L'innovazione per i sistemi di mobilità elettrica - Esperienze di ATM Alberto Zorzan Presidente ATM Servizi SpA
Veicoli per il TpL elettrici oggi Tecnologia dei sistemi di trazione elettrici già matura e pienamente sviluppata dal secolo scorso Occorre un sistema di accumulo dell energia a bordo, leggero, poco ingombrante e di alta capacità La mobilità elettrica: è la scelta più vantaggiosa da un punto di vista energetico? è pienamente fruibile rispetto alla trazione con motori a combustione interna? è sostenibile a livello globale? 2
Well-to-wheels efficiency RENDIMENTO ELETTRICO IDROGENO DIESEL IBRIDO WELL TO TANK Estrazione NG 91% Estrazione NG 91% Estrazione, trasporto e raffinazione gasolio 84% Estrazione, trasporto e raffinazione gasolio 84% Trasporto NG 95% Trasporto NG 95% Produzione energia elettrica in centrale TG-CC 55% Produzione energia elettrica in centrale TG-CC 55% Perdite di rete 93% Perdite di rete 93% Ricarica batterie 90% Elettrolisi 95% Compressione H2 70% TOTALE 39,8% 29,4% 84,0% 84,0% TANK TO WHEELS Motore e trasmissione 92% Motore e trasmissione 92% Motore 30% Stima globale in ambito urbano 37% Inverter 95% Inverter 95% Trasmissione 98% Batteria e conversioni AC/DC 95% Fuel-cell e conversioni AC/DC 70% Attesa a motore acceso 90% TOTALE 83,0% 61,2% 26,5% 37,0% WELL TO WHEELS 33,0% 18,0% 22,2% 31,1% EMISSIONI CO2 BUS 12 m (kg/km) 0,5 2,77 1,32 1,14 3
Architetture per la trazione di bus 12 m Bus Elettrico Bus Idrogeno Bus Ibrido Bus Diesel Overnight charging 180 kw 180 kw H 2 350 bar 150 kw 180 kw 10 kwh 240 kw CONSUMO 250 350 kwh 150 kwh/100 km 10 kwh 120 kw 11 kg H 2 /100 km 40 l/100 km 50 l/100 km 840 kwh/100 km 400 kwh/100 km 500 kwh/100 km EV MODE EV MODE EV MODE EV MODE 100% 100% 25% 0% CAPACITA 75 passeggeri 75 passeggeri 90 passeggeri 100 passeggeri COSTO VEICOLO 4
Sostenibilità di un veicolo elettrico Maggior efficienza globale well-to-wheels Assenza di emissioni inquinanti locali L energia elettrica per la ricarica può provenire da fonti rinnovabili, biogas e biomasse La tecnologia delle batterie rende già oggi disponibili sul mercato e pronti al roll-out bus elettrici overnight charged rispondenti alle necessità di un servizio TPL in ambito urbano Capacità di trasporto inferiore rispetto ad un bus MCI Se ATM avesse 1.200 bus elettrici, in un anno consumerebbe l energia mediamente consumata da 48.000 famiglie Costo acquisto bus e realizzazione infrastruttura di ricarica Tempi di ricarica 5
e di un ibrido Offrono un efficienza globale well-to-wheels prossima a quella dei veicoli elettrici Rappresentano una soluzione di transizione Non richiedono interventi infrastrutturali per la ricarica Consentono di percorrere tratte in modalità EV Non sono a zero emissioni in tutte le condizioni di esercizio Sono comunque alimentati con combustibili di origine fossile 6
Smaltimento delle batterie a fine vita Un problema industriale Si stima che nel 2035 la disponibilità di batterie usate di veicoli elettrici e ibridi sarà di circa 65 GWh. RIUSO vs. RICICLO 7
Smaltimento delle batterie a fine vita Un problema industriale Re-impiego delle batterie usate in sistemi stazionari di accumulo energia (ad es. eolica o solare, backup, smart grid), con cicli meno stressanti Necessario smistare e valutare accuratamente le batterie usate per individuare quelle con le caratteristiche migliori, assemblarle nuovamente, testarle, fornire una garanzia Incognita costo rispetto al nuovo (future economie di Recupero della maggior quantità possibile di metalli pregiati (alluminio, rame, litio, cobalto, manganese, nickel) Attualmente eseguito tramite processi pirometallurgici ad alta temperatura, ma altamente inquinanti Costo specifico degli attuali processi quasi comparabile con il costo delle materie prime scala) Soluzione temporanea, a fine vita ci sarà sempre un rifiuto Sono allo studio nuovi processi con minor impatto ambientale che consentano il recupero dei metalli attivi con attacchi acidi, separandoli attraverso precipitazioni ed estrazioni selettive. 8
Benefici ambientali della mobilità elettrica ATM trasporta ogni giorno 1,5 milioni di passeggeri con mezzi a trazione elettrica. Per l ambiente che beneficio comporta l uso del mezzo pubblico a trazione elettrica? Se tutti si muovessero in auto Ipotesi: 1,3 passeggeri/auto Percorso medio: 8 km Consumo medio: 15 km/litro mentre con i mezzi pubblici 780 MWh/giorno di energia elettrica per la trazione 1ˊ465 ton/giorno di CO 2 257 ton/giorno di CO 2 9
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus elettrici Da Marzo 2014 ATM sperimenta in servizio passeggeri sulla linea 84 due autobus elettrici 12 m, ricaricati durante la notte presso il deposito di San Donato. Esercizio giornaliero programmato: Tab. 5 U 6:05 R 19:47 (158 km) Tab. 10 U 6:49 R 10:38 (48 km) Percorrenza totale: 100.000 km Consumo energetico medio: 1,5 kwh/km (il 100% dell energia consumata è prodotta dall impianto fotovoltaico di deposito) Bus elettrico 12 m Linea 84 Dep. San Donato Autonomia in esercizio 150 180 km, correlata con la temperatura ambientale (maggiore nel range 15 25 C, minore in inverno ed estate) 10
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus elettrici Gestione semplice ed efficiente della ricarica in deposito Apprezzamento del confort, della silenziosità e dell aspetto innovativo da parte dei clienti Manutenzione programmata e tasso di guasto estremamente ridotti Autonomia sufficiente per una giornata completa di esercizio La programmazione dell esercizio deve tener conto dei tempi di ricarica Necessaria abilitazione PES ai sensi della Norma CEI 11-27 per il personale manutentivo 11
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus elettrici Sviluppi futuri E in corso l assegnazione di Accordo Quadro per bus elettrici 12 m con ricarica plug-in overnight a standard IEC 62196-2 Valutata anche soluzione «opportunity charging», ma al momento non prevista La soluzione prevede: Motoruote integrate nei mozzi senza albero di trasmissione e ponte tradizionale Tutti gli ausiliari (compressori clima ed aria compressa, pompa idroguida) ad azionamento elettrico Impianto di climatizzazione estiva ed invernale integrale Impianto di videosorveglianza con mobile router Annuncio prossima fermata Postazione disabile con rampa di accesso 12
Quale futuro per l idrogeno Efficienza tank-to-wheels molto elevata Tecnologia già matura e disponibile sul mercato (sono in commercio veicoli con autonomia di 500 km) Efficienza well-to-wheels ridotta dal processo di produzione dell idrogeno tramite elettrolisi dell acqua Elevati costi di acquisto dei veicoli e degli impianti di produzione dell idrogeno Diffusione strettamente connessa alla disponibilità di idrogeno prodotto con energia derivante da fonti rinnovabili o con processi differenti rispetto all elettrolisi. 13
Quale futuro per l idrogeno L idrogeno è un «vettore di energia» che, all interno della fuel-cell, dà luogo alla reazione inversa dell elettrolisi: ricombinandosi con l ossigeno produce energia elettrica ed acqua. L elettrolita della fuel-cell è costituito da una membrana polimerica che consente il passaggio solo degli ioni H+, mentre gli elettroni sono costretti ad attraversare un circuito elettrico esterno, dove creano un flusso di corrente continua finché la reazione procede. Reazione anodica Reazione catodica Il rendimento di questa reazione (circa 70%) è notevolmente più alto della combustione dei derivati del petrolio in un MCI, candidando effettivamente l idrogeno, se prodotto da fonti rinnovabili e/o processi differenti dall elettrolisi, ad essere uno dei «combustibili del futuro». 14
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus ad idrogeno Da Luglio 2013 ATM sperimenta in servizio passeggeri sulla linea 84 tre autobus ad idrogeno 12 m, nell ambito del progetto europeo CHIC, che hanno percorso complessivamente 250.000 km. Bus fuel-cell 12 m Linea 84 Dep. San Donato 15
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus ad idrogeno L impianto di produzione dell idrogeno è alimentato dall energia dell impianto fotovoltaico da 260 kw e di un cogeneratore da 2 MW ad alta efficienza presenti nel deposito di San Donato, in un ciclo prossimo a «zero emissioni». O 2 H 2 O Consumo medio H 2 : 11 kg/100 km Autonomia reale: 200 230 km, variabile in funzione della temperatura ambientale 16
La soluzione ibrida Ibrido Serie Ibrido Parallelo MCI non collegato meccanicamente alle ruote, ma ad un generatore che produce la corrente necessaria all azionamento del ME di trazione. PRO: - assenza trasmissione - funzionamento MCI nei punti di lavoro a massimo rendimento - possibile marcia a zero emissioni (in base alla capacità della batteria) - flessibilità costruttiva CONTRO: - bassa efficienza nella marcia a velocità costante ed elevata (doppia conversione) MCI collegato meccanicamente alle ruote, con un ME che lavora in parallelo al MCI fornendo coppia all albero di trasmissione. PRO: - semplicità delle modifiche necessarie per la conversione di un veicolo tradizionale - efficienza globale costante all aumentare della velocità CONTRO: - marcia a zero emissioni, se prevista, possibile solo con prestazioni ridotte - complessità superiore rispetto ad un veicolo tradizionale per la presenza del nodo meccanico 17
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus ibridi Bus ibrido serie 12 m Linea 50 Dep. Giambellino 160.000 km Bus ibrido serie 12 m Linea 58 Dep. Novara 180.000 km Bus ibrido serie 18 m Linea 94 Dep. Sarca 110.000 km In servizio di linea da febbraio 2011 18
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Metropolitana, tram e filobus Tutti i veicoli recentemente acquisiti da ATM sono dotati di azionamenti con inverter elettronico ad alta efficienza e recupero dell energia in frenata in linea o con supercapacitori. Vantaggi: elevato rendimento energetico maggior confort di marcia partenza ed accelerazione modulabile possibilità di controllo del jerk elevata affidabilità e manutenibilità minor calore dissipato energia recuperata impiegata da altri veicoli in linea 19
Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Metropolitana, tram e filobus CONSUMO CON AZIONAMENTO CONSUMO CON AZIONAMENTO VEICOLO TRADIZIONALE AD INVERTER % (kwh/km) (kwh/km) TRENO METROPOLITANO M1 tradizionale Reostatico 14,2 M1 LEONARDO 10,7-25% TRAM Serie 4900 AEG Reostatico 4,1 Serie 4900 REVAMPING 3,1-24% FILOBUS SOCIMI F8843 Chopper 3,2 VAN HOOL AG300T 2,6-17% 20
Alberto Zorzan Presidente ATM Servizi SpA