L'INNOVAZIONE PER I SISTEMI DI MOBILITÀ ELETTRICA - ESPERIENZE DI ATM - ALBERTO ZORZAN PRESIDENTE ATM SERVIZI SPA - CLASS ONLUS
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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?
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Well-to-wheels efficiency
RENDIMENTO ELETTRICO IDROGENO DIESEL IBRIDO
Estrazione, trasporto e Estrazione, trasporto e
WELL TO TANK Estrazione NG 91% Estrazione NG 91% 84% 84%
raffinazione gasolio raffinazione gasolio
Trasporto NG 95% Trasporto NG 95%
Produzione energia elettrica in Produzione energia elettrica in
55% 55%
centrale TG-CC centrale TG-CC
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
0,5 2,77 1,32 1,14
BUS 12 m (kg/km)
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Architetture per la trazione di bus 12 m
Bus Elettrico Bus Idrogeno Bus Ibrido Bus Diesel
Overnight charging
180 kW 150 kW 180 kW
180 kW
H2 350 bar
10 kWh
240 kW
10 kWh 120 kW
250÷350 kWh
11 kg H2/100 km 40 l/100 km 50 l/100 km
CONSUMO 150 kWh/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 €€€ €€€€€€ €€ €
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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
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…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
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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
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Smaltimento delle batterie a fine vita
Un problema industriale
Re-impiego delle batterie usate in sistemi stazionari di Recupero della maggior quantità possibile di metalli
accumulo energia (ad es. eolica o solare, backup, pregiati (alluminio, rame, litio, cobalto, manganese,
smart grid), con cicli meno stressanti nickel)
Necessario smistare e valutare accuratamente le Attualmente eseguito tramite processi piro-
batterie usate per individuare quelle con le metallurgici ad alta temperatura, ma altamente
caratteristiche migliori, assemblarle nuovamente, inquinanti
testarle, fornire una garanzia Costo specifico degli attuali processi quasi comparabile
Incognita costo rispetto al nuovo (future economie di con il costo delle materie prime
scala)
Soluzione temporanea, a fine vita ci sarà sempre un Sono allo studio nuovi processi con minor impatto
rifiuto ambientale che consentano il recupero dei metalli attivi
con attacchi acidi, separandoli attraverso precipitazioni
ed estrazioni selettive.
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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… …mentre con i mezzi pubblici
Ipotesi: 1,3 passeggeri/auto 780 MWh/giorno di energia
Percorso medio: 8 km elettrica per la trazione
Consumo medio: 15 km/litro
1ˊ465 ton/giorno di CO2 257 ton/giorno di CO2
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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 Bus elettrico 12 m
deposito) 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)
10Esperienze 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
11Esperienze 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
12Quale 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.
13Quale 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».
14Esperienze 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
15Esperienze 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».
O2
H2O
Consumo medio H2: 11 kg/100 km
Autonomia reale: 200÷230 km, variabile in
funzione della temperatura ambientale
16La soluzione ibrida
Ibrido Ibrido
Serie Parallelo
MCI non collegato meccanicamente alle ruote, ma ad un MCI collegato meccanicamente alle ruote, con un ME che lavora
generatore che produce la corrente necessaria all’azionamento del in parallelo al MCI fornendo coppia all’albero di trasmissione.
ME di trazione.
PRO:
PRO: - semplicità delle modifiche necessarie per la conversione di un
- assenza trasmissione veicolo tradizionale
- funzionamento MCI nei punti di lavoro a massimo rendimento - efficienza globale costante all’aumentare della velocità
- possibile marcia a zero emissioni (in base alla capacità della
batteria) CONTRO:
- flessibilità costruttiva - marcia a zero emissioni, se prevista, possibile solo con
prestazioni ridotte
CONTRO: - complessità superiore rispetto ad un veicolo tradizionale per
- bassa efficienza nella marcia a velocità costante ed elevata la presenza del nodo meccanico
(doppia conversione)
17Esperienze di ATM nella mobilità elettrica
Autobus ibridi
Bus ibrido serie 12 m
Bus ibrido serie 12 m
Linea 50 – Dep. Giambellino
Linea 58 – Dep. Novara
160.000 km
180.000 km
Bus ibrido serie 18 m
Linea 94 – Dep. Sarca
110.000 km In servizio di linea da febbraio 2011
18Esperienze 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
19Esperienze di ATM nella mobilità elettrica
Metropolitana, tram e filobus
CONSUMO CON AZIONAMENTO CONSUMO CON AZIONAMENTO
VEICOLO TRADIZIONALE AD INVERTER ∆%
(kWh/km) (kWh/km)
M1 tradizionale
TRENO METROPOLITANO 14,2 M1 LEONARDO 10,7 -25%
Reostatico
Serie 4900 AEG
TRAM 4,1 Serie 4900 REVAMPING 3,1 -24%
Reostatico
SOCIMI F8843
FILOBUS 3,2 VAN HOOL AG300T 2,6 -17%
Chopper
20Alberto Zorzan Presidente ATM Servizi SpA
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