Innovazione e tecnologia nel TPL, programmi comunitari ed il progetto High V.LO - City

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1 Coordinato da Organizzato da Area Tematica Uno sguardo all Europa ed ai progetti comunitari Innovazione e tecnologia nel TPL, programmi comunitari ed il progetto High V.LO - City Cristina Carnevali, Riccardo Genova, Maurizio Mazzucchelli, Gabriele Priano Dipartimento DITEN - Centro di Ricerca Trasporti, CIRT Scuola Politecnica - Università degli Studi di Genova Via all Opera Pia A, 645 Genova, Italia riccardo.genova@unige.it Introduzione Tra i nuovi obiettivi indicati dal programma Horizon 2020 riveste particolare importanza per il settore del TPL quello del Societal Challenges, relativo ad un insieme di misure incentrate sulla salute ed il benessere del cittadino fra i quali emerge la challenge Smart, green and integrated transport per la quale è stato allocato un budget di oltre 6 miliardi di Euro. I fondi saranno destinati ad iniziative mirate alla realizzazione di mezzi di trasporto più efficienti e meno inquinanti ed a progetti in grado di migliorare la mobilità di persone e merci riducendo la congestione aumentando comfort e sicurezza. Il settore dei trasporti ricopre un ruolo di primaria importanza in quanto il 3,6% di tutta l energia prodotta è utilizzata in questo settore. L incidenza risulta essere così marcata poiché il 8,7% dei passeggeri chilometri trasportati avviene mediante trasporto su strada. In questo scenario riveste particolare importanza il trasporto privato in quanto auto, veicoli motorizzati a 2 ruote e veicoli leggeri rappresentano l 88,6% di tutto il parco veicoli circolante in Europa incluso i veicoli merci. (fonte: Commissione Europea). Anche considerando di convertire tutti i veicoli attualmente circolanti con sistemi più efficienti un trasporto gestito solo con veicoli privati non risulterebbe comunque compatibile in termini di consumo di combustibile e di spazio utilizzato (vedasi Figura ).

2 Figura - Consumo di spazio e di combustibile per trasportare persone per km Risulta evidende che per risolvere il problema dell inquinamento e della congestione l incentivazione del trasporto pubblico locale è di primaria importanza. Focalizzando l attenzione sul trasporto su gomma attualmente in Europa il 95,5% delle flotte di veicoli è alimentata a diesel e solo il 2,3% è alimentato da sistemi meno impattanti (Fonte: Commissione Europea vedi Tabella ). TIPO DI ALIMENTAZIONE Benzina 2,2% Diesel 95,5% Elettrico 0,4% GPL 0,3% Metano 0,9% Altro 0,7% Tabella - Distribuzione dei veicoli per tipologia di alimentazione Inoltre, secondo i dati del progetto 3iBS, il 50% degli autobus diesel presenti in Europa utilizzza uno standard emissivo compreso fra il Pre-Euro e l EURO III (vedasi Figura 2). 30% 25% 20% 5% 0% Distribuzione dei veicoli diesel per standard emissivo 28% 25% 8% 3% 0% 5% 0% % % 2% % Pre EURO EURO 0 EURO EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 EEV Figura 2 - Distribuzione europea percentuale dei bus per tipologia di standard EURO L'elaborazione è basata sul servizio bus regionale delle città di Francia, Italia, Paesi Bassi, Polonia, Svezia e Regno Unito

3 Attualmente il mercato mette a disposizione diverse soluzioni in grado di ridurre notevolmente le emissioni inquinanti, sia mediante l adozione di veicoli omogolati con il nuovo standard EURO VI che vede una notevole riduzione delle emissioni rispetto al precedente standard EURO V (vedasi Tabella 2), sia mediante l adozione di nuove soluzioni ibride. Standard di emissione per autobus passeggeri: categoria M3 (Tipo di combustibile: diesel) [g/kwh] STANDARD CO HC NO x PM EURO I 4,5, 8,0 0,36 EURO II 4,0, 7,0 0,5 EURO III 2, 0,66 5,0 0,0 EURO IV,5 0,46 3,5 0,02 EURO V,5 0,46 2,0 0,02 EURO VI,5 0,3 0,40 0,0 Tabella 2 - Standard EURO per veicoli in categoria M3 Sistemi a trazione termica Un accorgimento per soddisfare la sempre maggiore richiesta di trasporto da parte dei cittadini, senza necessariamente dover adottare più costosi sistemi tramviari o metropolitani, è rappresentato dai nuovi veicoli di lunghezza superiore ai 8 metri. Questi veicoli risultano particolarmente adatti all esercizio in modalità BRT Bus Rapid Transit, in quanto la lunghezza ne rende più difficoltosa la guida in traffico promiscuo. Fra le diverse soluzioni attualmente offerte dal mercato va sicuramente citato il nuovo Mercedes- Benz CapaCity L della lunghezza di 2 metri a singola articolazione (vedasi Figura 3). Tale veicolo XXL è infatti in grado di trasportare fino a 9 passeggeri utilizzando componenti stardard di un veicolo da 8, rinunciando quindi a complesse soluzioni tecniche riesce a ridurre i costi di manutenzione, e la presenza di un solo punto di snodo consente di aumentare lo spazio utile per i passeggeri all interno dell abitacolo. Il raggio di curvatura di 24,47 m, congiuntamente con l asse posteriore sterzante e il dispositivo antiflessione ATC (Articulated Turntable Controller) lo rendono estremamente agile da manovrare. Figura 3 - Bus CapaCity L Mercedes-Benz da 2 m 2 Volendo optare per veicoli ancora più capienti è possibile scegliere bus a doppia articolazione di lunghezza superiore come l Exqui.City da 24 metri della Van Hool o il LighTram da 25 metri 2 Foto Capacity L foto su strada fonte:

4 della HESS fino ad arrivare all AutoTram Extra Grand della Fraunhofer IVI da 30 metri con una capacità di trasporto fino a 256 passeggeri. Figura 4 - Bus a doppia articolazione 3 Oltre all adozione di sistemi a maggior capacità di trasporto, il metodo diretto per ridurre l inquinamento ambientale è rappresentato dall adozione di sistemi di propulsione innovativi. Già grazie ai recenti standard EURO e a motori con combustibili alternativi come il CNG (Compressed Natural Gas, miscela a base di metano) si è raggiunto un notevole vantaggio, ma un ulteriore passo in avanti può essere rappresentato dai veicoli ibridi. Questi, infatti, utilizzando sia la trazione termica che la trazione elettrica consentono di ridurre di circa il 30% il consumo di combustibile, apportando un beneficio all ambiente, risultando anche interessanti per l azienda esercente il trasporto pubblico in quanto consentono un apprezzabile risparmio economico di esercizio. In generale si possono identificare due tipologie principali di veicolo ibrido: ibrido serie; ibrido parallelo. Nel primo caso il motore termico è utilizzato solo ed esclusivamente come generatore elettrico e la trazione del veicolo avviene interamente in elettrico, nel secondo caso, invece, mediante un opportuno sistema di trasmissione il motore termico e quello elettrico possono agire in parallelo. Solitamente, nella configurazione parallela, il motore elettrico ha la funzione di avvio dopo una sosta, di marcia alle basse velocità o di supporto al motore termico nelle fasi di accelerazione o di elevate richieste di potenza, mentre durante il resto del tempo la trazione è associata al solo motore termico. In Figura 5 è possibile apprezzare le differenze tra le due diverse configurazioni. Figura 5 - Configurazioni ibrido serie ed ibrido parallelo 4 In entrambe le configurazioni è possibile ottimizzare i consumi grazie al recupero dell energia di frenatura, e grazie ad una maggiore stabilità di punto di lavoro del motore termico, che può essere ottimizzato per massimizzare il proprio rendimento in un range ridotto di velocità. 3 Foto Exqui.City (prima foto) fonte: Rubén Elvira Tarjuelo su Flirck 4 Fonte delle immagini: Southwest Research Institute

5 Sistemi a propulsione elettrica Tra i possibili sistemi ecologici ormai consolidati va sicuramente citato il filobus, questo sistema, in parte caduto in disuso, può infatti essere una valida alternativa al più costoso sistema tranviario, infatti, grazie alla tecnologia doppiamente articolata, già citata in precedenza, dei veicoli da 24 metri si possono ottenere elevate capacità di trasporto con una maggiore flessibilità (vedasi Tabella 3). Pass x ora x dir Costo del Costo per veicolo ( k ) l infrastruttura (k /km) Filobus 2 m Filobus 8 m Filobus 24 m Tram tradizionale Tabella 3 - Valori comparativi fra filobus e tram tradizionale Tale soluzione è stata particolarmente apprezzata a Lucerna dove sono in servizio diversi LightTram HESS sia nella configurazione standard che nella carrozzeria modificata con livrea personalizzata livrea più assomigliante ad un tram: questa specifica variante è stata ribattezzata ER. Il lancio ufficiale, avvenuto a giugno 204 è stato fatto in grande stile con fuochi d artificio e musica (vedi Figura 6). Figura 6 - Inaugurazione del filobus ER a Lucerna e vettura in servizio L importanza di un sistema di trasporto ecologico è stata recepita anche dalla Turchia dove l azienda costruttrice Bozankaya ha realizzato il suo primo filobus a doppia articolazione (vedasi Figura 7), denominato Trambüs, per l azienda esercente della città di Malatya, la MOTAS (Transportation Services of Metropolitan Municipality of Malatya) dove ne sono in servizio dieci. Figura 7 - Filobus a doppia articolazione in servizio a Malatya (Turchia) 5 5 Fonte foto:

6 Il filobus moderno non è solo più lungo, ma è anche dotato delle moderne tecnologie come il pianale ribassato e porte più ampie per agevolare l incarrozzamento delle persone, mentre le batterie agli ioni di litio o i supercapacitori consentono un efficace recupero dell energia di frenata. L aumentata efficienza delle batterie consente, nello specifico, di effettuare alcuni tratti di percorso in trazione puramente elettrica consentendo di eliminare il motore termico dai filobus e rendendoli veicoli full-electric a zero impatto ambientale. Questo è quanto viene sperimentato a Cagliari dalla CTM nell ambito del progetto ZeUS - Zero Emission Urban bus System. In Figura 8 è possibile osservare la linea nella sua configurazione più lunga (servizio estivo), dove in verde sono indicate le tratte in cui il veicolo è alimentato dalla linea di contatto ed in rosso le tratte in cui il veicolo procede con le batterie. Nel capolinea di Poetto è prevista una sosta tecnica di 8 minuti per la ricarica delle batterie. Figura 8 CTM Cagliari, linea di test del progetto ZeUS e vettura da 2 metri esposta a Move.App Expo 205 Attualmente le città europee ancora dotate di reti filoviarie sono 93 con un totale di circa 550 linee servite da circa 5200 veicoli circolanti. Il maggior punto di forza della tecnologia filoviaria è il poter espletare il servizio senza bisogno di rifornimento, pertanto è in grado di svolgere servizi continuativi con turni di più di 20 ore giornaliere. ITALIA: 5 reti ed altre in costruzione Città N reti Città N reti Bulgaria Repubblica Ceca Svizzera Romania Slovacchia Francia Polonia Germania Ungheria Austria Lituania Estonia Grecia Lettonia Paesi bassi Portogallo Spagna Svezia 2 Situazione europea aggiornata al 206 Ogni rete può servire da a più di 0 linee Tabella 4 - Reti filoviarie in Europa Come si evince dai dati di Tabella 4, lo stato che maggiormente sta sfruttando la tecnologia filoviaria risulta essere l Italia con 584 vetture in esercizio di lunghezza variabile fra i 2 e i 8 metri.

7 Reti filoviarie in esercizio in Italia ( ) Città Esercente Vetture Linee Rete [km] () Alimentazione Note [V] Milano ATM x2 m, 3x8 m Sanremo RT solo 2 m Genova AMT solo 8 m La Spezia ATC solo 2 m Parma TEP x2 m, 0x8 m Modena SETA x2 m, 0x8 m Bologna Tper solo 8 m (2) Rimini Start Romagna solo 8 m Cagliari CTM solo 2 m Roma ATAC solo 8 m Ancona Conerobus x2 m, 3x8 m Chieti La Panoramica solo 2 m Napoli ANM solo 2 m Napoli CTP solo 2 m Lecce SGM solo 2 m () Dato relativo all infrastruttura, al netto delle sovrapposizioni, intesi come - ove presente - bifilare di andata e ritorno. La lunghezza totale del bifilare è dunque da considerarsi generalmente raddoppiata. Non sono considerate le tratte di servizio o non in esercizio. (2) 46 in servizio, 49 in consegna Tabella 5 - Reti filoviarie in Italia Un alternativa al filobus può essere rappresentata dall autobus a batterie con alimentazione in punti specifici del percorso. Questa soluzione, ibrida fra un filobus ed un veicolo a batterie standard, porta con sé numerosi vantaggi in quanto risulta possibile: eliminare l effetto invasivo sull arredo urbano della linea di contatto; estendere l autonomia del veicolo; eliminare i tempi di attesa per le ricariche (in quanto non percepiti come tali). La prima soluzione consiste nella ricarica flash mediante super condensatori. Questa soluzione prevede la ricarica in prossimità delle fermate o in punti specifici del percorso, in questi punti il veicolo solleva un apposito pantografo collegandosi al sistema di ricarica che si estende sopra la strada. Tale tecnologia, brevettata dalla ABB, prende il nome di TOSA - Trolleybus Optimisation Système Alimentation ed in Figura 9 è possibile vedere il veicolo ed un dettaglio del sistema di ricarica. Figura 9 - Veicolo TOSA e dettaglio ricarica rapida

8 Soluzione alternativa è stata presentata da Bombardier con il sistema PRIMOVE, in questo caso l alimentazione elettrica del veicolo viene garantita dal suolo mediante un accoppiamento di tipo induttivo (vedasi Figura 0) che avviene alle fermate, ai capolinea od in punti specifici del percorso. Figura 0 - Sistema PRIMOVE di ricarica wireless Confrontando sul piano economico l esercizio di una linea con veicoli tradizionali o con filobus è possibile individuare per quale ammontare di chilometri risulta più conveniente un sistema rispetto all altro. Dal punto di vista metodologico vanno considerati seguenti costi: messa in servizio: un sistema filoviario costa di più di un sistema con bus tradizionale, sia a livello di veicolo che di infrastruttura; esercizio: l energia elettrica ha un costo inferiore rispetto al gasolio; manutenzione: un filobus e la relativa infrastruttura hanno un costo maggiore rispetto ad un bus tradizionale; impatto ambientale: le emissioni di un filobus sono dipendente dal sistema di produzione dell energia elettrica e possono essere notevolmente ridotte adottando energia da fonti rinnovabili. Sulla base di uno studio relativo break even point effettuato dal DITEN per ATC La Spezia e generalizzabile ad altre analoghe realtà, sono stati confrontati tra loro diversi scenari tenendo in conto o meno i costi esterni ed ipotizzando l infrastruttura in finanziamento o con canone di affitto. A tali considerazioni sono stati aggiunti i seguenti scenari: stato attuale; riduzione del costo dell energia (-0%); aumento del costo del carburante (+0%); stato attuale ma utilizzo di supercaps. Nell analisi svolta si è osservato come una diminuzione del 0% del prezzo dell energia elettrica porti ad una diminuzione di circa il 3% del break even point, mentre un aumento del 0% del prezzo del carburante lo riduca di circa il 8%, per cui il costo del combustibile risulta avere un incidenza maggiore. Per quanto concerne il recupero energetico mediante supercapacitori, la riduzione del break even point risulta essere tanto maggiore, quanto più aumentano i chilometri percorsi dai veicoli. Risulta vero in generale, che il filobus diventa la scelta più vantaggiosa maggiore il numero di chilometri percorsi. Questo è facilmente intuibile in quanto, a fronte dei costi fissi invariati, maggiore è l utilizzo maggiore è il risparmio derivante dall utilizzo dell energia elettrica rispetto al diesel. Proprio quest ultima considerazione colloca il filobus nell esercizio di

9 linee di forza e non di linee secondarie. Può essere ulteriormente aumentato il vantaggio applicando corrette politiche di mobilità (corsie riservate, asservimento semaforico ecc) atte ad aumentarne la velocità commerciale. Il progetto HighVLO-City Un alternativa alle limitazioni imposte dai veicoli elettrici sopra citati, potendo comunque disporre di un mezzo a zero impatto ambientale è rappresentata dai sistemi ad idrogeno con fuel cell di tipo PEM (Proton Exchange Membrane). L idrogeno, infatti, può essere utilizzato alla stregua di un normale combustibile liquido, con tempi di rifornimento ridotti ed autonomia paragonabili ad un veicolo diesel. L idrogeno, però, non è un combustibile, ma un vettore energetico in quanto presente abbondantemente in natura legato ad altri elementi chimici e non in forma libera, pertanto deve essere prodotto. Il sistema migliore per la produzione dell idrogeno risulta essere l elettrolisi dell acqua mediante l utilizzo di energia elettrica da fonti rinnovabili. La scelta di un tale metodo consente di avere due importanti vantaggi:. un combustibile di elevata purezza: le fuel cell di tipo PEM richiedono una purezza superiore al 99% 2. una produzione esente da emissioni inquinanti e dalla dipendenza da risorse non rinnovabili Benché molto più economica tali importanti benefici si perderebbero con la produzione di idrogeno mediante steam reforming del metano. Poiché attualmente la tecnologia risulta ancora particolarmente onerosa ed in fase di perfezionamento e le infrastrutture di produzione dell idrogeno sono scarsamente disponibili, l Unione Europea ha finanziato nel tempo diversi progetti di ricerca, i più importanti in termini di sperimentazione effettiva di veicoli risultano essere, in ordine cronologico: CUTE HyFLEET: CUTE CHIC HighV.LO-City Hytransit HyTrEc (Hydrogen Transport Economy for the North Sea Region) In particolare il CIRT - Dipartimento DITEN dell Università degli Studi di Genova, è coinvolto nel progetto HighV.LO-City nell importante ruolo di Evaluation Manager.

10 Il progetto, in corso dal 202, vede coinvolti 3 diversi partner europei: VAN HOOL Belgio 2 RIVIERA TRASPORTI SPA Italia 3 DANTHERM POWER Danimarca 4 SOLVAY SA Belgio 5 DE LIJN Belgio 6 WaterstofNet Belgio 7 Hyer Belgio 8 DITEN Italia 9 REGIONE LIGURIA Italia 0 FIT CONSULTING Italia ABERDEEN CITY COUNCIL Regno Unito 2 BALLAST NEDAM Olanda 3 CNG Net Pit Stop Olanda Lo stesso progetto prevede la sperimentazione di 4 autobus ad idrogeno in 3 diverse città europee:. Sanremo Italia OTP 6 : Riviera Trasporti 5 autobus; 2. Aberdeen Scozia OTP: First Group 4 autobus; 3. Anversa Belgio OTP: DeLijn 5 autobus. Gli autobus, realizzati dalla Van Hool, presentano le seguenti caratteristiche: lunghezza complessiva: 3,55 m; 3 assi con secondo asse sterzante elettronicamente; numero massimo di passeggeri: 04; frenatura rigenerativa (Batterie Li-Ion da 40 Ah); fuel cell di tipo PEM da 50 kw; serbatoi per l idrogeno posti sul tetto (idrogeno in stato gassoso); o capacità di ogni bombola 5 kg H2. Sanremo ed Anversa hanno una configurazione a 8 bombole, Aberdeen a 0; o massima pressione di rifornimento 350 bar; peso a vuoto del veicolo: kg. Attualmente risultano in servizio i siti di Aberdeen ed Anversa. In Scozia, l Aberdeen City Council, ha deciso di investire considerevolmente sulla tecnologia ad idrogeno. Per tale motivo, al fine di garantire una facile evoluzione dell incremento della flotta di veicoli, l idrogeno è prodotto da un impianto costituito da tre elettrolizzatori nelle cui prossimità sono collocate le due pompe di distribuzione. Quest ultime, vicine tra loro, non consentono un rifornimento simultaneo di più autobus, ma hanno lo scopo in modalità ridondata di garantire una continuità di servizio. Sia l impianto di distribuzione che di produzione sono gestiti da BOC. Diverso risulta, invece, il caso di Anversa nel quale l idrogeno non viene prodotto in modo diretto, ma si utilizza l idrogeno ottenuto come residuo derivato da altre attività industriali della società Solvay, la quale ha approntato una pompa di rifornimento per consentire la ricarica degli autobus della DeLijn (compagnia di Trasporto Pubblico di Anversa). Considerando i sei mesi di servizi effettivo svolti dagli autobus di Anversa, la distanza totale percorsa dagli autobus risulta essere pari a km utilizzando 4030 kg di idrogeno: di conseguenza il consumo medio di idrogeno è risultato pari a 9,5 kg/00km. 6 OTP Operatore Trasporto Pubblico

11 La distanza percorsa risulta inferiore all obiettivo fissato di km (valore basato sulla percorrenza media della flotta diesel) a causa, ancora, della mancanza di autisti formati per tale servizio. Per quanto concerne la disponibilità tecnica del veicolo (vedasi Figura ), escludendo i primi mesi di esercizio, è possibile riscontrare come il valore rispetti l obiettivo di progetto del 90%. Figura - Disponibilità tecnica degli autobus ad Anversa Ad Aberdeen, nei primi undici mesi di servizio sono stati percorsi km utilizzando kg di idrogeno, risultando un consumo medio di idrogeno pari a 0,9 kg/00km. Il maggior consumo di idrogeno può essere imputato ad un diverso stile di guida, soprattutto, alla maggior richiesta energetica da parte dei servizi ausiliari a causa del clima più rigido. In questo caso la distanza complessiva percorsa dalla flotta risulta inferiore all aspettativa di km (valore basato sulla percorrenza media della flotta diesel) per alcune ragioni tecniche, come è possibile osservare in Figura 2. 00% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 0% 0% Technical availability Bus technically available Bus technically unavailable Monthly average tech. av. Project target Figura 2 - Disponibilità tecnica degli autobus ad Aberdeen

12 CONCLUSIONI Il programma Horizon 2020 destinerà ingenti fondi ad iniziative mirate alla realizzazione di mezzi di trasporto più efficienti e meno inquinanti ed a progetti in grado di migliorare la mobilità di persone e merci riducendo la congestione aumentando comfort e sicurezza. In tale ambito di inserisce l intera filiera di veicoli e sistemi che coprono l intera gamma rappresentata da bus elettrici, ibridi e filobus attraverso tutte le metologie di ricarica flash o rapida. L attenzione dei produttori si è sempre più orientata su soluzioni eco sostenibili in grado di garantire elevate capacità di trasporto: anche per quanto riguarda i veicoli su gomma si sta assistendo in Europa alla diffusione, per gli assi di forza dedicati, di vetture a singola o doppia articolazione da 8 e 24 metri di lunghezza. La sperimentazione di veicoli fuel cell alimentati ad idrogeno, caratterizzati da emissioni nulle, ha l obiettivo di valutare i fattori che fino ad oggi ne hanno ostacolando la diffusione, quali l elevato costo iniziale, la scarsa diffusione di sistemi per la produzione, distribuzione e rifornimento dell idrogeno. Grazie al finanziamento di alcuni importanti progetti nell ambito del FP7 da parte della Commissione Europea sono in corso di sviluppo strumenti idonei a superare le su esposte problematiche. Note: Le foto prive di indicazione della fonte sono state realizzate da Riccardo Genova o sono state estratte direttamente dal sito dell azienda di riferimento.