Impiego di dispositivi di accumulo a supercondensatori per sistemi di trasporto a guida vincolata in ambito urbano: un algoritmo di controllo a massimo recupero energetico

Capitolo 1
Soluzioni innovative per la trazione
elettrica a guida vincolata
In questo capitolo si analizzano le principali caratteristiche della trazione elettrica a
guida vincolata, le sue potenzialità e le tecnologie per un uso efficiente ed efficace del-
le risorse energetiche. Partendo dall’analisi delle tecnologie esistenti, si analizzano le
problematiche energetiche ambientali, proponendo nuove soluzioni tecnologiche non in-
vasive per adeguare le linee tranviarie alle crescenti esigenze di mobilità. In particola-
re, si considera l’impiego di sistemi di accumulo a supercondensatori, per il recupero
energetico a bordo dei veicoli durante le fasi di frenatura elettrica.
1.1 Sistemi di trasporto a guida vincolata
La rete di trasporto è generalmente progettata in maniera da offrire agli utenti, special-
mente all’interno dei centri urbani, una molteplice scelta di stazioni, spesso site nei pressi
di punti di grande transito nonché in vicinanza di connessioni con altri mezzi e reti di
trasporto (autobus, tram, stazioni ferroviarie, funicolari).
Le “sopraelevate”, cioè metropolitane il cui tracciato corre quasi per intero su di
un viadotto, sono state assai popolari nella prima metà del XX secolo ma, con il passare
degli anni, si è preferito investire nella costruzione di reti sotterranee. Negli ultimi anni in
alcune città si è assistito al riutilizzo di questo tipo di tecnologia costruttiva: è il caso della
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2 1. Soluzioni innovative per la trazione elettrica a guida vincolata
Docklands Light Railway di Londra, del MARTA di Atlanta, della Las Vegas Monorail
e dell’AirTrain che collega New York all’aeroporto John Fitzgerald Kennedy. Molto più
frequentemente si costruisce parzialmente in sopraelevata e parzialmente in sotterranea.
Nelle grandi aree urbane la rete metropolitana può estendersi fino al limite del centro
urbano oppure raggiungere i sobborghi limitrofi: in questo caso la distanza tra le stazioni
può aumentare anche considerevolmente. Spesso i sobborghi più lontani sono collega-
ti al resto della rete da linee a parte, non metropolitane, dette suburbane o regionali,
con stazioni più distanti tra loro in modo da consentire ai treni di raggiungere velocità
maggiori[38][23].
1.1.1 Infrastruttura tranviaria
Le varie infrastrutture tranviarie, Normativa UNI-8379 (si veda la Tabella1.1 a pag. 3), si
diversificano a seconda di parametri quali frequenza minima, media e massima, distanza
e velocità commerciale in:
Ferrovia: sistema di trasporto per persone e/o merci, anche per lunghe distanze ed ele-
vati volumi di traffico, a guida vincolata e in sede propria, con circolazione regolata
da segnali.
Servizio ferroviario suburbano o suburbana: sistema di trasporto che utilizza le tratte
urbane e periurbane delle linee ferroviarie come STRM
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per bacini metropolitani;
l’estensione indicativa del servizio è di massimo 50km dall’area urbana centrale.
Servizio ferroviario regionale: sistema di trasporto che utilizza le tratte urbane e pe-
riurbane delle linee ferroviarie con servizi cadenzati di estensione regionale. Per
ridurre i tempi di percorrenza spesso non vengono effettuate le fermate classifi-
cate come “urbane”; lo scambio con i servizi suburbani avviene nelle cosiddette
“stazioni porta” dove avviene lo scambio con le eventuali relazioni ferroviarie su-
burbane e gli altri vettori del trasporto pubblico locale. L’estensione indicativa del
servizio è di massimo 150km dall’area urbana centrale.
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sistema tranviario metropolitano
1.1. Sistemi di trasporto a guida vincolata 3
Tabella 1.1: Caratteristiche principali dei sistemi di trasporto rapido di massa: per
confronto si riportano i dati caratteristici delle autolinee urbane.
Freq. Freq. Freq. Distanza Velocità
Sistema min. max media fermata/stazione
(min) (min) (min) (m) (km/h)
Ferrovia reg. 22,5 30,0 15,0 1.500-4.000 50-85
Suburbana 10,0 15,0 5,0 700-2.000 35-50
Metropolitana 4,0 5,0 3,0 600-1.000 25-30
Metropolitana leggera 3,0 5,0 1,0 500-800 25-30
Metrotranviaria 4,0 5,0 3,0 350-500 20-25
Tranvia 7,5 10,0 5,0 200-350 15-20
Portata Portata Portata Capacità Lunghezza
Sistema min. max media convoglio convoglio
(phpd)
 (phpd)
 (phpd)
 (posti) (m)
Ferrovia reg. 4.000 3.000 6.000 1.500 200
Suburbana 9.000 6.000 18.000 1.500 200
Metropolitana 18.000 14.400 24.000 1.200 150
Metropolitana leggera 8.000 4.800 24.000 400 80
Metrotranviaria 2.700 2.000 3.600 180 60
Tranvia 1.400 1.000 2.200 180 40
 passeggeri all’ora per senso di marcia
Metropolitana: sistema di trasporto per persone di elevata portata e frequenza costi-
tuito da convogli M/R
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a guida vincolata, con circolazione regolata da segnali e
completamente autonoma da qualsiasi altro tipo di traffico.
Metropolitana leggera: sistema di trasporto per persone di media portata e frequenza
costituito da convogli M/R a guida vincolata, con circolazione regolata da segnali
e completamente autonoma da qualsiasi altro tipo di traffico. I veicoli e i convogli
sono di minore capacità della metropolitana tradizionale.
Tranvia: sistema di trasporto per persone e/o merci nelle aree urbane e/o nelle aree
metropolitane (tranvie extraurbane), costituito da convogli M/R a guida vinco-
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carrozze automotrici/carrozze rimorchiate
4 1. Soluzioni innovative per la trazione elettrica a guida vincolata
lata in genere su strade ordinarie e quindi soggetto al Codice della Strada, con
circolazione a vista.
Metrotranvia - Tranvia veloce: Sistema di trasporto tranviario che consente velocità
commerciali e portate superiori grazie a provvedimenti atti a ridurre le interferenze
con il traffico veicolare e ciclopedonale. Impropriamente viene chiamato metropo-
litana leggera: come visto in precedenza la metropolitana è leggera quando si im-
piegano convogli a capacità minore restando sempre in termini di un’infrastruttura
di tipo “metropolitana”.
1.1.2 Tipologie di trazione
La maggioranza dei treni metropolitani sono unità multiple a trazione elettrica. La cor-
rente è solitamente fornita da un terzo binario o, nei sistemi che utilizzano tunnel partico-
larmente larghi, da linee aeree. A seconda della tipologia di trazione utilizzata, un treno
può essere classificato:
• A potenza concentrata: i carri o le carrozze sono spinti o trainati da locomotori
che possono essere disconnessi dal convoglio, su di essi sono appunto concentrate
le apparecchiature di trazione compresi i carrelli motori.
• A potenza distribuita: la trazione è data da una serie di motori dislocati di-
rettamente sui carrelli (anche non su tutti). Si usa per veicoli a composizione
bloccata.
• Elettrotreno: convogli a composizione bloccata a trazione elettrica, in genere
usati per l’alta velocità.
• Automotrice: convogli leggeri mossi da motori diesel.
• Automotrice elettrica: convogli leggeri mossi da trazione elettrica
La maggior parte della trazione corre su binari d’acciaio di tipo convenzionale anche se
non mancano alcune (ad esempio a Parigi) che presentano ruote di gomma o altro. Quindi
elenchiamo in seguito le tecnologie non convenzionali:
1.1. Sistemi di trasporto a guida vincolata 5
• Maglev: La tecnologia Maglev è un sistema di levitazione magnetica studiato per
la realizzazione di convogli ad alta velocità. Il treno rimane sospeso sulla rotaia
grazie al principio di repulsione dei poli magnetici. La rotaia è unica e solita-
mente molto larga, in quanto deve alloggiare dei magneti. L’eliminazione delle
parti meccaniche del rodiggio porta una sensibile riduzione del rumore emesso e
l’eliminazione dell’attrito col binario. I treni a levitazione magnetica possono rag-
giungere anche i 500km=h, e sono in uso in Cina e Giappone, mentre in Germania
esiste un circuito di prova.
• Monorotaia: Il treno a monorotaia consiste in un convoglio che procede ancorato
a un’unica trave (definita rotaia ma che non ha nulla in comune con le rotaie fer-
roviarie), spesso sopraelevata. Può essere inferiore o superiore (col treno appeso
sotto la rotaia sospesa). I treni a monorotaia sono nati nel 1900 (con la Schwebe-
bahn Wuppertal anche se nel passato vi erano stati degli esperimenti in tal senso)
e hanno avuto un periodo di grande sviluppo negli anni Venti.
• A Cremagliera: I treni a cremagliera sono solitamente usati in percorsi montani
o con grande inclinazione. Il moto non viene trasmesso tramite le ruote dei carrelli
ma tramite un ingranaggio dentato che fa presa su una cremagliera posta a terra,
solitamente su una terza rotaia. Hanno il vantaggio di poter superare dislivelli mol-
to ripidi, ma sono rumorosi e spesso poco affidabili a causa delle parti meccaniche
esposte.
• Metropolitana: La metropolitana risale al 1860, con la costruzione della Under-
ground di Londra. Inizialmente svolti con normali treni a vapore, i servizi me-
tropolitani sotterranei ebbero un grande incremento con l’adozione della trazione
elettrica. Il vantaggio della metropolitana è soprattutto quello di risparmiare tempo
e di decongestionare il traffico stradale, ma i costi di costruzione sono estremamen-
te elevati. Le metropolitane standard utilizzano treni adatti al servizio metropoli-
tano (sia per quanto riguarda la tecnologia sia per quanto riguarda l’arredamento
degli interni) con particolari tecnologie atte a permettere una elevata frequenza dei
mezzi.
• Tram-Treno: Il tram-treno è un sistema di trasporto pubblico effettuato con vei-
coli tranviari i quali percorrono anche i percorsi ferroviari locali (grazie ad accor-
6 1. Soluzioni innovative per la trazione elettrica a guida vincolata
gimenti tecnologici), per ottenere maggiore flessibilità e convenienza adattando la
velocità al tipo di percorso. Differiscono da essi i treno-tram (o ferrotranvia) che
sono invece sistemi di trasporto pubblico, effettuato con veicoli ferroviari i quali
percorrono anche i percorsi tranviari cittadini (grazie ad accorgimenti tecnologici)
(a) APS overhead wire trasition a Bordeaux. (b) Maglev a Shanghai.
(c) Metropolitana Linea1 a Napoli. (d) Tramways a Strasburgo.
Figura 1.1: Alcune realizzazioni di differenti tipologie di veicoli tranviari
1.2 Problematiche emergenti
Lo sviluppo dei centri urbani ha portato alla sempre maggiore necessità di spostamenti
di massa rapidi con conseguente aumento della domanda di mezzi di trasporto, in grado
di assicurare ai passeggeri un servizio più efficiente, sicuro ed ecocompatibile.
I mezzi a guida vincolata sono quelli che meglio si adattano alle esigenze odierne
in quanto sono mezzi di trasporto collettivo che si prestano ad andare incontro anche al-
1.2. Problematiche emergenti 7
l’attualissimo problema del risparmio energetico (basso consumo per pass-km
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e basse
resistenze al moto per unità di peso) e a quello dell’inquinamento atmosferico (riduzione
di emissioni inquinanti essendo, quasi esclusivamente, a trazione elettrica). Tale neces-
sità ha evidenziato maggiormente le principali problematiche intrinseche di gestione e
pianificazione del sistema di trasporto elettrificato nei centri urbani.
I bassi livelli di tensione delle linee tranviarie e metropolitane unitamente all’elevate
densità di potenza dei convogli ferroviari (< 1MW per convoglio), all’estensione della
rete di distribuzione dell’area urbana e/o suburbana (linee con lunghezze di 20=30km),
e le particolari condizioni operative di esercizio dei singoli convogli ferroviari (ripetu-
ti avviamenti, accelerazioni e frenature), unitamente alle condizioni di traffico, hanno
accentuato le problematiche connesse alla riduzione del rendimento globale del sistema
elettrico di trasporto e alle cadute di tensione lungo la linea[37]. Infatti, le potenze di
picco richieste durante le continue e ripetute fasi di avviamento di uno o più convogli
comporta un aumento della corrente di linea e conseguentemente un aumento delle ca-
dute di tensione. Ciò si traduce in un aumento delle perdite per effetto joule in linea
(riduzione della massima potenza trasmessa) e nell’azionamento di trazione a bordo del
veicolo. Tale fenomeno è particolarmente critico nei punti della rete con maggiore in-
tensità di traffico (più veicoli contemporaneamente sono in fase di accelerazione o di
avviamento) e nei punti maggiormente distanti dalle sottostazioni. In alcune condizio-
ni di esercizio della rete è possibile che la tensione di linea si riduca fino al 50% della
tensione a inizio linea.
In definitiva l’aumento di potenze ed energie richieste per andare incontro alle cre-
scenti esigenze, porta al delinearsi di due problematiche il load-leveling ed il peak-
shaving[18].
1.2.1 Load-Levelling
Il termine load-levelling (livellamento del carico) si riferisce alla disomogenea distribu-
zione del carico su una rete elettrica nelle varie ore del giorno e, da altri punti di vista,
anche nei vari giorni della settimana e nelle varie stagioni. Il problema del load-levelling
è pertanto di pertinenza dell’azienda fornitrice dell’energia elettrica o che comunque ge-
stisce la rete elettrica. E’ evidente che per affrontare un problema di load-levelling, allo
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passeggeri per chilometro
8 1. Soluzioni innovative per la trazione elettrica a guida vincolata
scopo di non dimensionare le rete elettrica sul picco di potenza, l’azienda deve dotarsi di
sistemi di generazione che possano prontamente fornire potenza in aggiunta a quella che
la rete, dimensionata su valori “medi” di potenza, potrebbe fornire. Tipicamente i siste-
mi di generazione con risposta praticamente immediata sono dotati di una ESS
4
locale
dimensionata per elevate potenze ed energie[18].
1.2.2 Peak-Shaving
Con la dizione peak-shaving si intende invece la questione, con riferimento all’utente,
della disuniformità della richiesta di potenza dalla rete elettrica. Un utente che voglia
invece affrontare problemi di peak-shaving lo fa, in genere, per non dimensionare il suo
impianto sul picco di potenza o, molto più spesso, per stipulare un contratto di fornitura
con la società elettrica, per lui economicamente più vantaggioso. Una ESS, opportuna-
mente programmata, può effettuare automaticamente il peak-shaving. Come è eviden-
Figura 1.2: Effetto del peak-shaving sulla richiesta giornaliera di potenza
ziato a titolo di esempio nella Figura 1.2 a pag. 8, nell’ipotesi di una tariffa notturna per
l’energia inferiore a quella diurna, un utente dotato di un sistema per peak-shaving può
comprare e immagazzinare energia durante la notte per poi utilizzarla durante il giorno. Il
sistema per peak-shaving, consente pertanto di stipulare con l’ente fornitore dell’energia,
un contratto con una potenza di picco richiesta inferiore[18].
4
sottostazione elettrica
1.3. Possibili soluzioni 9
1.3 Possibili soluzioni
Tradizionalmente, la compensazione di tali fenomeni è stata effettuata esclusivamente in
fase progettuale, attraverso il sovradimensionamento delle linee di contatto e delle sotto-
stazioni di alimentazione. Ovviamente, ciò comporta un incremento dei costi di progetto
che non sempre sono accettabili. In fase di esercizio, le principali azioni di compensazio-
ne, sono di limitazione delle prestazioni del materiale rotabile ovvero limitazione delle
massime correnti assorbite, dagli azionamenti di trazione.
Questi problemi, possono essere efficacemente affrontati adottando, lungo la linea,
presso le SSE di alimentazione oppure a bordo dei veicoli, adeguati sistemi di accumulo
dell’energia. I vantaggi, quali che siano le soluzioni tecnologiche adottate, sono rias-
sumibili in un livellamento della richiesta di energia dalla rete, nella regolazione della
tensione da parte del sistema ed in una conseguente riduzione delle perdite sulla linea
e dunque del possibile aumento del numero di veicoli circolanti, rendendo inoltre più
agevole l’impiego di veicoli di potenza maggiore[18].
Un primo utilizzo dei sistemi di accumulo stazionari è quello di integrazione al siste-
ma di trasporto elettrificato adottato in Figura 1.3 a pag. 9; tutti i mezzi di trazione della
tratta alimentata dalla SSE considerata, quando si trovano in frenatura a recupero convo-
gliano parte dell’energia cinetica da smaltire, sul sistema di accumulo presente in SSE,
facendola passare attraverso il tratto interposto di linea di contatto. Successivamente, du-
Figura 1.3: Schema di principio di una SSE con accumulo
rante una fase di accelerazione, essa verrà restituita, a meno delle perdite del sistema e
riconvertita in energia meccanica.
10 1. Soluzioni innovative per la trazione elettrica a guida vincolata
Un altro utilizzo, abbastanza interessante oggi, in regime di libero mercato, è costi-
tuito dal sistema di accumulo energetico, come riserva per l’ente distributore di energia
elettrica del sistema di elettrificazione. In questo scenario, il complesso formato dal mez-
zo di trazione in fase di frenatura a recupero, dalla SSE (che ovviamente sarà del tipo
reversibile) e dal sistema di accumulo, viene a essere visto come un sistema di genera-
zione distribuita, interconnesso alla rete la cui sorgente elettrica è in pratica una sorgente
rigenerativa costituita dal treno in fase di frenatura, con caratteristiche di corrente pseudo-
continua. La potenza che può essere generata è quindi caratterizzata da un andamento
irregolare e discontinuo ed è assimilabile ad una variabile aleatoria. Il sistema di accumu-
lo consente di stoccare energia quando si ha una potenza generata in eccesso e di integrare
le differenze di energia quando la potenza generata è insufficiente. Tale sistema assolve
ad una funzione che è analoga alla rete di distribuzione per un sistema interconnesso per
compensare le differenze tra la potenza disponibile per la generazione e la potenza ri-
chiesta dal carico. Questa logica è rappresentata dalla configurazione tipica di Figura 1.4
a pag. 10, in cui l’accumulo si inserisce come elemento di compensazione temporanea
di surplus o deficit tra offerta (produzione) e domanda (carico) di un sistema energetico.
Le soluzioni adottate per i sistemi di accumulo di questo tipo sono caratterizzate da cicli
Figura 1.4: Configurazione tipica di un sistema di accumulo energetico
1.4. Sistemi di accumulo dell’energia 11
molto numerosi, di alta potenza e breve durata.
Prima di affrontare nel dettaglio tali applicazioni, è opportuno chiarire cosa siano
i sistemi di accumulo energetico, operare una loro classificazione e vedere gli ambiti
applicativi[18].
1.4 Sistemi di accumulo dell’energia
Molte sono le tecnologie oggi a disposizione per accumulare energia elettrica. Il termine
“accumulo” rimanda immediatamente alle batterie anche chiamate accumulatori elettro-
chimici, oggetto principe di questi sistemi. Esse sono difatti i primi componenti che sono
stati utilizzati per accumulare energia elettrica; non sono però gli unici; essa può essere
facilmente convertita in altre forme di energia, per accumularla sotto tali forme, e poter-
la riutilizzare quando più opportuno. Tutte queste procedure devono essere ovviamente
economicamente convenienti e quindi devono presentare un rendimento accettabile af-
finché la tecnologia pensata venga effettivamente presa in considerazione. Di seguito si
introducono le tecnologie di accumulo energetico, dalle più tradizionali alle più moderne
e in fase di sviluppo.
1.4.1 Accumulatori elettrochimici
L’elemento principe degli accumulatori elettrochimici è la batteria che fu ideata in se-
guito a ricerche sugli effetti di contatto tra metalli diversi e sull’interposizione tra essi
di soluzioni ioniche. La batteria converte energia chimica in energia elettrica; i sistemi
in grado di realizzare anche la trasformazione inversa prendono il nome di accumulato-
ri elettrochimici o elettrici; essi possono accumulare energia elettrica in forma chimica
durante il processo di carica per poi restituirla in forma elettrica durante il processo di
scarica. Attualmente il più grande sistema di accumulatori elettrochimici è installato a
Tokyo e rende disponibile una energia di 48MWh; a breve termine si prevede inoltre
una installazione da 120MWh a Barford in Inghilterra. L’impatto ambientale di questi
sistemi è un punto a sfavore dovuto ai composti chimici utilizzati; questo ne limita la
loro diffusione ad elevate capacità. I componenti di un sistema BES
5
(Figura 1.5 a pag.
5
Battery Energy Storege System, sistema di accumulo di energia con batterie elettrochimiche