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ElettriCittà

Innovazione energetica in un contesto urbano

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Indice

Componenti del gruppo 3 Introduzione 4

Ringraziamenti 5 Led 6

Piezoelettrico 11 Sistema di recupero 14 con freni rigenerativi

PrimoveCity 19 Promozione e immagine 23

Bibliografia 24

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Titolo del Progetto: ElettriCittà - Innovazione energetica in un contesto urbano

Teamleader: Tommaso Giovannoni, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di Milano sede Bovisa

Membri del Gruppo: Matteo Albanese, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di Milano sede Bovisa;

Federica Andrisani, studentessa in Ingegneria Energetica, Politecnico di

Milano sede Bovisa;

Matteo Berciga, studente in Ingegneria Gestionale, Politecnico di Milano sede Bovisa ;

Maria Biglieri, studentessa in Economia, Università Cattolica del Sacro

Cuore;

Lisa Bignotti, studentessa in Ingegneria Energetica, Politecnico di Milano sede Bovisa;

Filippo Boscolo Fiore, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di

Milano sede Bovisa;

Mattia Brambilla, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di Milano sede Bovisa;

Shendbart Dalani, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di

Milano sede Bovisa;

Alessandro Garcia, studente in Ingegneria Energetica, Politecnico di Milano sede Bovisa;

Silvia Negri, studentessa in Lingue, Università Cattolica del Sacro Cuore;

Chiara Rapelli, studentessa in Lingue, Università Cattolica del Sacro

Cuore;

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Introduzione

“ Nulla si crea né si distrugge

Il movimento genera energia per il movimento ”

Eraclito

Fin dai tempi più remoti, i temi di energia ed evoluzione tecnologica sono sempre stati molto cari

all‟uomo e, anche oggi come allora, la società avverte la necessità di rinnovarsi.

Assorbiti da una realtà frenetica in continuo mutamento, gli studenti del gruppo Greenergy hanno individuato a soggetto del proprio progetto “ElettriCittà - Innovazione energetica in un contesto

urbano” il trasporto pubblico milanese, dedicando particolare attenzione all‟ambiente metropolitano.

Consci, infatti, di come gli abitanti del capoluogo lombardo usufruiscano a fondo di metro, autobus e tram, tutte reti ben distribuite sul territorio, l‟idea di centrare il lavoro su un tale ambito è sorta

quasi spontaneamente.

Milano, città avanzata sotto molti aspetti, non ultimo quello tecnologico, ben si presta a quest‟opportunità di intervento volto sia a ridurre i consumi di energia, con conseguente risparmio

da parte dell‟azienda partner, che all‟utilizzo di soluzioni tecnologiche di nuova concezione tanto semplici quanto efficaci.

L‟ impresa alla quale il gruppo si rivolge è, naturalmente, ATM – Azienda Trasporti Milanesi, a cui si vuole affiancare non solo l‟ immagine di azienda innovativa, ma anche, grazie all‟enorme

visibilità di cui gode la stessa, il ruolo di tramite per la diffusione delle tecnologie di seguito proposte anche al privato cittadino.

Questo è uno degli obiettivi fissati dai ragazzi di Greenergy, i quali prospettano,

nell‟eventualità di attuazione del progetto, un‟ espansione dello stesso al di là delle porte di Milano, andando ad abbracciare metropoli italiane (ad esempio Roma) per proseguire poi, entro i confini

europei, con altre città come Londra, Barcellona, Parigi e Berlino.

I mezzi scelti per la costruzione di un elaborato intento a gestire i consumi e minimizzare le dissipazioni di energia in vista di una mobilità „sostenibile‟, come quello qui presentato, sono:

luminarie LED

pavimentazione piezoelettrica

Sistema di recupero con freni rigenerativi (KERS)

dispositivo PrimoveCity ideato da Bombardier

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Ringraziamenti

Ringraziamo ATM per la disponibilità dimostrataci durante la visita all‟azienda, sottolineando la

nostra soddisfazione per l‟interessamento manifestato nei confronti delle nostre idee, idee di cui la società stessa sta valutando la fattibilità e la convenienza, facendoci percepire, come da noi

immaginato e ipotizzato, che non si tratti di un progetto tanto lontano da una realizzazione a breve.

Ringraziamo, inoltre, il Professor Alberto Dolara, del dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, per il supporto informativo sul sistema di recupero tramite la tecnologia K.E.R.S.

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Light Emitting Diodes LED

Con la presente trattazione, il cui oggetto di interesse è l‟impianto illuminotecnico delle stazioni

della Metropolitana, intendiamo mostrare come sia possibile risparmiare da un punto di vista sia energetico, che economico.

A questo scopo, proponiamo la sostituzione delle consuete lampade tubolari fluorescenti in favore di quelle a tecnologia LED, riducendo in sequenza costi di alimentazione/manutenzione e consumo

energetico. Ricordiamo, infatti, che risparmiare energia non significa soltanto ridurre costi, bensì anche le

emissioni in atmosfera di CO2 e gas serra.

--funzionamento--

A fini esplicativi e di chiarimento introduciamo qui di seguito alcune grandezze utili al nostro esame e rispettive unità di misura:

- Flusso luminoso emesso: quantità totale di radiazioni visibili - misurata in lumen [lm];

- Efficienza luminosa: rapporto tra flusso luminoso emesso e potenza assorbita [lm/W];

- Durata media di vita: misurata in ore [h];

- Temperatura di colore: parametro che descrive il colore apparente della luce emessa da una

sorgente luminosa – misurata in gradi Kelvin [K];

- Indice di resa cromatica: quantifica la capacità di una sorgente di far percepire i colori degli oggetti illuminati - ha valore dimensionale compreso tra 0 e 100;

- Illuminamento: rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da un elemento di superficie e l‟area della

superficie stessa – misurata in lux [lx] = [1lm/m2];

La convenienza economica di una lampada è legata principalmente all‟efficienza luminosa,

ma sussistono altri fattori che contribuiscono alla sua definizione, come i costi di manutenzione (i quali, nel caso delle lampade al neon, assorbono la quota di spesa maggiore), i costi per lo

smaltimento e, naturalmente, il costo di primo acquisto e quello per l‟eventuale sostituzione. L‟insieme di questi aspetti ci permette di ottenere un quadro globale e completo per la valutazione di

costo di una sorgente da un punto di vista puramente economico. L‟efficienza luminosa resta comunque il parametro che più influenza il risparmio energetico, e, sotto questo aspetto, la miglior

fonte luminosa resta la lampada al sodio a bassa pressione che raggiunge valori attorno ai 200 lm/W. Questo parametro mette a confronto due grandezze non omogenee, la luce e l‟elettricità, che sono,

però, le due componenti fondamentali di una sorgente luminosa artificiale; di fatto, l‟efficienza luminosa ne ingloba sia l‟aspetto tecnico che quello economico.

Infatti, tale rapporto tra la quantità di radiazione luminosa emessa (con lunghezza d‟onda compresa tra 380 e 780 nm, cioè nel visibile) e la totale potenza elettrica assorbita per ottenere quel

determinato fascio luminoso, è un confronto tra l‟energia utile a valle (la luce) e l‟energia assorbita a monte (la potenza elettrica).

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Attualmente l‟efficienza dei LED ha ampiamente varcato il valore dei 100 lm/W, raggiungendo quindi prestazioni nettamente migliori di quelle di lampade a incandescenza e fluorescenti.

Noi ci occuperemo per il momento della sola efficienza luminosa e non della qualità della

luce emessa (prestazione cromatica), considerando i principali fenomeni dispersivi del “rendimento” luminoso: il calore e le radiazioni agli estremi del visibile, cioè ultravioletti e infrarossi.

La tecnologia LED, infatti, a differenza di tutte le altre sorgenti luminose, comporta soltanto una dissipazione di calore, mentre l‟energia associata alle radiazioni ultraviolette ed infrarosse è nulla.

La percentuale di luce si attesta a circa il 15% del bilancio energetico, mentre il calore incide per il restante 85%.

Nonostante questo, l‟efficienza luminosa nei LED non è ancora ai livelli delle lampade al sodio, ma sembrano esserci tutti i presupposti per un futuro allineamento.

Attualmente i LED sono disponibili in svariate temperature di colore, caratteristica tecnica che influenza fortemente l‟efficienza luminosa.

Infatti, le efficienze superiori ai 100 lm/W, che rendono concorrenziale il LED rispetto alle sorgenti tradizionali, sono in realtà assicurate solamente per temperature di colore molto alte, tra i

5000 e i 6000 gradi Kelvin, cioè per tonalità fredde. Diminuendo la temperatura di colore, per ottenere tonalità più vicine a quelle delle delle altre

sorgenti, ad esempio 3000 K, l‟efficienza cala drasticamente dell‟ordine del 30%. Di conseguenza, l‟ottenimento di un risparmio energetico significativo richiede l‟ abbandono delle

tonalità calde a cui siamo abituati, ma riteniamo che questa sia una rinuncia doverosa in un‟ottica di risparmio energetico.

Per sintetizzare riportiamo nella seguente tabella i dati tecnici comparativi delle due tecnologie*:

Tecnologia Lampade Fluorescenti

Compatte

LED

Efficienza luminosa

50 – 90 lm/W 100 – 120 lm/W

Temperatura di colore

2700 – 5400 °K 5000 – 6000 °K

Indice di resa cromatica

75 – 90 75 – 80

Durata media di vita

10000 – 12000 ore 60000 – 70000 ore

*dati medi di lampade di stessa lunghezza, potenza ed illuminamento. Ciò che si può notare nell‟immediato, per la sorgente LED, è la netta superiorità in termini di

durata media di vita e ed efficienza luminosa, mantenendo quasi inalterata la resa cromatica a patto di scartare le tonalità calde del fascio luminoso emesso.

Dai dati di cui sopra, evinciamo che l‟utilizzo del LED risulta decisamente conveniente in termini di consumo energetico e, di conseguenza, economici.

Ricaviamo quindi un confronto economico tra due singole sorgenti luminose a parità di illuminamento, una a fluorescenza e una a LED, di nuova installazione e in un periodo di tempo

non inferiore alla durata di un tubolare LED (60000 ore).

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Lampada fluorescente 2 x 58W*

Tubi a LED H15-30

2 x 30W*

Dimensione (mm) 1500(x2) 1500(x2)

Durata media di vita (ore) 15.000 60.000

Costo medio di listino € 10,00 € 146,00

Consumo effettivo (Watt) 60 x 2 = 120W 30 x 2= 60W

Illuminamento a 2 metri (Lux) 57 65

Pezzi necessari per 60000 ore 4 x 2 = 8 2

Costo totale materiali 10€x8=80,00€ (146€x2)=292,00€

Numero interventi in 60000 ore 4 1

Costo intervento elettricista 7€ 7€

Costo totale manutenzione 7€x4=28,00€ 7€x1=7,0€

Costo unitario energia 0,113€/kWh 0,113€/kWh

Consumo totale energia in 60000 ore (kWh) 60W x 2 x 60000h / 1000=

7200kWh

30W x 2 x 60000h / 1000=

3600kWh

Costo totale energia elettrica € 813,60 € 406,8

Costo totale acquisto manutenzione e utilizzo € 921,60 € 705,8

* dati da Sinoma International Engineering Co., Ltd

Nonostante l‟elevato costo d‟acquisto iniziale del LED, si può notare come costi di manutenzione e di consumo energetico risultino la componente di costo di maggior incidenza per le lampade a

fluorescenza, permettendo quindi al LED, nell‟orizzonte fissato(60000 h), di risparmiare 251,8 € e di ridurre i consumi di 3600 kWh per ogni punto luce installato.

In seguito alla verifica della convenienza delle lampade a LED per impianti di nuova installazione, prendiamo in considerazione il caso di sostituzione di lampade preesistenti, per le

quali la sostituzione stessa della lampada non richiede costi aggiuntivi, se non di manodopera (solo cablaggio).

Nella linea del tempo sottostante è raffigurato l‟orizzonte temporale dell‟investimento, suddiviso in 7 anni. (1 anno = 8760 ore).

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Le frecce blu, a intervalli regolari di 8760 ore, segnano l‟inizio di ogni anno, mentre quelle rosse, ad

intervalli di 15000 ore, segnano gli interventi di manutenzione che risulterebbero necessari per le

lampade fluorescenti. Gli istogrammi raffigurano il consumo annuo delle due differenti tecnologie, 1051,2 kWh delle

lampade a fluorescenza contro i 525,6 kWh del Led.

Calcolando inoltre con i dati a nostra disposizione il risparmio annuo di kWh, e valorizzandolo al

costo orario dell‟energia (0,113 € kWh) si ottiene:

Risparmio annuo = [(0,12 kW – 0,06 kW) x 8760 h] x 0,113 €/kWh = 59,39 €

Raccogliendo tutti i costi in una tabella come quella sottostante si evidenzia la variazione di costo per ogni singolo anno:

Anno 0 Anno 1 Anno 2 Anno 3 Anno 4 Anno 5 Anno 6

Acquisto : + 292 € Installazione: + 7 € Risparmio energia: - 59,39€

Risparmio energia: -59,39€ Risparmio manutenzione -7€

Risparmio energia: -59,39€

Risparmio energia: - 59,39€ Risparmio manutenzione -7€

Risparmio energia: -59,39€

Risparmio energia: -59,39€ Risparmio manutenzione -7€

Risparmio energia: -59,39€ Risparmio manutenzione -7€ Manutenzione LED: +7€

∆COSTI ∆COSTI ∆COSTI ∆COSTI ∆COSTI ∆COSTI ∆COSTI

+239,61€ -€ 52,39 -€ 59,39 -€ 52,39 -€ 59,39 -€ 52,39 -€ 59,39

17520 26280 35040 43800 52560 0 8760

h

Anno 1 Anno 2 Anno 3 Anno 4 Anno 5 Anno 6 Anno 7

10

51

,2 k

Wh

NE

ON

LE

D

52

5,6

kW

h

10

Per un periodo di tempo pari a circa 7 anni, il risparmio totale approssimativo (non attualizzato), derivante dalla sostituzione è pari a 95,73€ per ogni plafoniera da due tubi.

Mentre annualmente, per quanto riguarda il risparmio energetico, la riduzione dei consumi è pari a

525,6 kWh (0,06kW x 8760h) per ciascun punto luce. Moltiplicando il risultato ottenuto per il numero totale di lampade presenti in una stazione,

ad esempio ipotizzandone una di medie dimensioni(250 punti luce), si ha:

Risparmio energetico annuo per stazione = 525,6 kWh x 250 = 131,4 MWh Risparmio economico medio annuo per stazione = 95,73/7 x 250 = 3418,92 €

Possiamo concludere con le seguenti considerazioni:

Il risparmio energetico annuo è estremamente significativo;

Minori consumi energetici significano minori emissioni di CO2

Ricordiamo il minor contenuto di sostanze nocive all‟interno delle lampade LED,

rispetto alle altre sorgenti.

Il costo dell‟investimento risulta ammortizzato in circa 4 anni

Il LED conviene, ed è più “pulito”.

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Pavimentazione piezoelettrica

96 stazioni 899‟000 persone 0,113 €/ kWh 0,5 W/ passo Il pavimento piezoelettrico combina tutte queste variabili restituendo un risparmio non tanto

economico, quanto energetico e, ancor di più, in visibilità per l‟azienda di trasporti milanese ATM. Con ciò, si vuole sottolineare che il primo obiettivo legato all‟installazione di una tale

pavimentazione all‟interno delle stazioni metropolitane è senz‟altro un alleggerimento dei consumi della struttura stessa grazie a un „involontario‟ ricavo di energia.

Noto infatti che il materiale possiede la capacità di generare corrente elettrica a partire da una sollecitazione meccanica e, data la notevole affluenza alla rete metropolitana, si è pensato di

sfruttare il calpestìo della folla in movimento proprio per alimentare l‟illuminazione e le diverse attrezzature elettroniche ivi utilizzate.

L‟ idea è parsa subito interessante grazie anche al fatto che si tratta di energia elettrica gratuita. I

soli costi richiesti, per l‟appunto, sono quelli legati all‟acquisto, messa in funzione ed eventualmente sostituzione o manutenzione del componente.

--funzionamento--

Il principio di funzionamento è molto semplice; applicando una pressione ( dal greco “piezo” significa premere, comprimere) ad un particolare materiale ceramico, questo sviluppa una carica

elettrica superficiale, genera cioè un campo elettrico definito come “Effetto Piezo Diretto”. Originariamente scoperto nel quarzo, oggi si sfruttano i cosiddetti ceramici ferroelettrici quali

Titanato di Bario ( BaTiO3) e Zirconato Titanato di Piombo (PZT), fino ad arrivare ai piezoelettrici a matrice plastica (PVDF).

Definiamo alcuni parametri volti a determinare la vita utile di un componente:

T di Curie [K]: al di sotto di tale temperatura il composto artificiale, se sottoposto a polarizzazione, presenta l‟ Effetto Piezo Diretto o l‟ Effetto Piezo Indiretto (il materiale si

deforma se sottoposto a tensione elettrica)

Polarizzazione: i piezoceramici presentano effetto piezometrico solo in seguito all‟applicazione di forti campi elettrici ( 1 - 4 kV/mm) che orientano i bipoli in un‟unica direzione

Coefficienti di Tensione: g= [ ]

g= [ ]

Calore Dissipato: tg (∂)= (riferite al circuito serie collegato)

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E‟ necessario, però, tener conto anche di due tra i principali limiti operativi del materiale stesso in vista di un‟ eventuale intervento manutentivo:

Depolarizzazione

Invecchiamento

Le industrie produttrici, quali Innowattech e Noliac, stimano una durata in esercizio del

componente di circa 30 anni; si prevede, cioè, che dopo un tale arco di tempo si possano presentare gli effetti di una depolarizzazione, inconveniente a cui è possibile rimediare attraverso una ri-

polarizzazione (utilizzando macchinari appositamente strutturati per generare campi magnetici adeguati) o, nei casi più gravi, andando a sostituire il pezzo danneggiato.

L‟ipotesi di danneggiamento per usura, al contrario, è alquanto remota, proprio perché si tratta di

elementi compatti che non presentano sottostrutture o ingranaggi interni.

Per quanto concerne, poi, la messa in opera del sistema qui progettato, le fasi da seguire sono tre: una volta effettuato l‟ordine alle aziende fornitrici, i componenti vengono consegnati già assemblati

in piastrelle sottili (lo spessore è dell‟ ordine dei 25mm) opportunamente trattate per essere montate sopra l‟ attuale pavimento, senza dover rimuoverlo preliminarmente; il principio è analogo a quello

di un comune pavimento flottante. Collegando, successivamente, il terminale del tappeto installato alla rete elettrica, si mette

istantaneamente a disposizione di tutti i dispositivi elettronici l‟ energia prodotta da ogni singolo passo.

I vantaggi offerti dal piezoelettrico, però, non sono soltanto di tipo energetico-strutturale come visto

finora, ma anche ambientale, in quanto si ricorda che l‟impianto non produce alcuna emissione di CO2 , e, come anticipato fin dalle prime righe, economico (non considerando l‟investimento iniziale).

Per poter affrontare quest‟ultimo aspetto, prendiamo come riferimento la stima fatta da World Metro Database, che conta 899'000 persone che quotidianamente si servono del trasporto metropolitano.

Sapendo inoltre che la potenza elettrica generata da un passo (per una persona di ≈ 60kg) è pari a

0,5 W, si ricava, ipotizzando un utilizzo nominale dell‟utenza di 10h:

899‟000 persone/24h x 0,5 W/persona x 10h x 10h = 1‟872‟916 Wh/ giorno

Mentre nel loro valore economico restituiscono:

1‟873 kWh/ giorno × 0,113 €/ kWh = 211,649 €/ giorno

Dove 0,113 €/ kWh è il prezzo dell‟energia per ATM.

Ricapitolando, dunque:

Risparmio economico annuale : 77‟252 €/ anno

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Al di là del risparmio energetico ed economico, l‟ applicazione della pavimentazione piezoelettrica in stazioni della metro ne permetterebbe, in un futuro, sfruttando la visibilità di ATM a Milano e

nell‟interland, l‟adozione in altri ambiti, più o meno affini, quali marciapiedi e zone pedonali e,

perché no, luoghi di affluenza di massa come stadi sportivi, centri commerciali e discoteche.

Al mondo, sono presenti esempi già funzionanti di questo progetto: basti pensare alla discoteca di Rotterdam, in Olanda, o alle metropolitane di Londra e Tokyo, tutte prove che ne testimoniano la

fattibilità e l‟efficienza.

Concludiamo, infine, con qualche sommaria osservazione:

alta conversione elettro-meccanica

buona stabilità dei nuovi materiali a temperatura e umidità

buona lavorabilità del materiale, posso ottenere svariate forme

evoluzione tecnologica del prodotto

naturalmente… 0 emissioni!!

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Sistema di recupero ed accumulo dell‟energia cinetica nella metropolitana

Nell‟ambito urbano milanese è facile notare l‟ingente spreco di energia che si verifica, giorno dopo

giorno, nelle ore di utilizzo delle linee metropolitane. Il funzionamento di una linea prevede l‟assorbimento di energia elettrica dalla rete durante

l‟accelerazione di un convoglio per consentire allo stesso l‟avanzamento sui binari garantendogli l‟acquisizione di energia cinetica.

Tale energia cinetica è l‟unica che il treno possiede quando è in movimento ed è un‟energia completamente dissipata e dissipata una volta che il mezzo stesso deve decelerare per fermarsi alla

stazione. Solo il nuovo convoglio, il “Meneghino”, prevede un sistema di recupero dell‟energia sprigionata in

frenata, la quale però viene subito dissipata in calore per mezzo di reostati, a meno che essa non possa essere ceduta al treno adiacente (il che è infattibile, dal momento che non è previsto alcun

sistema di accumulo). L‟energia liberata dal treno in frenata è, a meno delle dissipazioni in attriti, la stessa assorbita in

accelerazione, la quale, se potesse essere immagazzinata e riutilizzata, permetterebbe almeno in via teorica, di scollegare il treno dall‟alimentazione esterna senza interromperne il funzionamento.

Chiaramente, in un sistema reale, quale quello metropolitano, non si possono trascurare le irreversibilità (attriti) che portano ad avere un‟energia assorbita in accelerazione maggiore di quella

recuperata in frenata. La diretta conseguenza di ciò è la necessità di una continua alimentazione dalla rete anche con un

recupero totale (teorico) dell‟energia in frenata del 100%.

Introducendo anche le perdite dovute al funzionamento reale del motore/generatore elettrico e delle trasmissioni di corrente in linea, seppur minime, è evidente come sia ineliminabile la necessità di

una fonte di alimentazione esterna al mezzo. Come ben noto, l‟elettricità è una forma di energia difficile da immagazzinare e necessita quindi di

essere prima trasformata in altre forme per poter essere poi stoccata. Dopo aver valutato vari sistemi in grado di conservare l‟energia,il team Greenergy ha scelto di

utilizzare volani meccanici come possibili accumulatori di energia. I progressi tecnologici hanno portato alla realizzazione di volani moderni che consentono

un‟efficienza prossima al 100% minimizzando le perdite nello stoccaggio e consentendo di intrappolare quantità di energia notevoli in tempi di carica/scarica brevi.

La nostra soluzione prevede quindi di ricavare l‟energia liberata in frenata dal treno, stoccarla provvisoriamente in volani meccanici trasmettendola grazie alle stesse linee di trasmissione elettrica

già presenti e già utilizzate, per sfruttarla successivamente quando viene richiesta. Tutto ciò prevede l‟utilizzo di tecnologie già esistenti e garantite che offrono un‟efficienza molto alta

dandoci la possibilità di risparmiare percentuali di energia molto importanti con un conseguente risparmio economico notevole per l‟azienda operante (ATM).

--sistema di recupero dell‟energia cinetica--

Ogni treno, circolante nella metropolitana, produce trazione per mezzo di motori elettrici con un

rendimento molto alto utilizzando corrente continua per fornire il mezzo di energia cinetica. Questi motori hanno la possibilità di invertire il proprio funzionamento assorbendo energia di

movimento generando corrente continua con lo stesso rendimento di cui sopra. Questa caratteristica dei motori elettrici permette quindi di accelerare e decelerare il treno con gli

stessi rendimenti prelevando e re-immettendo in linea la corrente utilizzata.

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L‟energia recuperata potrà essere quindi assorbita dagli utilizzatori adiacenti al generatore (treno frenante), cioè o sfruttata da altri treni che stanno accelerando o immagazzinata per mezzo di

volani meccanici nelle stazioni di accumulo.

L‟alternativa a queste due possibilità di utilizzo è quella scelta attualmente, cioè dissiparla con freni reostatici gettando via inutilmente l‟energia.

--sistema di accumulo dell‟energia--

Attualmente, è difficile trovare tecnologie in grado di stoccare l‟energia in maniera sicura,

ecologica, efficiente, in grandi quantità, ed utilizzabile a proprio piacimento. La maggior parte delle possibilità sono, infatti, limitate in capacità di energia immagazzinabile e

nei tempi di carica-scarica. Dopo aver valutato diverse soluzioni, l‟utilizzo di volani meccanici è risultato il più conveniente

sotto ogni punto di vista, soprattutto in termini di quantità di energia immagazzinabile. Il principio fisico che permette l‟accumulo di energia è molto semplice, in quanto viene sfruttata

l‟inerzia di una massa rotante capace di grandissime velocità di rotazione (anche 60000 rpm). La capacità di accumulo è elevata in quanto è legata principalmente al quadrato della velocità di

rotazione della massa rotante, che essendo molto alta permette accumuli soddisfacenti per svariati usi.

Quest‟energia viene conservata con un‟efficienza prossima al 100% grazie alla rotazione della massa rotante in spazi ove viene creato il vuoto eliminando ogni attrito con l‟aria e mediante l‟uso di

cuscinetti a levitazione magnetica, eliminando quindi anche gli attriti meccanici, l‟usura, ed aumentando notevolmente il tempo di vita (circa 20 anni) minimizzando la manutenzione

necessaria agli accumulatori stessi. L‟energia così “intrappolata” può essere incrementata o prelevata a proprio piacimento ogni qual

volta sia necessario. I volani possono essere posizionati nelle sotto stazioni elettriche presenti mediamente ogni due o tre

stazioni metropolitane.

--le perdite--

Si hanno rendimenti molto elevati sia nella conversione da energia cinetica ad energia elettrica sia nell‟accumulo dell‟energia nei volani.

Le perdite principali le si hanno dunque nella trasmissione in linea e nelle trasformazioni necessarie al corretto funzionamento di ogni apparato della linea.

Quindi non è utopico parlare di un recupero complessivo approssimativo di energia tra il 70 e l‟80% di quella liberata in frenata da ciascun treno.

Da questa semplice stima è facile intuire la potenzialità di un sistema tale in grado di ridurre enormemente lo spreco energetico offrendo per di più un notevole risparmio economico all‟azienda

di trasporti stessa (ATM).

--situazione attuale--

Al giorno d‟oggi l‟ATM possiede una flotta treni disomogenea suddivisa tra convogli tradizionali,

datati ed incapaci di recupero tramite frenatura, convogli “revamped”, fino a giungere all‟ultima tipologia arrivata, l‟Mng, soprannominato il “Meneghino”.

Solamente gli ultimi due prevedono un sistema di recupero dell‟energia in frenata ma ad esso non è associata alcuna soluzione di accumulo e quindi, ciò che si recupera, può essere sfruttato solo nel

caso in cui almeno uno dei treni adiacenti stia accelerando, cioè richiedendo quella determinata energia.

Se questa possibilità puramente probabilistica non è disponibile, la totalità dell‟energia recuperata dev‟essere dissipata in calore per mezzo di reostati.

Inoltre la presenza sulla linea di gruppi eterogenei di unità, con caratteristiche diverse, complica maggiormente la trasmissione di energia fra i treni stessi abbassandone il rendimento.

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Si calcola che al giorno d‟oggi in media solo il 20% dell‟energia recuperata in frenata venga realmente utilizzata e non dissipata poiché circa 80 treni su 120 operanti nella linea M1 possono

recuperare l‟energia dalla frenata, i restanti 40 sono troppo datati, ed inoltre è essenziale la

contemporaneità tra frenata ed accelerazione. Infine, a causa di queste ripetute dissipazioni di energia in calore, soprattutto nella linea rossa M1,

si sta verificando un graduale aumento di temperatura all‟interno del tunnel della metropolitana che porterà a problemi più o meno gravi in futuro.

--stima esemplificativa--

Allo scopo di avere una più chiara visione d‟insieme del funzionamento, delle potenzialità ed al fine

di stabilire se il risparmio energetico ottenibile potrà dare dei profitti a fronte dell‟investimento iniziale necessario, si prende in esame un treno operante sulla linea M1 stimando quale potrebbe

essere la massima energia ricavabile da una frenata, come potrebbe essere accumulata e con quali perdite, prestando sempre attenzione al lato economico dell‟intera operazione.

• Linea scelta: Linea rossa “M1”

Consumo annuo: 88,5 milioni di KWh circa • Treno scelto: Mng “Meneghino”

Massa in servizio a pieno carico: 146,8 t Massa a vuoto: 95,3 t

Velocità massima omologata: 90 Km/h

Ipotizzando valori realistici di rendimento per ogni fase dell‟operazione è possibile stimare un rendimento complessivo dell‟intero procedimento, dal recupero all‟accumulo:

• conv =0,9 (è il rendimento della fase di conversione da energia cinetica ad elettrica)

• tr = 0,85 (è il rendimento della fase di trasmissione e trasformazione dell‟elettricità)

• acc = 0,99 (è il rendimento della fase di accumulo dell‟energia nei volani meccanici)

• tot = conv * tr * acc = 0,76 (rappresenta il rendimento complessivo dell‟operazione)

Si ha dunque, recuperando l‟energia con le stime previste, un accumulo del 76% dell‟energia

attualmente consumata che si traduce poi in un risparmio economico non indifferente.

Noto il consumo annuo della linea M1 è possibile graficare la differenza di un utilizzo con e senza accumulo, così da evidenziare le opportunità e potenzialità che questo sistema con riuso di energia

può offrire. Dopo un anno, si arriva ad una differenza di consumo pari a 67,19 milioni di kWh, che,

monetizzati con il valore del kWh pagato attualmente da ATM, si traducono in 7,59 milioni di euro (ATM compra l‟energia a 0,113 €/KWh).

Dato che, ad oggi, 40 treni risultano incapaci di recupero da frenata, si hanno a disposizione solo 80

convogli su 120 sono già capaci di sfruttare questo meccanismo (si tratta del 66,7% della flotta attuale).

Il risparmio economico relativo a questa percentuale risulta essere di 5,06 milioni di euro all‟anno. Dunque, si ha un margine notevole entro il quale l‟azienda può agire per modificare l‟impianto al

fine di realizzare questo procedimento di accumulo e riutilizzo dell‟energia. E‟ importante tenere presente che il risparmio energetico-economico annuo aumenterà col crescere

del numero di treni capaci di recupero (numero già destinato a salire in quanto si sta procedendo alla “revampizzazione” delle 40 unità non rinnovate ancora rimaste).

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Quella qui proposta è una stima approssimativa, ma realistica prendendo a campione una sola delle tre linee metropolitane (quella a un maggior consumo).

Il sistema è, però, applicabile anche alle altre due linee e, naturalmente, a quelle in costruzione in

vista dell‟Expo 2015, che entreranno in funzione con treni già in grado di recuperare energia in frenata.

--l‟accumulo ed il suo utilizzo--

Con un rapido calcolo è possibile stimare un limite massimo di energia e di potenza entro i quali il sistema di accumulo deve venir dimensionato e deve poter operare in condizioni abituali.

Fissata come situazione limite critica quella data dal treno Meneghino a pieno carico in decelerazione dalla velocità massima omologata, ovvero da 90 Km/h, a 0 Km/h, si trova la massima

quantità di energia ottenibile. Essa è data dalla sola energia cinetica che il treno possiede un‟istante prima dell‟inizio della

decelerazione:

ed è la massima energia di cui disporremo al termine della decelerazione.

Se la frenata avviene nell‟arco di 30” (dato ATM) si ha una potenza sprigionata pari a:

Si noti come la potenza e l‟energia in gioco siano molto elevate, ma, allo stesso tempo, in che modo

esse rappresentino il limite massimo critico del sistema. Introducendo le stime di rendimento viste prima, otteniamo la massima energia realmente

accumulabile:

0 20 40 60 80 100

gennaio

marzo

maggio

luglio

settembre

novembre

Consumo attuale [milioni di KWh] Consumo con recupero [milioni di KWh]

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Questa risulta essere la nostra stima di energia recuperata per mezzo della frenata, ora disponibile

ad essere impiegata per qualsiasi scopo.

I principali utilizzi che si possono fare dell‟energia stoccata prevedono la re-immissione in linea per

fornire una nuova trazione, l‟alimentazione dell‟illuminazione e delle utenze nelle stazioni, oppure la possibilità di rimandarla al fornitore elettrico (A2A) in modo regolare, evitando ogni problema

che si avrebbe nella rete milanese data l‟irregolarità della fonte, utilizzando l‟accumulo come una sorta di buffer utile a rendere continuo e stabile il flusso.

Utilizzando una media tra la massa a vuoto del treno e la massa a pieno carico, e utilizzando una velocità di inizio decelerazione più realistica, cioè 65 Km/h, si ottiene un‟energia media già calcolata

pari a 15,2 MJ. Trasformando l‟energia totale accumulata in kWh e confrontandola con il consumo medio

giornaliero di una famiglia italiana, ci si rende veramente conto dell‟importanza dei numeri trattati:

Il consumo giornaliero medio di una famiglia italiana si aggira tra 8 e 11 kWh.

Si ha quindi che, con un massimo di tre frenate, l‟energia recuperata è sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero medio di un nucleo familiare.

E‟ superfluo, davanti a risultati così importanti, evidenziare quanto l‟intraprendere una strada che

conduca al risparmio energetico ed economico sia fondamentale soprattutto in un contesto nazionale quale l‟attuale.

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Veicoli elettrici e ricarica ad induzione

Nell‟ambito della riduzione delle emissioni e del risparmio energetico è ormai chiaro che i veicoli elettrici siano la proposta più gettonata, per una serie di motivi, tra i quali, i più importanti sono:

• assenza di emissioni dovute all‟utilizzo di motori non a combustione interna

• efficienza maggiore del motore elettrico rispetto a quello termico.

Attualmente, l‟unico limite dell‟auto elettrica è il sistema di ricarica che si basa sulla stessa idea di

fine Ottocento (periodo di nascita delle prime auto elettriche), ossia ricaricare tramite una presa a colonnine di rifornimento, o, in caso di assenza di una rete di distribuzione elettrica, scambiare le

batterie secondo un sistema sviluppato nel 1896. Ovviamente, è difficile programmare la vita di tutti i giorni in base ai tempi di ricarica del mezzo;

per questo motivo, mancando sistemi di accumulo migliori delle consuete batterie; è necessario rivoluzionare il sistema di ricarica.

E‟ possibile svilupparne uno adatto ai tempi e agli spostamenti quotidiani di una metropoli quale quella Milanese?

Si!

Si tratta della ricarica tramite induzione: un sistema di rifornimento su strada, senza contatto e

capace di ricaricare i veicoli anche in movimento.

La trasmissione di energia tramite induzione si basa su un conduttore elettrico che, creando attorno a sè un campo magnetico, fa sì che si generi una corrente elettrica alternata in un secondo

conduttore posizionato a breve distanza (in modo che sia immerso nel campo generato dal primo). Il trasferimento di energia avviene senza necessità di contatto.

Il fenomeno era già conosciuto nel XX secolo, ma solamente nel 2008 la Bombardier_azienda tedesca leader nel campo dei trasporti_ presentò al mercato una tecnologia applicabile a un

contesto urbano,la PrimoveCity.

L‟induzione è una tecnologia innovativa nell‟ambito della ricarica in movimento che rivoluziona il modo di fornire energia elettrica a tutti i tipi di veicoli come tram, autobus o automobili.

Il sistema di rifornimento, disposto lungo un tratto di , al di sotto dell'asfalto, si attiva solamente se

viene segnalata la presenza di veicoli equipaggiati per ricevere l‟energia; la ricarica, quindi, avviene in moto lungo il tragitto.

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Rete di ricarica e dispositivi di ricezione montati su un tram (Immagine:cortesia della Bombardier Inc.)

La peculiarità principale del sistema di ricarica PrimoveCity è l‟infrastruttura, che viene montata

su un tragitto e non è concentrata in un punto specifico. Questo lo rende estremamente versatile,con una potenza trasmessa che spazia da 100 a 1000 kW, soddisfacendo così, sia la richiesta delle auto,

che quella dei mezzi di trasporto pubblico (autobus e tram). Il concetto è simile alla rete che attualmente alimenta filobus e tram, ma con la differenza di avere le linee di trasmissione interrate

(nessun limite dovuto all‟installazione di rotaie sul manto stradale). Ulteriore punto di forza è la capacità di spegnimento in assenza di segnale e la non interazione con i veicoli sovrastanti non

adatti a ricevere l‟energia.

--principio di funzionamento e soluzione tecnologica--

Una rete di bobine induttive attraversate da una corrente alternata ad alta frequenza viene posizionata sotto la strada e genera un campo magnetico che induce una tensione nel dispositivo

ricevitore incorporato nel veicolo sovrastante permettendo, così, un trasferimento di energia volto a ricaricare lo stesso.

Sotto il manto stradale vengono posizionati:

cavi per la trasmissione di potenza

la protezione che previene l‟interferenza elettromagnetica

dispositivo che segnala il passaggio di un mezzo equipaggiato per ricevere energia con conseguente attivazione della ricarica

invertitori per trasformare la corrente da continua ad alternata.

All‟ interno del veicolo viene montato:

un dispositivo in grado di ricevere la potenza trasmessa, trasformando l‟energia acquisita dal

campo magnetico in corrente elettrica alternata

un sistema di accumulo (batterie nelle auto e supercondensatori nei mezzi più pesanti)

sistema di segnalazione della propria presenza sulla tratta di rifornimento

sistema elettronico che gestisce l‟energia ricevuta, utilizzandola immediatamente per la trazione oppure per ricaricare i sistemi di accumulo presenti a bordo.

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--i vantaggi attuali--

1. Eliminazione dei problemi legati all‟autonomia e ai tempi di ricarica; il dispositivo,

applicato su tratti di strada percorsi da veicoli, ricarica i mezzi in movimento rendendo obsolete le

stazioni di rifornimento. 2. Il sistema di trasmissione sotterranea applicato ai tram, non necessita più la normale

catenaria, specie vicino ai monumenti, nelle zone di particolare interesse storico e architettonico o dove la rete aerea risulta ingombrante.

3. L‟energia viene trasmessa senza contatto e quindi senza usura. Essendo l‟infrastruttura posizionata sotto il manto stradale è indifferente alle condizioni atmosferiche e alla possibilità di

manomissione. Tutto questo porta ad una riduzione dei costi di manutenzione. 4. Il sistema di ricarica è basato su vari segmenti di trasmissione,che si attivano solo se

ricevono un segnale apposito che indica il passaggio di un mezzo adatto a ricevere energia in questo modo, ottenendo come risultato una minimizzazione degli sprechi e una rete efficiente.

5. I campi magnetici che si formano al passaggio dei mezzi si annullano oltre la tratta designata,non interferendo con i dispositivi elettromagnetici e non affliggendo persone o animali, in

pieno rispetto della norma internazionale in materia. 6. Il sistema di trasmissione dell‟energia garantisce un trasferimento di potenza da 100 a 1000

kW durante il percorso, rendendolo così adatto al rifornimento indiscriminato di tram, autobus o auto elettriche.

7. Quindi, con un solo investimento, è possibile fornire energia sia al settore pubblico, sia ai singoli cittadini che vorranno usufruire del sistema.

8. Essendo una rete dinamica, può essere utilizzata come”buffer” per stabilizzare reti urbane adiacenti che fanno uso di fonti rinnovabili.

--implementazione in corso--

La tecnologia PrimoveCity è stata brevettata nel 2008 e introdotta in Italia solo il 19 aprile 2011.

Nonostante ciò, esistono già progetti di applicazione, nella maggior parte cofinanziati dai governi di vari paesi nell‟ ambito della mobilità sostenibile. Tali progetti intendono dimostrare la fattibilità e

l‟applicabilità del sistema in contesti concreti.

Il Ministero Federale dei Trasporti ha già finanziato un progetto ad Augsburg, in Germania, dove

la fornitura di energia tramite induzione è stata applicata all‟alimentazione di una linea di tram da 750 volt.

Nello stesso tempo a Lommel, in Belgio il sistema di alimentazione è stato installato su un tratto di strada di 1200 metri e, per ora, viene utilizzato come metodo di ricarica per autobus Van Hommel

da 18 metri. I test di funzionamento per auto elettriche Volvo C30, invece, inizieranno entro il 2011.

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--limiti in via di superamento--

L‟unico limite della tecnologia PrimoveCity è il vincolo del veicolo alla tratta di rifornimento. I

tram e gli autobus seguono un percorso più o meno preciso, restando in una corsia ben definito. Per le auto, invece, il discorso si complica: uno spostamento irregolare da una corsia di ricarica all‟altra

in modo diagonale non permette di effettuare la ricarica in modo corretto.

La soluzione più plausibile sembra quella che tende a migliorare la orientazione dei veicoli tramite sensori. Futuristicamente parlando, il prototipo più eccellente a cui fare riferimento è la Google Car, un auto pilotata completamente da un computer di bordo. Non sembra, dunque, impossibile che in un futuro prossimo sia possibile orientare automaticamente un‟auto elettrica per vincolarla a

seguire un percorso definito di ricarica a induzione.

--prospettiva economica--

L‟unica valutazione che possiamo fare riguardo la tecnologia a induzione è quella riguardante il suo enorme potenziale. La presa di posizione dei cittadini, non solo europei, sull‟argomento della

sostenibilità delle proprie attività quotidiane, specialmente il trasporto, è ormai chiara: il numero di auto ibride e elettriche nel mondo è cresciuto esponenzialmente, anche nonostante i vincoli posti

dall‟ utilizzo di batterie. I profitti economici _e non solo_ riguardano quasi tutti fattori attualmente coinvolti nel campo del

trasporto pubblico e nella mobilita elettrica. Per primi i cittadini comuni: di sicuro la mobilità elettrica avrà un costo inferiore a quella basata

sui combustibili fossili, con prezzi approssimati a 2 €cent/km anziché 11€cent/km. L‟energia elettrica, se prodotta interamente da fonti rinnovabili, può avere un impatto ambientale

pari a zero. Nelle aree urbane, l‟abbassamento del tasso di inquinamento contribuirebbe a ridurre i costi indiretti (sanitari, sociali ecc.) andando ad aumentare la vivibilità della zona stessa.

I produttori di veicoli elettrici potranno ridurre le dimensioni e i costi delle batterie, diminuendo drasticamente, di conseguenza, i costi di manutenzione dei veicoli, rendendoli altamente competitivi

in termini economici ( se nel 2011 la sola Toyota ha venduto 3 milioni di auto ibride, il mercato sicuramente sta mostrando interesse verso la mobilità sostenibile).

Di sicuro, il profitto economico più alto sarà garantito all‟azienda che gestirà questa rete d‟ induzione nell‟ambito del trasporto pubblico urbano e all fornitore dell‟energia elettrica.

Un‟ implementazione della tecnologia prima per il trasporto pubblico servirebbe come apripista per i cittadini che vorranno usufruire di tale servizio.

I dispositivi che gestiscono i segnali delle tratte modificate e quelli a bordo del veicolo permettono già da adesso una tariffazione accurata.

E‟ certo che il ritorno dei costi di investimento (ROI) non sarà immediato, in parte perché dipende dai vari fattori di incentivazione che verranno proposti dall‟amministrazione locale e dal governo,

ma in ogni caso, la ricarica sul trasporto per induzione va presa seriamente in considerazione, essendo una soluzione plausibile ai molti problemi della mobilità elettrica non ancora risolti.

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Promozione e immagine

La seguente campagna pubblicitaria si pone come obiettivo quello di sponsorizzare ATM, Spa nei

trasporti pubblici Milanesi, come azienda dalla mobilità sostenibile attraverso la sponsorizzazione di prodotti con finalità di autoproduzione e consumo limitato di energia elettrica.

I messaggi pubblicitari sono semplici, chiari, composti principalmente da immagini e slogan privi

di termini strettamente tecnici, in modo da raggiungere un vasto pubblico.

ATM, da sempre al servizio del cittadino, vuole promuovere nuove tecnologie, quali pavimento piezoelettrico, LED, K.E.R.S. e PrimoveCity, in grado di produrre una maggiore quantità di energia

a un minor consumo e costo. Installando il piezoelettrico nelle stazioni metropolitane, si cerca di sfruttare l‟energia prodotta dai

clienti ATM, facendoli sentire parte di un progetto più esteso; la campagna pubblicitaria, infatti, si focalizza sul fatto che il movimento di ogni persona possa produrre corrente.

Inoltre, per far sentire il cittadino ancora più partecipe, si è pensato di posizionare un tappeto piezoelettrico, collegato a tabelle a Led, per cui il passaggio della folla su di esso permetta di

visualizzare sullo schermo data e ora correnti, fondamentali per chi utilizza la metropolitana, forniti dall‟energia pulita prodotta direttamente dai nostri passi ( Iniziativa simile a quella tenuta

dall‟Università di Perugia per i 150 anni dell‟unita d‟Italia: http://www.youtube.com/watch?v=YFITXmzB9EI ).

Per quanto riguarda l‟accumulo di energia in fase di

frenata tramite K.E.R.S, l‟azienda potrebbe proiettare, sulle attuali postazioni video-pubblicitarie, filmati

informativi su tale tecnologia , oppure puntare su slogan che giocano sulla stessa pronuncia delle parole K.E.R.S. e

“cares” (prendersi cura).

Importante anche il LED, che, come suggeriscono gli acronimi modificati ad hoc “Less Expensive Development” e “Lighting Energy Development”, oltre a essere per l‟Italia un prodotto innovativo ha

una grande forza commerciale, permettendo una luminosità pari alle sue concorrenti, ma con un consumo nettamente minore. Grazie ad ATM e alla sua visibilità, si vuole, poi, far conoscere il LED

soprattutto a livello domestico. Questa tecnologia avrebbe per i consumatori una duplice utilità: si tratta di lampade a bassissimo

consumo e, fatto non trascurabile, non emettendo infrarossi e ultravioletti, non attirano le zanzare, molto fastidiose nel periodo estivo.

ATM potrebbe, dunque, promuovere queste tecnologie attraverso cartelloni pubblicitari nelle

metropolitane o rivestendo bus, tram e metro. L‟azienda sarebbe sponsorizzata come innovativa e attenta ai problemi ambientali grazie anche alla promozione del LED a livello domestico.

Concludendo, l‟adozione di prootti eco-sostenibili e a basso consumo, oltre a permettere un forte

guadagno, pone come fine principale il bene del cittadino, il quale, per la prima volta, può sentirsi parte integrante dell‟azienda producendo lui stesso energia.

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Bibliografia

Led

http://www.philipslumileds.com/

www.DatasheetCatalog.com

http://www.ledlamp.it/index.htm

http://www.ledliquidatorsinc.com

Sinoma

Piezoelettrico

http://www.qualetariffa.it/quanto-costa-un-kwh-con-enel-energia/

http://it.wikipedia.org/wiki/Piezoelettrico

http://www.antonio.licciulli.unisalento.it/MONOGRAFIE2004/Piezoceramici_seminario.pdf

http://www.ing.unisannio.it/elettronica/didattica/seminari/Lecce.pdf

http://www.noliac.com/

http://inhabitat.com/tokyo-subway-stations-get-piezoelectric-floors/

http://www.innowattech.co.il/

Sistema di recupero e PrimoveCity

http://www.centroconsumatori.it/40v26396d39183.html

http://www.energy.eu/#domestic

http://www.nesscap.com/product/how.jsp

http://blog.crit-research.it/

http://www.riello-ups.com/?it/prodotto/85

www.wikipedia.it

www.primovecity.bombardier.com

ww.motori.it

www.magnetimarelli.com

www.metronews.it

www.atm-mi.it

www.scientificamerican.com

www.sartre-project.eu

www.maxwell.com

www.flybridsystems.com

http://www.stawa.de/