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Rinnovabili pronte al binario

 By Nicholas Newman

L’età d’oro delle locomotive a vapore, come le si vede in molti film famosi, da Anna Karenina Polar Express al grande classico Assassinio sull’Orient Express, è stata superata da quella dei treni a diesel o elettrici in Europa e Nord America. Soprattutto gli ultimi 50 anni hanno visto enormi progressi nell’efficienza dei treni ma l’aumento dei costi dell’energia insieme a controlli ambientali sempre più stringenti stanno spingendo costruttori e ingegneri ferroviari a sperimentare diverse innovazioni con tecnologie propellenti alternative come il solare, le batterie al litio, le celle di combustibile ad idrogeno, i volani e i gas naturali. Nicholas Newman racconta l’affascinante nuova frontiera delle “rinnovabili pronte al binario.” Perchè una cosa è certa: il treno che vi passa vicino ha ormai molto da dire su com’è alimentato e da dove viene l’energia che lo muove…

E’ sempre più raro vedere un treno che esce da una stazione lasciando una scia di fumo, a meno che non sia un treno d’epoca mantenuto sui binari da alcuni nostalgici. L’età d’oro delle locomotive a vapore, come le si vede in molti film famosi, quali Anna Karenina, Polar Express e il grande classico Assassinio sull’Orient Express, dove il treno è la star della storia, è stata superata da quella dei treni a diesel o elettrici in Europa e Nord America.

Oggi l’Eurostar, il treno che viaggia a 300 km all’ora e collega Londra con Parigi e Bruxelles, può essere alimentato da una stazione nucleare francese, da un impianto a carbone polacco o persino da ecologici pannelli solari posti a lato dei binari. Installare dei pannelli Solar PV anche solo lungo questa linea, secondo le stime di WSPGroup, potrebbe far risparmiare alla Network Rail (l’ente di infrastrutture ferroviarie del Regno Unito) 30 milioni di sterline (45,2 milioni di dollari) e 895.000 tonnellate di carbone all’anno. Un ulteriore risparmio sarebbe generato dall’uso del sistema di frenata rigenerativa, secondo cui il treno usa una frazione dell’energia generata da un precedente utilizzo dei freni, più a monte sulla linea. In tutta Europa, batterie e sistemi di frenata rigenerativa si stanno dimostrando una fonte di energia sempre più diffusa sia per i treni suburbani che per le linee tramviarie. Per esempio, nel porto francese di Nizza, i cavi convenzionali aerei forniscono 750 V DC di energia ai tram cittadini; l’unica eccezione sono le due grandi piazze Masséna e Garibaldi, dove dei fili sospesi sarebbero spiacevoli alla vista. Quando i tram attraversano queste due piazze, dunque, abbassano i loro pantografi e passano alle batterie ibride al nickel che hanno a bordo.

Gli ultimi 50 anni hanno insomma visto enormi progressi nella resa ed efficienza dei treni con l’adozione di locomotive funzionanti a diesel, poi ibride a diesel e successivamente solo elettriche. Nel Regno Unito l’ente ferroviario regionale Great Western ha in programma di introdurre treni Intercity bi-mode capaci di funzionare al di là dell’esistente rete elettrificata usando motori a diesel già predisposti. Oggi per rispondere ai mutamenti climatici, gli ingegneri ferroviari stanno facendo esperimenti con tecnologie propellenti alternative come le batterie al litio, le celle di combustibile ad idrogeno, i volani e i gas naturali.

Il diesel ha un futuro?

Da quando l’Europa e il Nord America hanno iniziato a dismettere i treni a vapore negli anni cinquanta, le locomotive a diesel hanno dominato i servizi di trasporto passeggeri e merci. I treni merci a diesel hanno rappresentato una scoperta significativa per il risparmio di carburante, essendo in grado di trasportare una tonnellata di merci per una media di 735 km con un singolo gallone (ogni 4,5 litri circa) di carburante. Secondo la Federal Railroad Administration, il trasporto di merci su rotaia è tra 2 e 5 volte più economico in termini di carburante del trasporto su gomma. Il risparmio è notevole: per esempio, costa circa $241.297 di carburante all’anno far funzionare un servizio giornaliero di treni a diesel per 960 km circa, si legge nel Battery Powered Trains, uno studio condotto dai laboratori di ricerca per i trasporti in Gran Bretagna e pubblicato nel gennaio del 2013.

Attualmente ci sono due tipi diversi di locomotive a diesel: del primo tipo sono le locomotive diesel-meccaniche che montano motori simili a quelli delle auto e dei camion, utilizzati come locomotivi switcher o derivatori nei depositi o nei porti. Appartengono invece al secondo tipo le locomotive diesel elettriche che usano una combinazione di motori elettrici e a diesel per far funzionare un treno ibrido. In questo caso il motore diesel genera potenza per i motori elettrici che agiscono da propulsori del treno fornendo l’energia necessaria a tutto il treno. Dagli anni Settanta le locomotive ibride elettrico-diesel sono diventate la prima scelta nel campo del trasporto su rotaia, sia per i treni passeggeri che per quelli merci, come l’australiano XPT intercity train che collega Sydney con Melbourne. Quest’ultimo utilizza un motore turbodiesel Paxman VP185 a 12 cilindri, che vanta una potenza di 2000 cavalli.

Sebbene sia un motore più pulito di quello dei treni a vapore di un tempo, normative ambientali sempre più severe spingono gli sforzi di rendere più ecologici i treni a diesel. Produttori come GE e ABB introducono innovazioni che rendono i treni più silenziosi, puliti e a minor consumo di carburante. Per esempio, le locomotive della serie Evolution, l’ultimissima versione delle locomotive pesanti a basso consumo della GE Transportation, hanno ridotto le emissioni del 70% rispetto alla tecnologia del 2005 e soddisfano i più recenti obiettivi U.S. EPA Tier 3 nonché EU IIIa. Anche i clienti ne hanno tratto vantaggio, dice un rappresentante della GE usando il ritornello “più di 1,5 miliardi di dollari di infrastrutture e costi operativi”.

Un’altra recente innovazione è la locomotiva Green Goat, un ibrido capace di passare da un piccolo motore diesel ad un grande banco di batterie ricaricabili. Le locomotive Green Goat sono ideali per i servizi urbani, i cui treni sono spesso inattivi e dove la popolazione locale è sensibile al rumore e all’inquinamento.

L’energia solare non serve più solo ad alimentare trenini giocattolo e ricerca universitaria. Dal 2009 l’industria ferroviaria ha manifestato grande interesse nello sfruttamento dell’energia del sole per alimentare l’illuminazione, i pannelli di informazione per i viaggiatori, la segnaletica e le stazioni

Il ritorno del viaggiare in treno

In tutta Europa il treno elettrico è diventato sempre più comune: l’elettrificazione delle linee ferroviarie non è una nuova idea. Locomotive elettriche vengono utilizzate in Europa dal 1890, e oggi i treni elettrici ad alta velocità, come il francese TGV, ricevono energia da un cavo aereo, mentre alcuni treni del servizio interurbano di Londra sono alimentati da una terza rotaia elettrificata. Sebbene i costi iniziali dell’elettrificazione siano alti, i treni elettrici costano meno in termini di servizio.

Come ha detto il Ministro dei Trasporti Justine Greening durante un dibattito alla Camera dei Comuni nel giugno 2012: “il costo del carburante è di circa 46 centesimi al km (47p al miglio) per i treni  diesel rispetto a 26c (26p) per i treni elettrici, mentre l’usura della rete per chilometro è per i diesel 10 centesimi (9,8p) contro 8,6 centesimi per i treni elettrici”. I treni elettrici hanno anche altri vantaggi, essendo più leggeri, più veloci e puliti e allo stesso tempo di più facile manutenzione e potenzialmente più lunghi. Il maggior svantaggio dei treni elettrici è il capitale iniziale dei costi di elettrificazione della rete. Per esempio, l’attuale opera di cablaggio dei 378 km della principale rete ferroviaria pesantemente trafficata che collega Londra con Bristol e Cardiff è costata tra 2,5 e 2,8 miliardi di sterline ma probabilmente ne è valsa la pena poiché “l’elettrificazione delle linee dà grandi benefici ai viaggiatori offrendo loro un servizio più veloce e affidabile”, ha detto Simon Burns, Ministro responsabile delle ferrovie in Gran Bretagna. Network Rail, che è proprietaria delle infrastrutture, ha annunciato nel gennaio 2013 che l’elettricità necessaria per queste linee, e per altri 3.219 km di linee ferroviarie in progetto, verrà da EDF la società francese per l’energia nucleare.

Treni a batterie sono attualmente in fase di prova per i collegamenti tra le sezioni principali elettrificate della rete ferroviaria del Regno Unito e le linee secondarie, che hanno meno probabilità di venire elettrificate. Non solo. Nel gennaio 2015 un treno con batterie al litio, ferro e magnesio è stato testato su una linea secondaria che collega Harwich con la stazione di Manningtree in Essex nel Regno Unito. A completamento del test finale con risultati positivi si dovrebbero ordinare treni con batterie di questo tipo costruiti appositamente. Il primo ingegnere della Network Rail, James Ambrose, sostiene che treni di questo tipo “dovrebbero contribuire al raggiungimento dell’obiettivo dell’azienda di ridurre l’impatto ambientale, migliorare la sostenibilità e diminuire i costi di gestione delle ferrovie del 20% nel corso dei prossimi 5 anni”.

Per paesi che non hanno un’ampia rete ferroviaria elettrificata, tra cui l’America settentrionale, le locomotive alimentate a GNL (gas naturale liquefatto) potrebbero essere un’opzione valida. Il gas naturale, anche dopo essere stato trattato per diventare gas naturale liquefatto, ha un costo decisamente inferiore per unità di energia rispetto al diesel. Tuttavia, prima che sia possibile la diffusione del GNL, ci sono tre pre-condizioni da soddisfare: lo sviluppo della necessaria tecnologia per motori e serbatoi, la creazione delle infrastrutture per il carburante e un idoneo quadro normativo di riferimento. Per quanto riguarda l’attuale design dei serbatoi di carburante, Mike Swaney, direttore delle operazioni di supporto della BNSF, pensa che sia troppo presto per tirare delle conclusioni.

L’energia solare e i treni ad alta velocità

L’energia solare non serve più solo ad alimentare trenini giocattolo e ricerca universitaria. Dal 2009 l’industria ferroviaria ha manifestato grande interesse nello sfruttamento dell’energia del sole per alimentare l’illuminazione, i pannelli di informazione per i viaggiatori, la segnaletica e le stazioni. A Londra, per esempio, la stazione ferroviaria di Blackfriars usa attualmente 4.400 pannelli solari fotovoltaici per generare circa 900.000kWh di elettricità, ovvero metà dell’energia annuale della stazione, allo stesso tempo riducendo le emissioni di CO2 della stazione di 490 tonnellate, secondo Railtrack.

In Belgio, Infrabel, ente per le infrastrutture ferroviarie, lavorando con Enfinity, azienda per le energie rinnovabili, ha costruito lungo la principale linea di superficie ad alta velocità che unisce Antwerp con Amsterdam un collegamento in galleria di km 3,6 illuminato da energia solare.  Il tunnel di superficie è stato disegnato per proteggere la linea ad alta velocità dalla caduta di alberi che potevano bloccare il percorso. I 16.000 pannelli solari installati all’esterno del tunnel hanno la capacità di generare 3,3 GWH, quantità sufficiente per alimentare 4.000 viaggi di treno all’anno. “Per chi opera nel sistema ferroviario è il modo migliore per ridurre la propria carbon footprint” secondo Bart Van Renterghem, manager di UK Enfinity, appunto la compagnia belga per l’energia rinnovabile, che ha installato i pannelli per Infrabel.

Bruciare idrogeno

Diversamente dai treni alimentati con l’energia solare, quelli a idrogeno sono ancora in fase di sviluppo. Conosciuti anche come “hydrail,” essi si basano sull’idea di trasformare l’energia chimica presente nell’idrogeno in energia meccanica. Sono allo studio due approcci principali per far funzionare i motori elettrici: il primo metodo consiste nel bruciare l’idrogeno in motori a combustione interna, mentre il secondo si basa sulla reazione tra idrogeno e ossigeno in celle di carburante. In ogni caso, una locomotiva ibrida è in fase di sviluppo.

Nel 2014 Alstom, l’azienda francese che costruisce treni, ha firmato un contratto con l’ente tedesco per i trasporti regionali per fornire due prototipi che funzionino con unità multiple modificate Coradia Lint. Questi treni, che dovrebbero diventare operativi già nel 2018, useranno una combinazione di celle di carburante a idrogeno, batterie e sistemi di stoccaggio dell’energia in sostituzione al diesel power pack alloggiato sul tetto, e permetteranno una resa equivalente dell’unità elettrica multipla.

Nel frattempo, treni o tram ibridi con motori tradizionali che usano la tecnologia di sistema di frenata rigenerativa potrebbero essere una soluzione di ponte per arrivare ai treni alimentati a idrogeno. Una volta che la tecnologia è stata testata, hydrail potrebbe diventare un concorrente serio poiché “il principale vantaggio di hydrail è che può funzionare su reti comuni, e l’unica nuova infrastruttura necessaria è data da treni e/o locomotive e pochissimi punti di rifornimento lungo linee selezionate che usino questa tecnologia”, spiega Stan Thompson, presidente di HEAT, Hydrogen Economy Advancement Team. Le linee secondarie in Europa e le linee non elettrificate del nord America potrebbero essere un mercato sufficientemente ampio per questa tecnologia.

Il futuro alle porte

L’aumento dei costi dell’energia insieme a controlli ambientali più severi stanno alimentando diverse innovazioni tecnologiche e lo sviluppo delle locomotive. Un trend recente consiste nell’adozione dell’ibridizzazione usando combinazioni diverse di forza motrice disegnate per soddisfare bisogni di mercato specifici, che vanno dai servizi ad alta velocità delle linee principali alle linee suburbane ed urbane fino alle linee tranviarie e ai treni industriali e da miniera. Una cosa è certa: il treno che vi passa vicino ha molto da dire, sia su come è alimentato che da dove viene l’energia che lo muove.

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