una miniera del Sud Tirolo costruita con rotaie di legno dove scorrevano carri pieni di
minerali trainati da cavalli. La riduzione dello sforzo di trazione, soprattutto rispetto alla
trazione su strada comporta, allora come oggi, una migliore efficienza energetica del
mezzo di trasporto ferroviario.
1.2 EFFICIENZA ENERGETICA
I consumi energetici di un mezzo di trasporto sono direttamente correlati alla resistenza
specifica all’avanzamento che nel caso della trazione su rotaia su un tratto piano e in
rettifilo è di 2,5 daN/t, invece per la trazione su strada alle stesse condizioni è compresa
tra 10 ÷ 30 daN/t variabile in funzione del tipo di veicolo, dell’elasticità del pneumatico
e del tipo di strada [4]; quindi, su rotaia, gli sforzi di trazione su un tratto rettilineo sono
in media dieci volte inferiori rispetto alla trazione su strada, mentre per i tratti in curva,
dove gli sforzi per l’inserzione sono in diverso rapporto tra rotaia e strada e per i tratti in
pendenza, che sono indipendenti dall’attrito tra ruota e piano di rotolamento, si ha una
uno sforzo di trazione che è almeno cinque volte inferiore a quello su strada.
I consumi energetici del trasporto ferroviario sono, quindi, più favorevoli del trasporto
su gomma e ciò implica una migliore efficienza che si può esprimere introducendo un
fattore adimensionale d’utilizzo dell’energia:
E
DQ
f
pp
= 1.1)
pari al rapporto tra le unità di trasporto effettuate (tonnellate di carico pagante per la
distanza percorsa ) e l’energia spesa
p
Q
p
D E e ponendo come base unitaria i veicoli meno
efficienti e prendendo in considerazione i seguenti mezzi di trasporto: automobile, aereo,
autobus, treno passeggeri, autotreno, treno merci, si ricava quindi la tabella 1.1.
Tab.1.1 - Utilizzo energia vari mezzi di trasporto
Mezzi di trasporto Fattore utilizzo energia
Automobile, Aeroplano 1
Autobus 3.5
Treno passeggeri 5
Autotreno 7
Treno merci 12
Tra questi i mezzi meno efficienti sono l’automobile e l’aereo; infatti dal grafico di
figura 1.2 dove è rappresentata la retta di massima efficienza dei mezzi di trasporto (in
nero quella riferita agli anni 1950 e in celeste quella riferita al 2007), si nota che
l’autovettura e l’aereo civile sono i più lontani dalla retta celeste di massima efficienza,
rispettivamente con 80 CV/t e 180 km/h e 150 CV/t a 400 km/h (aereo a turboelica), a
minore distanza si trova l’autobus con 6 CV/t a 90 km/h, segue il trasporto ferroviario
2
con il treno passeggeri che si avvicina notevolmente alla retta di massima efficienza con
16 CV/t a 160 km/h, seguono a poca distanza l’autoarticolato o autotreno con 5 CV/t a
100km/h e infine in treno merci con 7 CV/t a 120 km/h [5], [6], [7], [8], [9].
Aereo
autovettura
Autobus Treno passeggeri
Treno merci
Autoarticolato
Fig. 1.2 - Retta di massima efficienza energetica dei vari mezzi di trasporto
Rappresentando, per comodità i valori del fattore d’utilizzo d’energia su un istogramma,
come da figura 1.3, si ottiene conferma a quanto detto prima; infatti, si ha che i mezzi
che hanno un maggiore utilizzo d’energia sono l’automobile e l’aereo, poiché la prima
ha un basso carico pagante in rapporto all’energia spesa e il secondo ha un’elevata
energia spesa, dovuto alle lunghe tratte servite dall’aereo, nei confronti di un non
elevato carico pagante, entrambi sono presi in riferimento come i mezzi meno efficienti
ponendo il fattore f a 1; dalla figura 1.3 si nota che il treno passeggeri è più efficiente
dell’autobus e il treno merci è più efficiente dell’autotreno (maggiore differenza si ha
tra l’autotreno e il treno merci perché è maggiore l’entità del carico pagante delle merci
rispetto ai passeggeri), tale efficienza è dovuta al fatto di potere trainare un elevato
3
numero di veicoli con motori di grossa taglia e quindi con maggiore rendimento rispetto
ai tanti piccoli motori termici dei veicoli su strada che sarebbero necessari per
trasportare un carico di pari entità.
0
2
4
6
8
10
12
14
aereoplano treno treno
automobile autobus psseggeri autotreno merci
Mezzi di trasporto
f
Fig. 1.3 - Istogramma utilizzo energia
4
Il trasporto ferroviario, però, è ancora poco utilizzato: in Italia, ad esempio, l’incidenza
sui consumi d’energia di tutti i modi di trasporto è, come raffigurato in figura 1.4, del
30%, di questo il 94% è del trasporto su strada il 2% del trasporto ferroviario e il 4% dei
trasporti sia aerei che navali, ma il trasporto ferroviario, per il minore attrito tra ruota e
rotaia è il più efficiente e quindi sarebbe notevole il vantaggio economico realizzabile
trasferendovi parte del trasporto stradale
Questo vantaggio va confrontato, però, con gli altri vantaggi e svantaggi come
l’occupazione della via, la composizione dei treni, intermodalità e interoperabilità e la
trazione elettrica esposti nei prossimi paragrafi.
94%
2%
4%
trasporti su strada
trasporti ferroviari
trasporti aerei e navali
Fig. 1.4 - Consumo energia nei trasporti
5
1.3 OCCUPAZIONE DELLA VIA
Uno degli svantaggi fondamentali del trasporto su rotaia deriva dalla stessa causa che
riduce gli sforzi di trazione che è la minore resistenza specifica all’avanzamento [10];
infatti, se da un lato si ha una riduzione degli sforzi di trazione dall’altro, a causa della
minore aderenza ruota-rotaia, come mostrato in tabella 1.2, si hanno sforzi e distanze di
frenatura maggiori che nel trasporto su strada e questo comporta la costruzione
d’impianti di distanziamento dei treni affidati ad uomini o automatici, da cui deriva un
maggiore costo da sostenere nell’infrastruttura ferroviaria.
Tab. 1.2 - Coefficienti d’aderenza in ferrovia e su strada
Tipo di contatto Coefficiente d’aderenza
Ruota-rotaia 0,33 (caso di trazione
elettrica con equipaggi
statici di trazione)
Pneumatico-asfalto 0,8-0,9 (asfalto asciutto)
Da quanto detto, quindi, sembrerebbe che l’occupazione della via in ferrovia sia minore
che nel caso della trazione stradale, ma la ferrovia sfrutta al massimo la sua strada con
composizioni di veicoli ad elevata capacità, inoltre ottimizza il tempo d’occupazione
della via con impianti di blocco automatico, ripetizione dei segnali e controllo della
velocità.
In particolare, per il confronto del numero di passeggeri che si possono trasportare su un
ramo di una linea di trasporto, sia essa una ferroviaria a 1 - 2 binari o una strada a 2-4-8
corsie, bisogna considerare la capacità ovvero il carico massimo sopportabile da un
ramo.
Il carico massimo è dato dalla portata massima del ramo qmax ricavabile dalla
seguente relazione riferita ad una sola direzione di marcia ( 1 binario o 1 - 2corsie) [11]:
min
*
minmax
/1
δ
v
TqC === [1/s] 1.2)
dove:
- Distanziamento temporale minimo tra 2 veicoli: Tmin
- Velocità critica (corrispondente alla velocità a cui si ha la portata massima): v*
- Distanziamento spaziale minimo tra due veicoli: δmin
Per ricavare il numeratore e il denominatore dell’equazione 1.2) bisogna definire il tipo
di circolazione che è in atto sul ramo considerato. La circolazione si può classificare in 2
modalità che sono la circolazione in blocco mobile e la circolazione in blocco fisso.
Circolazione in blocco mobile
Questa si basa sull’ipotesi che il distanziamento tra due veicoli istante per istante è
variabile ed è solo funzione dello spazio di frenatura (caso di circolazione stradale). Il
distanziamento minimo tra due veicoli è dato dalla somma dello spazio di frenatura,
della lunghezza del veicolo e da un franco di sicurezza come mostrato dalla relazione
1.3):
6
fLS
vf
++=
min
δ [m] 1.3)
dove:
- Spazio di frenatura: Sf
- Lunghezza veicolo: Lv
- Franco di sicurezza: f
Lo spazio di frenatura è dato, nell’ipotesi di moto uniformemente accelerato, dalla:
[m] 1.4) aVS
f
2/
2
=
dove:
- Velocità iniziale: V
- Decelerazione costante del veicolo: a
La velocità critica è invece data dal flusso (o portata) corrispondente al di stanziamento
minimo:
min
δ
V
q = [1/s] 1.5)
Facendo la derivata rispetto a V della 1.5) e ponendola pari a zero si ricava la velocità
critica data dalla 1.6):
()
k
fLa
V
v
+
=
2
*
[m/s] 1.6)
dove:
- Fattore di sicurezza funzione dell’intervallo di tempo che intercorre tra l’istante in cui
si avverte il pericolo e l’istante in cui s’inizia a frenare: k
La capacità è allora data dalla:
()fLk
aV
C
v
+
==
2
min
*
δ
[veicoli/ora] o [veicoli/giorno] 1.7)
7
Circolazione in blocco fisso con segnalamento concatenato ad n aspetti
In questo caso ci si basa sull’ipotesi di suddivisione della tratta in sezioni di blocco di
lunghezza predefinita, ciascuna protetta da un primo segnale luminoso che porta
accoppiato l’avviso del segnale successivo.
Il segnale luminoso può assumere n aspetti suddivisi tra un verde, un rosso e n-2 gialli
come da figura 1.5, tutti i segnali luminosi dopo il primo sono contenuti nella sezione di
blocco che finisce in corrispondenza dell’ultimo segnale (nel caso della figura 1.4 il
rosso).
V G1 G2 G.. R
b/(n-2) b/(n-2) b/(n-2) b-(n-2)
b
Fig. 1.5 - Blocco fisso a n aspetti
Il distanziamento minimo è dato dalla:
fLtbnd ++= ),(
min
δ 1.8)
dove:
- Distanza fissa che deve essere maggiore o uguale alla lunghezza della sezione di
blocco b in modo che il treno non rallenti alla vista del primo giallo, ed è funzione dei
numero n di aspetti luminosi che determinano la distanza tra i due treni: d(n,b)
- Lunghezza del treno: Lt
- Franco di sicurezza: f
La distanza fissa d deve essere maggiore della lunghezza della sezione di blocco in
modo tale che il treno che segue veda sempre il verde e quindi abbia sempre via libera, e
la sezione di blocco deve avere una lunghezza maggiore o uguale allo spazio di
frenature per motivi di sicurezza.
Si ha quindi la catena di disuguaglianze:
spazio di frenatura 1.9) ≥≥ bd
Dalla figura 1.5 se n sono gli aspetti del segnale luminoso (n=1verde+1rosso+(n-
2)gialli), la sezione di blocco, che è compresa dal primo giallo incontrato al rosso, è
suddivisa in b/(n-2) sottosezioni.
8
La distanza fissa, quindi, che deve essere maggiore di b ed è somma della distanza della
sezione di blocco più una sottosezione aggiuntiva pari ha b/(n-2) che ha la funzione di
cuscinetto, vedi relazione 1.10):
b
n
n
n
b
bd
2
1
2 −
−
=
−
+= 1.10)
dove:
- Lunghezza sezione di blocco: b
- Numero aspetti del segnale luminoso: n
Il flusso in corrispondenza della distanza minima è dato dalla:
fLb
n
n
v
q
t
++
−
−
=
2
1
1.11)
Facendo la derivata prima della 1.11) e ponendola a zero si ricava la velocità critica:
k
ab
v
2
*
= 1.12)
con lo stesso significato dei simboli riportato sopra.
La capacità è quindi data dalla:
fLb
n
n
k
ab
v
C
t
++
−
−
==
2
1
2
min
*
δ
1.13)
Infine per passare da numero di veicoli o treni su ora al numero di passeggeri o
tonnellate di merci l’ora bisogna introdurre la capacità nominale di trasporto pari al
prodotto della capacità C per il numero di passeggeri ( o tonnellate merci) per treno o
veicolo P data dalle relazioni 1.14) e 1.15):
1.14) PCC
t
∗=
con:
[Ct] = [numero posti (tonnellate merci)/ora]
[C] = [numero treni (veicoli)/ora]
[P] = [numero posti (tonnellate merci)/ora]
Nel caso dei treni il numero di posti o tonnellate merci per treno sono dati da:
σ*nP = 1.15)
con:
9
[n] = [numero vagoni (carri) /treno]
[σ] = [numero posti (tonnellate merci)/vagone]=[numero posti (tonnellate merci)/treno]
Nel caso dei veicoli su strada si fa riferimento per P esclusivamente al numero di posti
per veicolo o alle tonnellate di merce trasportate dal singolo autoarticolato.
Utilizzando le relazioni sopra riportate e la tabella 1.3 che riporta i valori di n, σ e P per
i veicoli su ferrovia e per quelli su strada in modo da passare dalla capacità espressa in
termini di numero di veicoli/ora alla capacità espressa in posto/ora, si può fare un
confronto in termini di capacità tra il trasporto su ferrovia e il trasporto su strada
riferendosi prima alle linee urbane e poi alle linee regionali e nazionali.
Tab.1.3 - Valori coefficienti delle relazioni 1-14) e 1-15) per trasporto ferroviario e per
trasporto stradale
n σ P
Viaggiatori
11vagoni/treno
(450 m di
lunghezza
treno)
60
posti/vagone
660(posti/treno)=
566t
(tonnellate lorde
di treno)
Treno
Merci 25 carri/treno
(650 m di
lunghezza
treno)
90
tonnellate/carr
o
2250 tonnellate
lorde/treno merci
Pulman - - 50 posti (autobus
100 posti
compresi quelli in
piedi)
Auto - - 4 posti
Autoveicolo
Autoarticolat
o
43,86 t
1.3.1 LINEE URBANE
Nel trasporto urbano la mobilità negli anni passati è stata sempre più rivolta verso l’uso
del mezzo individuale, facilitato anche da politiche favorevoli e massicce campagne
pubblicitarie [12]. L’aumento del traffico veicolare, però, ha coinvolto le aree urbane
con questioni inerenti la congestione, la sicurezza stradale, l’inquinamento ambientale e
acustico.
L’attenzione a queste tematiche ha portato, negli ultimi anni, all’incentivazione dello
spostamento di parte del traffico privato verso le modalità di trasporto pubblico
soprattutto su ferrovia (metropolitane e tranvie), avendo questa una maggiore capacità.
Nel grafico di figura 1.6 si pone in relazione la capacità data dalla 1.7) e 1.14), 1.15) alla
velocità commerciale data dalla:
10
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