Vehicle-to-home : power profile optimization with distributed energy resources

The purpose of this thesis is to describe the vehicle-to-x (V2X) concept in detail, starting from the building blocks: electric vehicles, batteries and their supply equipment. The benefits, applications and concepts of smart and bidirectional charging are investigated in different contexts, along with the business models that emerge from the implementation of V2X. In order to understand the full potential that EVs could express, and especially the possibility given by the interaction with photovoltaic (PV) plants, a model was developed to study the integration of EVs in a smart home context with V2H capability. The thesis is structured as follows: - Electric Vehicles: this chapter gives a general overview on the EVs technology, categorization and market, with a focus on V2X concept; - Electric Vehicle Supply Equipment: this chapter provides information about charging equipment: technological standards, charging modes and smart approaches, also in relation to V2X applications; - Batteries: this chapter shows the technology and control systems for batteries, the requirements for V2X and the related critical issues; - Vehicle-to-x: this chapter thoroughly investigates the economic rationale of V2X, analysing roles of involved players (with a special focus on the aggregator), business models, enabling technologies and grid services. Also, an overview on European pilot projects is proposed; - European regulation on vehicle-to-grid: this chapter presents a way to evaluate the readiness of European countries to introduce V2G on a large scale, starting from the regulatory framework related to demand response and distributed generation; - Vehicle-to-home: this chapter provides essentials about smart home concept and V2H integration, with a careful review of Italian regulation about its key components: PV plant (with a focus on Net Metering), storage systems, electricity tariff and EVs; - Model description: in this chapter the model created to run the optimization process is described, along with the simulation constraints. The goal of the process is to optimize power flows between PV, household appliances, EV, static battery and grid in order to minimize the electricity cost for the user; - Optimization: in this chapter, a description of the chosen optimization algorithm (genetic algorithm) is provided, followed by an overview on the parameters chosen for the setting up of the simulations; - Simulations and results: in this chapter, several simulations are presented, in order to provide the tools to study the impact of EV and V2H in a smart home context. Economic profitability of different configurations is evaluated and analysed. The economic analysis underlines how the profitability of the investment on the bidirectional charging infrastructure highly depends on the PV production, household consumption and EV usage patterns.

Lo scopo di questa tesi è descrivere il paradigma vehicle-to-x (V2X), partendo dagli elementi tecnologici che ne costituiscono l’ossatura: veicoli elettrici (VE), batterie e sistemi di ricarica. I vantaggi, le possibili applicazioni e i concetti di ricarica intelligente e bidirezionale vengono analizzati in diversi contesti, insieme ai modelli di business che emergono dall'implementazione del V2X. Al fine di valutare il potenziale che lo scambio di potenza bidirezionale potrebbero esprimere e, in particolare, le possibilità date dalla sinergia tra VE e impianti fotovoltaici, è stato sviluppato un modello per studiare l'integrazione dei VE in un contesto di smart home con possibilità di vehicle-to-home (V2H). La tesi è strutturata come segue: - Electric Vehicles: questo capitolo offre una panoramica generale sulla tecnologia, la categorizzazione e il mercato dei VE, con particolare attenzione al concetto di V2X; - Electric Vehicle Supply Equipment: in questo capitolo vengono fornite informazioni sui sistemi di ricarica: standard tecnologici, modalità di ricarica e smart charging, anche in relazione alle applicazioni V2X; - Batteries: questo capitolo presenta la tecnologia e i sistemi di controllo per le batterie, i requisiti per il V2X e le relative criticità; - Vehicle-to-x: questo capitolo analizza a fondo il fondamento economico del V2X, analizzando il ruolo degli attori coinvolti (con particolare attenzione nei confronti dell’aggregatore), i modelli di business, le tecnologie abilitanti e i servizi di rete che. Inoltre, viene proposta una panoramica dei progetti pilota europei; - European regulation on vehicle-to-grid: questo capitolo presenta un possibile modello per valutare il quadro normativo riguardo generazione distribuita e demand response e la conseguente adeguatezza della legislazione nei confronti dell’introduzione su larga scala del vehicle-to-grid (V2G); - Vehicle-to-home: questo capitolo fornisce gli elementi essenziali sul concetto di smart home e sull'integrazione del paradigma V2H, con un’attenta analisi della regolamentazione italiana riguardo i suoi componenti chiave: impianti fotovoltaici (con particolare attenzione allo Scambio sul Posto), sistemi di stoccaggio e VE; - Model description: in questo capitolo viene descritto il modello creato per le simulazioni, insieme ai vincoli di ottimizzazione. L’obiettivo è ottimizzare i flussi di potenza tra impianto fotovoltaico, elettrodomestici, VE, batteria statica e rete per minimizzare il costo dell’elettricità per l’utente; - Optimization: in questo capitolo viene descritto l’algoritmo di ottimizzazione scelto (algoritmo genetico), insieme da una panoramica sui parametri scelti per il set-up delle simulazioni; - Simulations and results: in questo capitolo vengono presentate diverse simulazioni per valutare l’interazione tra veicolo elettrici e gli altri elementi nel contesto di smart home. La redditività delle diverse configurazioni viene valutata e analizzata. L’analisi economica evidenzia che la redditività dell’investimento sull’infrastruttura di ricarica bidirezionale dipende fortemente dalla produzione fotovoltaica, dai consumi dell’abitazione e dall’utilizzo del veicolo elettrico.