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

Estrazione NG 91% Estrazione NG 91%Estrazione, trasporto e

raffinazione gasolio84%

Estrazione, trasporto e

raffinazione gasolio84%

Trasporto NG 95% Trasporto NG 95%

Produzione energia elettrica in

centrale TG-CC55%

Produzione energia elettrica in

centrale TG-CC55%

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%

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

EMISSIONI CO2

BUS 12 m (kg/km)

IBRIDO

31,1%

0,5 2,77 1,32 1,14

33,0% 18,0% 22,2%

TANK TO WHEELS

WELL TO TANK

ELETTRICO IDROGENO DIESEL

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Architetture per la trazione di bus 12 m

Bus Elettrico

Overnight charging

180 kW

250÷350 kWh

EV MODE

100%

75 passeggeri

€€€

Bus Idrogeno

10 kWh

75 passeggeri

€€€€€€

180 kW

Bus Ibrido

10 kWh

90 passeggeri

€€

150 kW 180 kW

EV MODE

25%

Bus Diesel

240 kW

EV MODE

0%

100 passeggeri

€

4

50 l/100 km 40 l/100 km 11 kg H2/100 km

150 kWh/100 km

120 kW

H2 350 bar

EV MODE

100%

840 kWh/100 km 400 kWh/100 km 500 kWh/100 km CONSUMO

CAPACITA’

COSTO VEICOLO

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

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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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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

scala)

Soluzione temporanea, a fine vita ci sarà sempre un

rifiuto

Recupero della maggior quantità possibile di metalli

pregiati (alluminio, rame, litio, cobalto, manganese,

nickel)

Attualmente eseguito tramite processi piro-

metallurgici ad alta temperatura, ma altamente

inquinanti

Costo specifico degli attuali processi quasi comparabile

con il costo delle materie prime

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.

Smaltimento delle batterie a fine vita Un problema industriale

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

1ˊ465 ton/giorno di CO2

…mentre con i mezzi pubblici

780 MWh/giorno di energia elettrica per la trazione

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 deposito)

Autonomia in esercizio 150÷180 km, correlata con la temperatura ambientale (maggiore nel range 15÷25 °C, minore in inverno ed estate)

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Bus elettrico 12 m Linea 84 – Dep. San Donato

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

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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

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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.

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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».

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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.

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Bus fuel-cell 12 m Linea 84 – Dep. San Donato

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».

O2

H2O

Consumo medio H2: 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

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In servizio di linea da febbraio 2011

Bus ibrido serie 12 m Linea 58 – Dep. Novara

180.000 km

Bus ibrido serie 12 m Linea 50 – Dep. Giambellino

160.000 km

Bus ibrido serie 18 m Linea 94 – Dep. Sarca

110.000 km

Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Autobus ibridi

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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

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Esperienze di ATM nella mobilità elettrica Metropolitana, tram e filobus

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VEICOLO ∆%

TRENO METROPOLITANOM1 tradizionale

Reostatico14,2 M1 LEONARDO 10,7 -25%

TRAMSerie 4900 AEG

Reostatico4,1 Serie 4900 REVAMPING 3,1 -24%

FILOBUSSOCIMI F8843

Chopper3,2 VAN HOOL AG300T 2,6 -17%

CONSUMO CON AZIONAMENTO

TRADIZIONALE

(kWh/km)

CONSUMO CON AZIONAMENTO

AD INVERTER

(kWh/km)

Alberto Zorzan

Presidente ATM Servizi SpA