di energia al momento del prelievo di ricarica e ridurre al minimo il tempo di ricarica (bilanciamento della rete locale in ottica smart-grid).

La figura 1 mostra schematicamente una stazione di ricarica secondo la presente invenzione.

L’invenzione descrive una stazione di ricarica per veicoli elettrici o ibridi comprendente una microturbina o un motore alimentati a gas configurati per convertire gas compresso in energia elettrica; un punto di erogazione di gas configurato per alimentare la microturbina o il motore a gas ed una unità di ricarica o colonnina comprendente almeno una presa di ricarica a cui è collegabile un veicolo elettrico in modo da eseguire un servizio di ricarica.

In particolare, la figura 1 mostra una stazione di ricarica 1 per veicoli elettrici o ibridi di tipo plug-in, secondo l’invenzione.

Secondo l’invenzione, la stazione di ricarica 1 comprende una microturbina o motore alimentati a gas 3 configurati per convertire gas compresso in energia elettrica.

La microturbina o motore a gas 3 vengono alimentati da un punto di erogazione di gas compresso o gas immagazzinato in forma liquida (serbatoio criogenico) 2.

La stazione di ricarica comprende anche una unità di ricarica o colonnina comprendente almeno una presa di ricarica a cui è collegabile un veicolo elettrico o ibrido in modo tale da poter eseguire un servizio di ricarica sfruttando l’energia elettrica prodotta dalla microturbina o motore a gas 3. Preferibilmente, la microturbina o motore a gas 3 sono installati all’interno di una stazione di servizio di erogazione di combustibili fossili, ad esempio, gas metano compresso ma possono anche facimente essere posizionati in altre utenze come centri commerciali.

L’effetto tecnico conseguito dal generare energia elettrica per ricaricare i veicoli elettrici mediante una microturbina o motore a gas è dato dal fatto che sfruttando il gas compresso o liquido presente, ad esempio in una stazione di ricarica per veicoli a gas esistente sul territorio, si riesce a far fronte alla necessità di ricaricare i veicoli elettrici senza dover collegarsi alla rete di distribuzione di energia elettrica. In tal modo si riesce a far fronte a livelli medio/bassi di richieste di ricarica elettrica giornaliera e a far fronte alle esigenze di ricarica da parte di un parco veicoli terrestri elettrici basso.

Secondo l’invenzione, la presa di ricarica può anche essere collegata alla rete di distribuzione elettrica 12. Ad esempio, nel caso in cui la richiesta di ricariche elettriche giornaliere dovesse aumentare, è possibile collegare la presa di ricarica elettrica mediante allacciamento alla rete di distribuzione di energia elettrica 12.

In tal modo, si consegue un effetto tecnico di notevole flessibilità nell’erogazione di ricariche elettriche per veicoli terrestri, potendo in tal modo far fronte alla previsione di crescita, anche esponenziale, nella diffusione ed utilizzazione di veicoli elettrici ed ibridi sul territorio.

Secondo l’invenzione, la stazione di ricarica 1 comprende una batteria ricaricabile 4, alimentabile dall’energia elettrica generata dalla microturbina a gas 3 e/o dalla rete di distribuzione elettrica 12, collegata alla presa di ricarica. In tal modo, la batteria ricaricabile 4 viene ricaricata quando il livello di ricarica residua scenda sotto un certo livello preimpostato.

Vantaggiosamente, la stazione di ricarica 1 comprende un’unità di recupero del calore 6 configurata per rendere disponibile il calore generato dalla microturbina a gas 3 ad un’utenza 14. L’utenza 14 può essere ad esempio un edificio o un’ufficio in prossimità della stazione di rifornimento. In particolare, la microturbina 3 può fornire all’utenza 14 energia elettrica 14a, raffreddamento o condizionamento dell’aria 14b (attraverso un refrigeratore elettrico 9 o un refrigeratore ad assorbimento 10) e/o energia termica 14c (attraverso lo scambiatore di calore 11). Sia l’unità di recupero del calore 6 che il boiler 7 possono essere collegati ad un serbatoio di accumulo di termico 8, al refrigeratore ad assorbimento 10 ed allo scambiatore di calore 11.

L’effetto tecnico ottenuto in tal modo è quello di poter sfruttare l’energia termica prodotta, per poter riscaldare uffici o piccoli locali adiacenti la stazione di rifornimento.

Secondo l’invenzione, la microturbina a gas 3 è configurata per comprimere il gas, ad esempio, per successivamente poterlo erogare ai veicoli alimentati a gas.

Preferibilmente, il gas viene compresso a 220 bar da detta turbina 3.

Secondo l’invenzione, il punto di erogazione di gas compresso 2 è collegato in ingresso ad una rete di distribuzione di gas oppure è collegato ad un serbatoio di gas liquido.

L’effetto tecnico ottenuto in tal modo è quello di poter installare stazioni di ricarica 1 anche in luoghi non direttamente serviti dalla rete di distribuzione di gas naturale.

Secondo l’invenzione, la stazione di ricarica 1 può essere vantaggiosamente collegata a dei pannelli fotovoltaici o degli aerogeneratori 13 collegati alla batteria 4 ed in grado di ricaricarla trasformando l’energia solare o l’energia eolica in energia elettrica.

In tal modo si ottiene l’effetto tecnico di avere delle sorgenti ausiliarie di energia elettrica pulita e non inquinante.

Opzionalmente, la stazione di ricarica 1 comprende una unità di elaborazione collegata alla presa di ricarica ed è configurata per abilitare l’unità di ricarica ad eseguire il servizio di ricarica per detto veicolo elettrico. E’ inoltre presente una interfaccia utente utilizzabile da un utente e configurata per selezionare la presa di ricarica ed il servizio di ricarica desiderato.

La presente invenzione riguarda anche una stazione di rifornimento per veicoli alimentati a gas comprendente una o più stazioni di ricarica 1 per veicoli elettrici o ibridi come precedentemente descritta.

Come descritto, lo svantaggio principale della maggior parte dei veicoli elettrici ed ibridi è il limitato raggio d'azione e la mancanza di infrastrutture disponibili delle stazioni di ricarica elettrica, a differenza della disponibilità di stazioni di rifornimento attualmente a disposizione per i veicoli a combustione interna.

Con la presente invenzione, si può costruire un array di distribuzione di stazioni di ricarica pubbliche e semipubbliche per EV o HPEV che baserà la sua rete su stazioni di rifornimento di combustibili fossili esistenti, in particolare quelle fornite con gas naturale dalla rete o stoccato come GNL (liquido). Questa rete sarà dotata di una tecnologia di ricarica rapida.

Queste stazioni di ricarica per veicoli terrestri elettrici sono più costose delle unità di ricarica lenta a causa delle periferiche ausiliarie e della complessità delle installazioni alla rete di distribuzione di energia elettrica. La distribuzione di tale rete è regolata anche da normative nazionali e regionali e i principali ostacoli sono la disponibilità della capacità di rete, soprattutto nelle aree urbane, e la ricerca della giusta collocazione lungo le autostrade.

Per caricare un singolo veicolo elettrico terrestre durante 15 minuti per raggiungere l'80% della capacità della batteria, la connessione alla rete deve progettare e fornire multipli da 4 a 6 volte la capacità nominale della batteria. Ad esempio, per la ricarica rapida di una Nissan Leaf EV con capacità della batteria di 24 kWh, il collegamento alla rete dovrà essere di almeno 100 kW. Per ricaricare un veicolo Tesla con capacità della batteria di 85 kWh, il collegamento alla rete dovrà essere di almeno 340 kW.

Il numero di stazioni di ricarica in un singolo luogo determina la capacità multipla dell'allacciamento alla rete di distribuzione di energia elettrica. La disponibilità di connessione alla rete elettrica con una capacità così elevata pone sfide di servizio come la disponibilità di per sé, il costo di tale connessione alla rete elettrica, il tempo necessario per l'installazione di tale connessione alla rete, ecc.

Pertanto, la soluzione globale proposta per la stazione di ricarica multiunità secondo la presente invenzione è quella di produrre e fornire l'energia elettrica localmente nel sito di domanda e gestire a vantaggio del guidatore del veicolo elettrico e del proprietario del sito di ricarica.

Uno dei principali vantaggi della presente invenzione è che essa è ideale quando è necessario costruire la prima infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici e non c'è una forte richiesta di sessioni di ricarica.

Quando il mercato è maturo e il parco veicoli terrestri elettrici è cresciuto oltre una certa soglia, la ricarica diventa continua ed è sempre possibile creare in quella fase un collegamento diretto con la rete locale di distribuzione elettrica bypassando la conversione energetica. In tal modo, si raggiunge una notevole flessibilità dell’erogazione del numero di ricariche della stazione.

La soluzione risulta particolarmente conveniente dove è presente un'ampia rete di distribuzione di gas naturale come quella italiana, in modo da ridurre notevolmente i costi di trasporto del carburante e facilitare l'allacciamento alla rete di distribuzione del gas.

La capacità di produrre energia elettrica secondo l’invenzione, si basa sulla rete di distribuzione di microturbine 3 collegate alla rete di distribuzione locale di gas naturale. Inoltre, l’utilizzo delle microturbine 3 consente di avere a disposizione di un centro energetico che può essere di tipo CHP (“Combined Heat and Power”) o di tipo CCHP (“Combined Cool Heat and Power”).

La tecnologia CHP utilizza i gas di calore di scarto della microturbina 3 per generare più prodotti energetici come vapore, acqua calda o aria calda. Il CCHP può aggiungere al paniere di prodotti energetici anche acqua fredda per il raffreddamento e il condizionamento dell'aria e frigoriferi per lo stoccaggio e il servizio in qualsiasi negozio. Il calore residuo e l'elettricità generata residua possono servire uffici commerciali e piccoli parchi industriali.

La produzione locale di energia elettrica può essere anche da energia rinnovabile, così i tetti e le aree di parcheggio possono essere il terreno di base per i pannelli solari fotovoltaici e o avanzare la tecnologia dei mulini a vento orizzontali di piccole dimensioni.

La produzione locale deve essere una combinazione di microturbine 3 alimentate a gas naturale con l'aggiunta di energia rinnovabile, a seconda dei casi. La microturbina 3 sarà collegata alla rete locale di distribuzione del gas naturale e darà il vantaggio alla stazione di rifornimento del gas per alimentare la ricarica dei veicoli elettrici insieme al gas naturale compresso (o CNG).

La stazione di servizio non perderà le sue attività quando la penetrazione dei veicoli terrestri elettrici o ibridi crescerà e sarà in grado di acquisire la nuova ondata di innovazione commerciale di tali veicoli a basso o zero impatto ambientale.

L'interconnessione alla rete di distribuzione del gas può causare tempi di installazione più lunghi, ma può andare di pari passo con il tasso di penetrazione dei veicoli terrestri elettrici per essere attivi al momento giusto per erogare un servizio adeguato di ricarica.

Come la persona esperta può ben comprendere, l’invenzione permette di superare gli inconvenienti evidenziati in precedenza con riferimento alla tecnica nota.

In particolare, la presente invenzione rende disponibile una colonnina di ricarica che consente di erogare una ricarica veloce a veicoli elettrici o ibridi senza la necessità di ingenti investimenti economici, sfruttando l’infrastruttura capillare di stazioni di rifornimento di carburanti fossili esistente.

Inoltre, la presente invenzione rende disponibile una stazione di ricaricache consente una facile installazione, anche in contesti nei quali non sia possibile il collegamento alla rete di distribuzione elettrica.

È chiaro che le specifiche caratteristiche sono descritte in relazione a diverse forme di realizzazione dell’invenzione con intento esemplificativo e non limitativo. Ovviamente un tecnico del ramo potrà apportare alla presente invenzione ulteriori modifiche e varianti, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche. Ad esempio le caratteristiche tecniche descritte in relazione ad una forma di realizzazione dell’invenzione potranno essere estrapolate da essa ed applicate ad altre forme di realizzazione dell’invenzione. Tali modifiche e varianti sono peraltro contenute nell’ambito di protezione dell’invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Stazione di ricarica (1) per veicoli elettrici comprendente: - un motore (3) configurato per convertire gas compresso in energia elettrica; - un punto di erogazione di gas compresso (2) configurato per alimentare il motore a gas (3); - una unità di ricarica comprendente almeno una presa di ricarica a cui è collegabile un veicolo elettrico in modo da eseguire un servizio di ricarica; in cui detta presa di ricarica è alimentata elettricamente dall’energia elettrica prodotta da detto motore a gas (3).
2. 2. Stazione di ricarica (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore (3) alimentato a gas è una microturbina a gas (3).
3. 3. Stazione di ricarica (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta presa di ricarica è alimentata elettricamente dall’energia elettrica proveniente dalla rete di distribuzione elettrica (12).
4. 4. Stazione di ricarica (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente una batteria ricaricabile (4) collegata in uscita alla presa di ricarica, la batteria ricaricabile (4) essendo alimentabile dall’energia elettrica generata dalla microturbina a gas (3) e/o dall’energia elettrica proveniente dalla rete di distribuzione elettrica (12).
5. 5. Stazione di ricarica (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente uno scambiatore di calore (6) configurato per rendere disponibile il calore generato dalla microturbina a gas (3) ad un’utenza (14).
6. 6. Stazione di ricarica (1) secondo la rivendicazione 5, comprendente un raffreddatore ad assorbimento (10) collegato allo scambiatore di calore (6) configurato per raffreddare acqua dell’utenza (14).
7. 7. Stazione di ricarica (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui la microturbina a gas (3) è configurata per comprimere il gas da erogare ai veicoli alimentati a gas.
8. 8. Stazione di ricarica (1) secondo la rivendicazione 6, in cui il gas viene compresso a 220 bar da detta turbina (3).
9. 9. Stazione di ricarica (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il punto di erogazione di gas compresso (2) è collegato in ingresso ad una rete di distribuzione di gas oppure è collegato ad un serbatoio di gas liquido.
10. 10. Stazione di ricarica (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente dei pannelli fotovoltaici o degli aerogeneratori (13) collegati a detta batteria (4) ed in grado di ricaricarla trasformando l’energia solare o l’energia eolica in energia elettrica.
11. 11. Stazione di ricarica (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente una unità di elaborazione collegata a detta almeno una presa di ricarica e configurata per abilitare detta unità di ricarica ad eseguire detto servizio di ricarica per detto veicolo elettrico e una interfaccia utente utilizzabile da un utente e configurata per selezionare detta almeno una presa di ricarica e detto servizio di ricarica.
12. 12. Stazione di rifornimento per veicoli alimentati a gas comprendente una o più stazioni di ricarica (1) per veicoli elettrici secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.