Area Tematica - 2 (Veicolo) Filobus con batterie di

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Area Tematica - 2 (Veicolo)
Filobus con batterie di supercondensatori per marcia autonoma a trazione elettrica
Autore: Menolotto Flavio
Ente di Appartenenza: distribuzione energia elettrica
Contatti: Tel. 0322 259715 Cell. 328 2154994 e-mail [email protected]
PREMESSA
In molte realtà cittadine sono sorti dibattiti sull’estetica delle linee aeree in aree centrali e
centri storici.
In alcuni casi la loro presenza è stata considerata inaccettabile: rimanendo nell’ambito
filoviario nell’impianto di Lecce e nelle progettate filovie di Verona le tratte nei centri storici
sarebbero percorse in marcia autonoma con motori Diesel nel normale esercizio.
Tali tratte sarebbero dell’ordine di qualche km ed inciderebbero in maniera significativa sul
totale delle percorrenze.
Ciò provocherebbe un aumento dei costi di esercizio e manutenzione: ad esempio con
percorrenze del 30-40 % in marcia autonoma con motori Diesel si possono stimare aumenti
del 5-10 % ed una riduzione della vita utile dei mezzi.
La marcia autonoma con motori Diesel in aree centrali è poi in contrasto con politiche di
contenimento delle emissioni di inquinanti e dei rumori nei centri storici e lesive
dell’immagine di mezzi ecologici per eccellenza qual sono i filobus.
SITUAZIONE ATTUALE
Per la marcia autonoma a trazione elettrica di filobus si usano da decenni le batterie di
accumulatori al Piombo, in genere usate per brevi spostamenti a bassa velocità per
aggirare ostacoli, accidenti e spostamenti in deposito, con autonomie molto ridotte così da
avere batterie di dimensioni, pesi, spazi e costi ridotti.
Un servizio con marcia autonoma nel normale esercizio più impegnativo richiede batterie di
accumulatori di maggior capacità (prima elementi al Ni-Cd e poi Ni-MH).
Una positiva esperienza in tal senso è rappresentata dall’esercizio della linea 90 Express
dell’ATAC di Roma, dove la tratta Termini – Porta Pia di 1,6 km è percorsa in marcia
autonoma da filosnodati con batterie di accumulatori al Ni-MH.
Nonostante una capacità della batteria
di ben 38 kWh, che consentirebbe
una decina di km di autonomia, si è
deciso di limitare la velocità e di
disinserire
l’aria condizionata per
economizzare
l’energia
e
non
sollecitare eccessivamente la batteria
stessa con profondi cicli di carica e
scarica.
Pur prestando un ottimo servizio da 6
anni, con alcune corse deviate con ben il 40% del percorso in marcia autonoma, si dovrà
cominciare a pensare di sostituire le batterie: ciò comporterebbe costi non indifferenti.
IPOTESI
SUPERCONDENSATORI
Una soluzione dai costi simili, ma che permetterebbe poi di evitare la costosa sostituzione
periodica delle batterie di accumulatori, sarebbe l’impiego di batterie di supercondensatori,
impiegate nei recenti filosnodati milanesi per il ricupero energia in frenatura: queste
possono sviluppare notevoli potenze, durate di 10 anni ed 1 milione di cicli di carica e
scarica. Per contro hanno scarsa capacità, possono percorrere in marcia autonoma circa
500 m a bassa velocità.
Considerando condizioni in marcia autonoma di filosnodati simili al normale servizio,
riduzione della velocità all’80 % ed aria condizionata inserita, si può stimare un consumo
specifico di 2,5 kWh/km: una batteria di supercondensatori di circa 750-800 kg avrebbe
una capacità effettiva disponibile di circa 2,2 kWh, quindi un’autonomia di soli 800 m.
SUPERCONDENSATORI IBRIDI AL LITIO
Una maggiore autonomia sarebbe possibile con l’impiego di supercondensatori ibridi al
Litio: questi adottano l'anodo e l'elettrolita degli accumulatori al Litio, cosa che permette di
innalzare la tensione di lavoro massima degli elementi di normali supercondensatori dai 2,7
V a 3,8 V, arrivando ad energie specifiche pari a 3 volte di quelli normali.
Ponendosi come ibridi si situano a mezza strada tra i supercondensatori e gli accumulatori
al Litio, con energie specifiche fino a 15 Wh/kg, potenze specifiche intorno a 1000 W/kg,
durate di 100.000 cicli di carica e scarica ed una vita tecnica di 10 anni.
Tali caratteristiche sarebbero ideali per la marcia autonoma, dove si effettuerebbero 1 o 2
cicli di carica e scarica delle batterie per ogni corsa: hanno resistenze interne maggiori
rispetto a normali supercondensatori, ma ben minori di quelle di accumulatori al Litio, tali
quindi da permettere cariche e scariche rapide senza problemi.
Inoltre in fase di scarica la tensione scende linearmente, con una tensione minima di circa
2,2 V, assai meno pronunciata di quella di normali supercondensatori.
Ipotizzando ad esempio l'utilizzo di celle da 2200 Farad, prodotte industrialmente, si
potrebbe realizzare una batteria di circa 850 kg con 3440 elementi, dal peso di circa 650 kg
(si considera un 30 % del peso circa per involucri, sistemi di raffreddamento e circuiti di
controllo).
Si potrebbe realizzare una batteria con 16 rami in parallelo, ciascuno formato da 215 celle
in serie, per una capacità totale di 164 Farad ad 820 V, cui corrisponde un'energia totale
di 15,3 kWh: quella effettiva disponibile è di circa 9,6 kWh, ad una tensione minima di 500
V.
Considerando una riduzione del 20 % per margine (perdite e decadimento dovuto ai cicli di
carica e scarica) si potrà contare su un'energia disponibile di ben 7,5 kWh, pari ad
un'autonomia di ben 2,5 km in marcia autonoma.
La tensione disponibile alla batteria in fase di scarica (da 820 a 500 V) permetterebbe
l'alimentazione diretta degli inverter di trazione e servizi dalla tensione nominale di 750 V.
(-33 +20 % Vnom).
La resistenza interna totale della batteria sarebbe di soli 30 mΩ: limitando la corrente
massima di cella a soli 31 A (500 A totali) la potenza teorica massima sarebbe
di 410 kW ad 820 V, per scendere a 250 kW a 500 V, più che sufficienti per alimentare il
filosnodato ( max 220 kW).
INCREMENTO DELL’AUTONOMIA
Per incrementare l’autonomia si potrebbe
effettuare
la ricarica
della batteria di
supercondensatori ad una fermata attrezzata,
tramite punti di contatto aerei: quest’ultimi sono
collegati, con cavi sotterranei, alle reti di
distribuzione in corrente continua delle linee
aeree di contatto.
Tali punti di contatto aerei non sono altro che un
breve spezzone di linea aerea bifilare, retto da un
sostegno od agganciato ai muri delle abitazioni
con tiranti, lungo 1-2 m e munito di tegoli in
materiale plastico.
Alla fermata attrezzata, tramite punti di riferimento verniciati sulla strada, l’autista si collega
allo spezzone di linea aerea con i sistemi di innalzamento ed abbassamento delle aste,
eventualmente con l’ausilio di telecamere.
Tale soluzione è semplice e poco invasiva esteticamente.
In tale maniera il percorso in marcia autonoma può arrivare a circa 5 km con una sola
ricarica intermedia, accettabile in centri storici di molte città di medie dimensioni, con un
tempo di ricarica alla fermata di 1 - 1,5 min., ideale ad un capolinea centrale.
Per la carica della batteria a bordo del mezzo si impiegherebbe un semplice apparato
limitatore di corrente (magari lo stesso regolatore della resistenza di frenatura): ad esempio
limitandosi ad una potenza media prelevata di 300 kW si ha una corrente di 375 A ad 800
V, compatibile con gli elementi, accessori e cavi in uso nei sistemi filoviari.
ESPERIENZE DI TRAZIONE CON SUPERCONDENSATORI
A conforto di tale soluzione si può citare la
positiva esperienza in atto dal 2006 su una linea
urbana sperimentale di 5 km a Shangai, dove
circolano autobus elettrici alimentati da batterie di
normali supercondensatori, ricaricate presso
fermate attrezzate poste ogni 700 m.
All’inizio erano state annunciate prestazioni notevoli, addirittura un'autonomia di 5 km, ma
all'atto pratico sfruttando a fondo i supercondensatori si erano notati surriscaldamenti agli
elementi, per cui si sono ridotte le prestazioni dei mezzi ed adottate ricariche parziali alle
fermate (30 s) e totali al capolinea (90 s).