Soluzioni flessibili per l’elettrificazione del Trasporto Pubblico Locale

Il 2017 sarà ricordato come un anno record per le condizioni climatiche in tutto il pianeta. I dati forniti dal NOAA lo collocano, con buona probabilità, tra i tre anni più caldi da 138 anni a questa parte. La crescita delle temperature medie del nostro pianeta risulta ancora più evidente se si tiene presente che nove degli anni più caldi si sono susseguiti negli ultimi 12 anni. Rispetto al XX secolo la temperatura media della Terra è cresciuta in meno di un ventennio di 0.8 °C ma il caldo e la siccità hanno colpito severamente diverse parti del globo. In Italia, ad esempio, l’impatto sul clima si è manifestato con una riduzione delle precipitazioni registrando un livello minimo tale da far lanciare un serio allarme per le riserve idriche. E le previsioni per il 2018 non si discostano molto dalla “top five list” degli anni più caldi. Parallelamente a questa crescita si rileva un incremento delle concentrazioni di gas climalteranti che, secondo i dati più recenti, per la CO2 hanno raggiunto i 403 ppm a fronte di una concentrazione di circa 340 ppm nel 1980. In questo quadro il summit di Parigi, riconoscendo il legame tra emissioni di gas serra e alterazione climatica, ha politicamente sancito il limite del punto di non ritorno, con la richiesta e l’impegno di contenere le emissioni di CO2 in atmosfera. Questo al fine di mantenere entro i +2 °C l’innalzamento della temperatura media del globo.

Non occorre rammentare che la principale fonte di produzione di CO2 antropogenica è dovuta all’uso dei combustibili fossili. Infatti circa il 70% delle emissioni di CO2 risulta dalla produzione di energia termica ed elettrica ricavate bruciando carbone, gas naturale e derivati del petrolio. In questa cornice il trasporto si ritaglia un quarto delle emissioni di cui il 75% è dovuto al trasporto stradale.

Il trasporto su gomma non è individuato soltanto come origine di gas serra ma è fonte di polveri sottili e di ossidi di azoto che in varia misura contribuiscono a peggiorare la qualità dell’aria che respiriamo. Su questo fronte l’Italia, insieme ad altri paesi, è sotto osservazione della Commissione europea per i prolungati sforamenti dei livelli limite ed il rischio di una procedura di infrazione si presenta elevato.

Il recepimento della direttiva sui combustibili alternativi raffigura una prima apertura alla esigenza di realizzare una rete di infrastrutture a supporto della trasformazione della mobilità in direzione di una minore dipendenza dal carbonio. Tra le diverse opzioni, l’elettrificazione è quella che promette di migliorare la qualità dell’aria in città riducendo a zero le emissioni locali. Inoltre, stanti i progressi nella produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, rendere elettrico il trasporto sarebbe di ausilio anche nel contenimento delle emissioni di gas serra in proporzione alla disponibilità di energia rinnovabile.

Questa nuova frontiera tecnologica ha conquistato diversi consensi e continua a mostrarsi sempre più competitiva con il progredire dello sviluppo tecnologico dei sistemi di accumulo. Il processo di ricambio tecnologico in Europa, tuttavia, procede a differenti velocità in funzione delle scelte politiche e delle diverse sensibilità sociali dei vari Stati. L’Italia, attualmente, si pone nelle posizioni di retrovia per gli aspetti di elettrificazione della mobilità mostrandosi attendista sia a livello di investimenti industriali che di politiche di supporto. L’elettrificazione del Trasporto Pubblico Locale potrebbe fare da apripista ad un processo di innovazione più ampio, approfittando delle risorse recentemente messe in campo dal Governo con l’istituzione del Piano Strategico Nazionale della Mobilità Sostenibile (Legge di Stabilità 2017) che stanzia quasi 4 miliardi di euro in 15 anni (dal 2019 al 2033) per sostenere prima di tutto il ringiovanimento del parco autobus del settore, decisamente troppo vecchio ed obsoleto, ma anche la diffusione di alimentazioni diverse dal gasolio (metano, naturale e bio, ed elettricità).

Non intendiamo qui affrontare la questione di quale fra le alimentazioni alternative sia preferibile in termini di contenimento di consumi energetici, emissioni nocive e costi di investimento ed esercizio; piuttosto vogliamo soffermarci su un punto: la soluzione elettrica è fra tutte quella che permetterebbe l’integrazione della mobilità nelle smart cities di domani.

Un TPL elettrico può essere smart anche grazie alla variabilità di possibili soluzioni tecnologiche che ormai permettono di interpretare le esigenze del servizio alla luce di valutazioni di carattere territoriale ed economico.  La classica soluzione di elettrificazione con la ricarica delle batterie durante la sosta notturna in deposito richiede notevoli dimensioni dell’accumulo che deve garantire la presenza a bordo del veicolo dell’energia utile allo svolgimento del servizio. Ma questo si scontra con un maggior peso dell’accumulo da portare su strada. Attualmente i sistemi di accumulo con tecnologia agli ioni di litio possiedono densità energetiche tra 100 e 200 Wh/kg risultando in 500-1000 kg a bordo per un servizio giornaliero.

Lo sviluppo tecnologico dei sistemi di accumulo e di ricarica offre nuove opportunità di elettrificazione del TPL grazie a modelli di gestione della ricarica maggiormente flessibili. Una prima soluzione è data dalla possibilità di effettuare ricariche ripetute durante le soste del servizio al capolinea, ripristinando l’energia spesa durante l’esecuzione della tratta. Questa ricarica intermedia, spesso definita come ricarica di opportunità, va verso la riduzione delle dimensioni dell’accumulo di bordo e conseguentemente di pesi, ingombri e costi. Di contro essa richiede la presenza di stazioni di ricarica in grado di rifornire il veicolo di energia elettrica in tempi brevi (4-5 minuti) e quindi con potenze elevate (180-200 kW). Nella indisponibilità di avere tutta la potenza dalla rete elettrica è configurabile l’associazione di un “buffer” elettrico costituito da un sistema di accumulo stazionario a supporto della rete, ed eventualmente in sodalizio con impianti rinnovabile, che siano cooperanti come sorgente elettrica. La condivisione del capolinea con altri veicoli indica una riduzione dei costi di sistema ma richiede una gestione intelligente del servizio per garantire la continua disponibilità della stazione ai diversi veicoli che vi giungono. A migliorare ulteriormente la ricarica di opportunità si attuano soluzioni di connessione veicolo-stazione che minimizzano l’intervento umano attraverso l’uso di sistemi automatici di allaccio (pantografi, bracci telescopici, bracci robotizzati) o con il ricorso a sistemi di tipo induttivo per il trasferimento dell’energia.

Nella direzione della riduzione dell’accumulo a bordo una soluzione ulteriore è quella di eseguire un numero maggiormente frequente di ricariche lungo la linea. Questo richiede la disponibilità di potenze maggiori, sino a 400 kW, lungo il tragitto per poter ripristinare la carica elettrica consumata tra le fermate attrezzate. In questa configurazione l’adozione di sistemi di accumulo ad alta potenza (ma a limitato contenuto di energia) come i Supercapacitori consente di ridurre i tempi di rifornimento intermedio a decine di secondi. Attraverso l’adozione di un sistema di accumulo ibrido, SC e batterie, si ottiene la flessibilità operativa consentendo al veicolo percorsi in elettrico anche fuori della linea elettrificata in modo da fare fronte a problemi di viabilità o di indisponibilità della stazione di ricarica intermedia.

Entrambe le architetture sono state provate con successo in attività sperimentali ed alcune sono già operative in Europa. In Italia ad esempio a Torino un servizio elettrico con bus è esercitato attraverso la ricarica wireless di opportunità.

Possiamo dire che l’innovazione elettrica ha già iniziato a contagiare il TPL per dare una risposta concreta ai bisogni generali del paese in termini di rispetto dell’ambiente e protezione della salute dei cittadini. Rimangono comunque aperte sfide molto importanti che riguardano non solo il mondo della ricerca ma anche quello dell’industria, della produzione di energia e della politica per riuscire a fornire un nuovo e migliore assetto alla mobilità italiana.

A cura di: Antonino Genovese e Maria Pia Valentini