Lo scambio delle batterie richiede meno batterie di quanto si pensi.

Il motore principale Janus Electric utilizzato da OZ Minerals. Foto per gentile concessione di Qube.

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Quando ho scritto un articolo qualche tempo fa su Janus Electric, un’azienda australiana di camion elettrici che si occupa di conversioni semi-elettriche a diesel e di sistemi di sostituzione delle batterie, l’ho messo da parte, finché non sono incappato in un’intervista con il CEO di Janus, Ben Hutt. L’intervistatore gli ha chiesto quale fosse l’aumento dei costi legati alle batterie per far funzionare i camion come flotta in modalità di sostituzione. Lui ha risposto che era circa il 30%. Janus ne sa qualcosa, visto che gestisce corridoi di trasporto per camion pesanti. A quanto pare, avevo già fatto dei calcoli molto tempo fa che spiegavano come funzioni questo sistema ingegnoso.

Inizialmente, quando esaminavo le operazioni di scambio dei camion, utilizzavo il concetto di transazione di carica unitaria, l’elemento più basilare per la ricarica delle batterie. Con il tempo ho realizzato illustrazioni di tali transazioni per mostrare come funzionavano e come si espandevano le singole celle. Se un’immagine vale mille parole, è anche un ottimo modo per comprendere il funzionamento di qualcosa e rappresentare graficamente i calcoli. Quando ho trovato la citazione del CEO di Janus, mi è subito tornato in mente un concetto che avevo descritto in un breve articolo intitolato “EV Station & Charger Planning”. Illustriamolo confrontando la transazione unitaria più semplice e il modo in cui si scala. Si tratta di un’analisi senza tempi di attesa; ogni espansione avviene per sovrapposizione di metodi. Facciamolo con delle immagini. Ecco a cosa assomiglia una transazione unitaria:

Per estendere le operazioni di trasporto su distanze più lunghe, possiamo adottare un metodo che chiamo “organizzazione a catena”. Partendo ciascun camion con un intervallo appropriato, tutti i veicoli vengono disposti in modo che ci sia sempre un camion in viaggio tra le stazioni. Lo chiamo “organizzazione a catena” perché assomiglia effettivamente a una catena: tra le stazioni di scambio delle batterie mobili c’è soltanto un camion, mentre nella stazione è presente una batteria in fase di ricarica lenta. Possiamo illustrare questo concetto collegando tra loro le operazioni di trasporto — si veda la Figura 2.

Si noti che questo concetto funziona in entrambe le direzioni. Possiamo invertire l’immagine, mostrando i camion che viaggiano nell’altra direzione. È facile capire come sia possibile creare un sistema di stazioni che collegano due punti estremi a qualsiasi distanza arbitraria. Il rapporto tra batterie, camion e stazioni è lo stesso della transazione di base. Si potrebbe definire questo un ciclo a catena: ha senso, poiché i camion viaggiano sempre dal punto di raccolta alla destinazione e successivamente al punto di consegna, per poi tornare indietro. Si vede quanto sia semplice comprendere la scalabilità nella Figura 3?

Se le partenze dei veicoli avvengono in fasi, allora possiamo avere soltanto un camion in viaggio, con una batteria di scambio in ogni stazione. In questo modo possiamo organizzare le partenze in modo che un camion sia sempre in viaggio verso la stazione successiva, garantendo sempre una batteria mobile e una batteria di scambio per ogni camion. L’escalation è semplice.

Poi possiamo utilizzare la tecnica del “route stuffing”. Invece di un solo camion tra le stazioni, scegliamo un numero diverso di camion in viaggio. Se ne scegliamo tre, allora ci saranno sempre tre camion dotati di batterie mobili e una batteria di scambio. Nel periodo tra i camion in viaggio, il pacco batterie può essere caricato; successivamente il camion riceve un nuovo pacco e ne lascia uno da caricare. Questo riduce al minimo il numero di batterie utilizzate e la domanda massima di potenza. È qui che vediamo come Janus possa avere un costo aggiuntivo per le batterie del 33% soltanto per lo scambio, grazie all’uso di tre camion in viaggio come mostrato nella figura 4.

L’articolo mostra come le spedizioni di camion possano aumentare in modo discontinuo, con più di un camion inviato contemporaneamente. Il volume del carico delle flotte può essere ampliato in modo programmato utilizzando questo metodo. L’effetto di più partenze simultanee è mostrato nella Figura 5.

I batterie possono essere sostituiti in 4 minuti, e le consegne avverranno di conseguenza. Nella realtà, ad esempio per un arrivo di quattro camion, tutti i camion vengono serviti entro 16 minuti, e eventuali sostituzioni successive non comporteranno tempi di attesa poiché le consegne avvengono a intervalli regolari di 4 minuti. L’intervallo di tempo tra le spedizioni di camion può essere maggiore del tempo necessario per sostituire più batterie.

Le dimensioni delle batterie mobili possono essere ridotte per aumentare la capacità di carico. Il funzionamento è mostrato nell’illustrazione: le stazioni disposte a intervalli di metà distanza riducono della metà le dimensioni della batteria. La quantità totale di batteria del sistema rimane invariata, ma le dimensioni della batteria mobile si dimezzano e la capacità di carico del camion aumenta, come mostrato nella Figura 6.

Infine, i concetti di transazione per unità permettono di visualizzare e confrontare facilmente la domanda massima di potenza e i requisiti energetici dei sistemi. L’analisi grafica mostra come funziona lo scambio delle batterie, come si espande in base alle esigenze e come minimizzare la domanda massima di potenza della rete nonché i costi legati alle batterie delle stazioni di scambio in modo flessibile e prevedibile.

Conclusione

Le illustrazioni delle transazioni unitarie rappresentano un modo utile per visualizzare le esigenze di ricarica delle batterie dei veicoli elettrici. I camion possono funzionare con un’infrastruttura di sostituzione delle batterie ridotta al massimo a un terzo rispetto al numero effettivo di batterie presenti. Le rappresentazioni grafiche mostrano chiaramente come le operazioni del sistema di trasporto possano ridurre al minimo la domanda massima di energia sulla rete, i requisiti legati alle batterie e i costi di capitale del sistema, utilizzando concetti come la pianificazione dell’inizio dei viaggi, l’ottimizzazione delle rotte e più partenze simultanee. Queste illustrazioni semplificano la pianificazione delle operazioni iniziali e dell’espansione, nonché l’analisi dei costi di capitale e operativi. Nei sistemi di trasporto merci elettrici, è vantaggioso organizzare e coordinare i trasporti in una catena continua, adatta ai corridoi di trasporto tra porti e grandi magazzini, miniere e altri punti di destinazione concentrati. Non è necessario disporre di una batteria di ricambio per ogni camion: grazie all’ottimizzazione delle rotte, l’infrastruttura batteria del sistema può essere gestita in modo più efficiente.

I requisiti energetici possono essere ridotti a una frazione di quelli richiesti dalle batterie mobili. Ulteriori esempi possono mostrare come altre strategie si adattino alle esigenze di trasporto dal magazzino ai centri retail, nonché come la granularità del sistema corrisponda alle esigenze di consegna locali a ogni livello e lunghezza di percorso. Esistono ulteriori concetti da esplorare per le operazioni delle stazioni remote.