Assessment of sector-coupling synergies between electric vehicles and energy systems in decarbonization scenarios

In light of the ambitious climate targets and the urgent need to make the energy consumption more sustainable and efficient, the energy sector is expected to undergo a paradigmatic change. Such transition includes also those sectors that have been mostly relied on fossil fuels such as the transport sector. Focusing on passenger light-duty vehicles, private passenger mobility is considered as an easy-to-abate end-use that can be supported by indirect but also direct electrification as witnessed by the world-wide surge of electric powertrain sales in the last years. In this regard, several sector will be competing for the same energy carriers and this is the reason why a cross-sectoral and holistic energy system planning is necessary to optimize the supply of energy. The objective of this thesis is to provide the scientific literature with a novel and integrated modelling framework able to investigate cross-sectoral impacts of passenger electric vehicles and smart charging mechanisms on energy system planning. The approach expands on the multi-layer energy modelling framework that allows to model transport and energy sector in dedicated layers ensuring full harmonisation of inputs and outputs. The framework is composed of two different layers: (i) the Demand and Technology Modelling Layer and (ii) the Supply Energy System Modelling Layer. The Demand and Technology Modelling Layer consists of a set of sub-modules able to generate highly detailed EV consumption, charging and flexibility profiles. The modelling approach takes into account technology-based modelling to better depict vehicle consumption and drivers' behaviours to produce realistic charging and electric vehicle flexibility constraints. The Supply Energy System Modelling Layer corresponds to an open energy system modelling framework able to compute optimal dispatch and capacity mixes. The framework is implemented with novel constraints that enable both V1G and V2G charging modelling. The constraint profile values are given by the flexibility timeseries obtained from the Demand and Technology Modelling Layer. This work presents a first-of-its-kind approach in which V1G and V2G charging infrastructures are modelled as competing technologies. Furthermore, the developed framework represents a generalised structure to systematically model smart charging mechanisms in which sub-modules that compose each layer can be substituted at the user's discretion by tools that satisfy the same outputs. Moreover, the multi-layer energy modelling framework can be flexibly adapted to any geographical contexts. Finally, the work presents the application of the framework to the Italian case study showing the sector-coupling impacts of introducing both V1G and V2G charging strategies on future power sector configurations.

Alla luce degli stringenti target climatici e dettato dall’urgente bisogno di rendere il consumo energetico più sostenibile ed efficiente, il settore energetico è chiamato a una sostanziale trasformazione. Tale trasformazione include anche altri settori che hanno fatto sempre fatto affidamento all’utilizzo di combustibili fossili, come il settore trasporti. Riducendo il perimetro dell’analisi ai veicoli leggeri, la mobilità privata è considerata un settore che richiede soluzioni già disponibili al fine di abbatterne le emissioni climalteranti. Queste soluzioni si riferiscono a strategie di elettrificazione indiretta e diretta come testimoniato dalla sempre più crescente penetrazione di veicoli elettrici nelle flotte dei veicoli a livello mondiale. In generale, una spinta decarbonizzazione dei consumi finali potrebbe portare a una serrata competizione tra settori per l’approvvigionamento di vettori energetici sostenibili. Questo è il motivo per cui una visione integrata e olistica è necessario per poter rispondere ai bisogni di una pianificazione energetica per un futuro sostenibile. Questa tesi di dottorato si pone l’obiettivo di fornire alla ricerca scientifica un assieme modellistico integrato che risponda alla richiesta di innovazione nell’ambito dell’analisi degli impatti della diffusione dei veicoli elettrici e di strategie di ricarica intelligenti sui processi di pianificazione energetica. L’approccio selezionato si sviluppa a partire da una struttura multi-livello per la modellazione energetica (multi-layer energy modelling framework) che permette la caratterizzazione del settore trasporti e del settore energetico assicurando però un alto grado di armonizzazione degli input e degli output che i due livelli si scambiano. In dettaglio, la struttura è composta da due livelli: il primo livello riguarda la stima della domanda e la modellazione tecnologica di dettaglio, mentre il secondo livello racchiude la modellazione dell’integrazione con il sistema di approvvigionamento energetico. Il primo livello di modellazione è costituito da una pletora di moduli sviluppati al fine di generare profili di domanda, di ricarica e di flessibilità dei veicoli elettrici assicurando un elevato dettaglio temporale e tecnologico. L’approccio modellistico tiene anche in considerazione aspetti puramente tecnologici come quelli a sfondo più sociale per tenere traccia degli effetti connaturati all’azione degli utenti. Il livello modellistico inerente all’integrazione della domanda e tecnologia trasporti vede l’impiego di una struttura modellistica votata alla pianificazione dei sistemi energetici. Tale software è accessibile gratuitamente e la cui formulazione è completamente disponibile e trasparente. Il software utilizzato si basa sull’ottimizzazione del dispacciamento energetico e la pianificazione delle capacità delle infrastrutture di produzione, stoccaggio, trasmissione e di consumo. Il software è stato arricchito di un’innovativa rappresentazione dei veicoli elettrici e delle strategie di ricarica intelligenti per permettere la simulazione di V1G e V2G. Tale rappresentazione è stata possibile introducendo nuovi vincoli al problema di ottimizzazione che vengono definiti grazie alla generazione di serie di dati di flessibilità dei veicoli elettrici. Lo studio presenta la prima applicazione in cui le infrastrutture di ricarica V1G e V2G sono modellizzate come tecnologie in competizione. La suite modellistica sviluppata è caratterizzata da una struttura modulare e generalizzata per cui è possibile sostituire i moduli proposti con alternative che assicurino la compatibilità dei collegamenti all’interno della struttura integrata. La suite modellistica che è stata sviluppata è flessibile e adattabile a ogni contesto geografico. In conclusione, il presente lavoro mostra l’applicazione del framework energetico multi-livello al caso studio italiano mostrando gli impatti connessi all’introduzione dell’infrastruttura di ricarica unidirezionale e bidirezionale sulla definizione delle configurazioni del sistema energetico in un’ottica di decarbonizzazione.