AUTOBUS AD IDROGENO

IL PROGETTO

In occasione dei Mondiali di sci nordico del 2013 che si sono svolti dal 20 febbraio al 03 marzo in Valle di Fiemme, la Provincia Autonoma di Trento ha incaricato Trentino traporti di sperimentare modalità di trasporto pubblico ad emissioni zero.

Nello specifico, con delibera nr. 366 del 4 marzo 2011, la Giunta della Provincia autonoma di Trento ha deliberato di procedere alla sperimentazione in oggetto dando mandato a Trentino trasporti dell'acquisto di mezzi ad idrogeno, nonchè di veicoli diesel-elettrico, integrati dai relativi sistemi infrastrutturali di rifornimento e deposito.

Trentino trasporti ha quindi avviato la sperimentazione per:

  • la messa in servizio di due minibus con tecnologia Fuel Cell a presa diretta sul motore elettrico (Fuel Cell Dominant);
  • la realizzazione di un impianto di erogazione di idrogeno;
  • l'adeguamento della rimessa di Predazzo per la manutenzione dei veicoli.

I PROGETTI IN AMERICA E IN EUROPA

Negl'ultimi decenni sono stati finanziati ed attivati numerosi progetti europei, americani e giapponesi finalizzati a sperimentazioni e dimostrazioni di veicoli a Fuel Cell alimentanti ad idrogeno.

Con il progetto europeo CUTE tra il 2006 al 2009 sono entrati in esercizio 33 autobus a Fuel Cell in 8 città europee e 2 città extra-europee. Questo progetto, ormai concluso, ha dimostrato alle aziende di trasporto pubblico che questa tecnologia è tecnicamente valida e ha permesso alle aziende costruttrici di autobus di poter testare sul campo questo nuovo tipo di propulsore per poter realizzarne di nuovi per i prossimi progetti.

A conclusione del progetto CUTE, la comunità europea nel 2009 ha cofinanziato per un importo di oltre 25 mln di euro un altro progetto dimostrativo noto come progetto CHIC. Questo progetto dalla durata di oltre 6 anni e quindi ancora in corso, prevede l'esercizio di complessivi 26 autobus urbani 12 mt. ad idrogeno nelle città di:

  • Aarau (CH) con già in azione 5 Mercedes Citaro FuelCell Hybrid;
  • Bolzano con in azione 5 Mercedes Citaro FuelCell Hybrid;
  • Londra con già in servizio 4 autobus marca WrightBus basato sul modello VDL SB200 e altri tre in costruzione;
  • Milano con 3 Mercedes Citaro FuelCell Hybrid;
  • Oslo con 5 Van Hool in esercizio.

 

 
 Autobus a Fuel Cell di Bolzano

 

Autobus a Fuel Cell in azione a Aarau Autobus a Fuel Cell in azione a Londra

 

Il progetto prevede anche il cofinanziamento per la realizzazione delle connesse infrastrutture di supporto necessarie per la sperimentazione degli autobus (principalmente distributori).

 

Distributore di idrogeno a Brugg in Svizzera Distributore di idrogeno a Amburgo in Germania

 

In America sono in esercizio a scopi sperimentali circa 25 autobus a Fuel Cell di cui:

  • 18 Van Hool "motorizzati" UTC Power;
  • 1 New Flyer motorizzato Ballard;
  • 2 Proterra motorizzati Hydrogenics;
  • 3 Ebus motorizzati Ballard;
  • 1 Daimler/BAE ibrido diesel con un'unita di Fuel Cell ausiliaria. 

 

Autobus a Fuel Cell in azione per AC Transit Autobus a Fuel Cell in azione per SunBus

 

 

Distributore in Canada

In Canada, l'azienda di trasporto pubblico locale a Whistler, la "BC Transit", nel 2010 ha acquistato 20 autobus a Fuel Cell prodotti dalla ditta New Flyer "motorizzati" Ballard. Questi veicoli sub-urbani da 12,5 m hanno una capacità di 36 posti a sedere e 23 in piedi, un'autonomia di 450 km, una potenza di 150 kW ed un peso a vuoto di oltre 15 t.

Il progetto da 89,5 mln di $ ha coperto l'acquisto dei veicoli, la realizzazione di una stazione di rifornimento e di un'officina per la manutenzione e rimessaggio e l'esercizio dei veicoli fino al 2014. In particolare la stazione di rifornimento non prevede la produzione di idrogeno in loco, ma viene fornito in forma liquida tramite TIR.  

 

 

  

IL PETROLIO, L'IDROGENO E LE FUEL CELL

Nel campo dei trasporti una delle più grandi sfide per le case costruttrici per il prossimo futuro sarà quello di sviluppare propulsori ad alimentazioni alternative rispetto al petrolio che, ad oggi, rappresenta praticamente l'unica fonte energetica per la trazione su gomma. Molti scienziati affermano che il momento di massima estrazione/produzione di petrolio, il cosiddetto "picco di Hubbert", è stato ormai superato e di conseguenza l'offerta di petrolio non è più in grado di seguire la crescente domanda.Per l'imminente futuro, pare che il metano possa essere la soluzione vincente, ma ciò, di fatto, posticipa solo il problema, in quanto anche tale combustibile è destinato ad esaurirsi.

Una delle possibili tecnologie in fase di sviluppo che sembra avere le prospettive e le caratteristiche per garantire una mobilità ecosostenibile delle nostre autovetture è l'idrogeno. L'idrogeno è un gas che può essere prodotto direttamente in loco grazie al processo dell'elettrolisi. Partendo da acqua ed energia elettrica è possibile innescare una reazione elettrochimica in cui viene prodotto idrogeno ed ossigeno. In particolare se l'energia elettrica proviene da fonti rinnovabili, l'idrogeno ha di fatto un costo ambientale nullo.

Le Fuel Cell (celle a combustibile) sono dei dispositivi nei quali avviene la reazione inversa rispetto all'elettrolisi.Una reazione elettrochimica tra l'idrogeno e l'ossigeno fornisce come prodotto di reazione energia elettrica, calore e acqua. L'energia elettrica prodotta viene così convogliata ed utilizzata per l'alimentazione del motore elettrico di trazione. In altre parole una Fuel Cell è di fatto come una tradizionale batteria che noi tutti conosciamo, in cui però i reagenti sono forniti dall'esterno (idrogeno ed ossigeno) invece che contenuti all'interno della batteria (Litio, piombo-acido).

 

 

I MINIBUS AD IDROGENO

 I minibus sono stati realizzati da una newco trentina la "Dolomitech S.r.l." di Villa Agnedo (TN). Il veicolo è mosso da un motore elettrico da trazione (80 kW) alimentato dall'energia elettrica fornita direttamente dalle Fuel Cell alimentante dall'idrogeno stoccato in apposite bombole sulla copertura del mezzo. Al fine di aumentare il rendimento globale del minibus sono presenti anche delle batterie al Litio (che hanno un compito puramente ausiliario) in grado di recuperare l'energia del veicolo in fase di frenatura e di restituirla nelle fasi di partenza e accelerazione. I nuovi minibus ad idrogeno sono a "Zero Emission" in quanto dal tubo di scarico esce solo vapore acqueo puro.

La particolarità di questo veicolo è la capacità di superare diverse condizioni limitie tipiche di un ambiente alpino:

  • temperature di esercizio e rimessaggio inferiori allo zero: infatti la maggior parte dei veicoli ad idrogeno circolanti presentano il grosso limite delle temperature esterne ambientali che non possono essere inferiori allo zero;
  • le pendenze media superiori al 8 - 10 %: i veicoli ad idrogeno circolanti per le varie sperimentazioni in corso presentano il limite di non poter essere utilizzati in modo continuativo su percorsi ad elevata pendenza.

 

DATI TECNICI DEL VEICOLO

 

 

 

 

 

  

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO

Come è stato spiegato, un veicolo a Fuel Cell non è altro che un normale veicolo a trazione elettrica in cui l'energia viene fornita da una reazione chimica (no combustione) tra l'idrogeno, contenuto in apposite bombole, e l'aria, aspirata mediante un compressore dall'atmosfera.

Nello specifico, la tecnologia "Fuel Cell Dominant", di cui sono dotati i minibus, fa si che le Fuel Cell siano il cuore centrale del propulsore, in quanto l'energia elettrica prodotta alimenta direttamente il motore elettrico di trazione. In altre tipologie di veicoli, la Fuel Cell hanno invece il semplice ruolo di tenere in carica le batterie presenti ed aumentarne così l'autonomia.

Per poter recuperare l'energia cinetica del veicolo durante le frenature e per aiutare le Fuel Cell durante le partenze e i picchi di potenza richiesti dal guidatore, sono anche presenti dei pacchi batterie al Litio. Tuttavia, ai fini della pura estensione dell'autonomia, la loro presenza è del tutto marginale. Infatti l'energia contenuta in esse sarebbe in grado di garantire solamente circa 50 km di percorrenza prima di esaurirsi, contro i 200-250 km garantiti dalle Fuel Cell. La particolare e flessibile gestione elettronica permette, inoltre, di caricare direttamente le batterie con le Fuel Cell nel caso di particolari condizioni di utilizzo.

VEICOLI A FUEL CELL E A BATTERIE

Entrambi le tecnologie hanno in comune l'utilizzo di un motore elettrico. Si differenziano solo dalla sorgente che produce l'energia elettrica necessaria per la sua alimentazione.Le Fuel Cell hanno tuttavia evidenti vantaggi rispetto alle batterie:

 

Fuel Cell Batterie
autonomia: nell'ordine dei 250-500 km autonomia: nell'ordine dei 50-150 km
tempo rifornimento: 5 - 10 min tempo rifornimento: 4-5 h
prestazioni: indipendenti da quantità idrogeno prestazioni: funzione dello stato carica
peso: nettamente inferiore (circa 300 kg) peso: nettamente maggiore (circa 600 kg)
efficienza: 50 % efficienza: oltre 80 %
"1 kg" di Fuel Cell = 800 m di percorrenza "1 kg di batterie" = 90 metri di percorrenza

 Il grafico ad istogramma evidenzia il quantitativo di energia, espressa in MJ, stoccabile/trasportabile per ogni kg di peso complessivo (peso bombole / serbatoio / contenitore più il peso del gas / gasolio / elementi elettrochimici) delle varie tecnologie. Come si può notare, a parità di peso trasportato, le batterie sono in grado di contenere bassi contenuti di energia in confronto all'idrogeno. Ciò comporta di fatto la necessità di "zavorrare" pesantemente i veicolo con il fine di ottenere autonomie apprezzabili.

Ad esempio, se avessimo voluto garantire 250 km di autonomia al minibus con le sole batterie, ne avremmo dovuto installare circa 2,5 t in peso. E' evidente che una tale massa, oltre all'estrema difficoltà nel poter trovare una corretta dislocazione sul veicolo in termini di volumi, avrebbe compromesso la capacità di carico dello stesso nonchè elevate potenze per poter garantire la completa ricarica durante le ore notturne. Ulteriore criticità sarebbe stata, in ogni caso, l'impossibilità di effettuare un pieno nell'ordine delle decine di minuti obbligando ad utilizzare il veicolo in precisi orari non versatili.

L'IMPIANTO DI EROGAZIONE D'IDROGENO

Il progetto idrogeno si articolerà in varie fasi temporali: la prima, in corso, è focalizzata sulla realizzazione e sperimentazione della tecnologia Fuel Cell Dominant al fine di verificarne l'efficacia e l'affidabilità. In una seconda fase sarà possibile affrontare e approfondire la tematica della produzione di idrogeno da fonti energetiche rinnovabili.

Impianto di erogazione di idrogneo a Panchià


Per questa prima fase di sperimentazione, nel comune di Panchià in val di Fiemme lungo la statale delle "dolomiti" S.S. 48 in località Venzan, si è così realizzato un impianto di erogazione di idrogeno dalla ditta Linde Gas Italia di Arluno (MI).

 

Stazione di rifornimento idrogenoStazione di rifornimento idrogeno




 

 

 

 

 

  

SPERIMENTAZIONE SU STRADA - USO SERVIZIO DI LINEA

I veicoli, consegnati a Trentino trasporti S.p.A. nel gennaio 2013, sono stati ceduti nel febbraio 2013  in usufrutto a Trentino trasporti esercizio in qualità di esercenti delle linee di servizio pubblico locale nella provincia auotonoma di Trento.

Durante il periodo dei mondiali di sci nordico i minibus ha servito la linea Lago di Tesero – Cavalese – Veronza percorrendo oltre 2.800 km/cad pari a 230 km/giorno. Al termine della manifestazione sono state effettuate delle verifiche tecniche sulla componentistica innovativa del minibus e sono stati esaminati i dati registrati dai computer di bordo al fine di ottimizzare il comportamento e l'efficienza del nuovo propulsore.

Dal 22 aprile 2013 al 12 giugno i minibus hanno effettuato servizio pubblico lungo la linea 113 della val di Fiemme, dal lunedì al venerdì per una percorrenza media di circa 100 km/giorno.
Dopo alcune settimane di fermo per verifiche tecniche ed implementazioni elettroniche, i minibus a partire da sabato 29 giugno 2013 e fino 10 settembre 2013 sono rientrati in esercizio per il trasporto pubblico locale lungo la tratta Predazzo – Passo Rolle – Fiera di Primiero (linea 122 della val di Fiemme), dal lunedì al sabato per una percorrenza media di circa 120 km/giorno ed un dislivello di oltre 2.000 m. Visto il suddetto profilo di missione piuttosto impegnativo, in accordo con i progettisti di Dolomitech, si è implementato il comando a leva della frenata rigenerativa, garantendo così una maggiore fruibilità da parte del guidatore del freno motore e massimizzando, al contempo, il recupero dell'energia cinetica. Ne è risultato una minimizzazione dell'utilizzo dei ferodi dei freni a disco ed un aumento dell'autonomia di circa un trentina di km,"

Dati tecnici salienti del percoso estivo Valori
Dislivello giornaliero 2.000 m
Pendenza media in salita 8 % per 15 km
Pendenza massima in salita  15 - 18 %
km giornalieri di servizio oltre 120 km
Autonomia residua al termine del servizio oltre 100 km

 

Terminato il servizio estivo, i minibus a partire da mercoledì 11 settembre 2013 sono di nuovo in esercizio lungo la linea 113 della val di Fiemme, dal lunedì al venerdì (percorrenza media giornaliera di circa 100 km/giorno) e lungo le corse delle 08.23 - 11.00 - 14.30. In particolare le corse  vengono effettuate da un minibus, in modo alterno, mentre il secondo è messo a disposizione per i vari eventi dimostrativi.

 

Localizzazione deposito per manutenzione, distributore per erogazione idrogeno e linea su cui sono in esercizio

 

SPERIMENTAZIONE SU STRADA - USO PER EVENTI DIMOSTRATIVI

Parallelamente al loro utilizzo per il trasporto pubblico locale, i minibus sono stati impiegati anche in diverse giornate e weekend per eventi dimostrativi con lo scopo di promuove questa nuova tecnologia d'avanguardia, quali:

  • 18-19 febbraio 2013 per il trasporto di giornalisti per l'evento PEFC della val di Fiemme;
Minibus in azione per la navetta giornalisti evento PEFC 2013
  • 13 maggio 2013 per il servizio televisivo Girovagando;
  • 10 maggio 2013 per il Convegno sul tema dell'idrogeno ("Idrogeno tra presente e futuro") svoltosi a Trento;

 

Locandina Convegno a Trento sul tema dell'idrogeno

 

  • 17 maggio 2013 per una visita con un responsabile dell'ENEA ad una azienda di Mezzolombardo produttrice di Fuel Cell ad idrogeno;
  • 15-16 giugno 2013 per un evento dimostrativo presso l'altopiano di Folgaria;
  • 23 giugno 2013 per l'evento "Gioco dell'Oca" organizzato dall' A.P.T. dell'altopiano di Pinè;
  • 28-29 luglio 2013 per l'inaugurazione del nuovo museo MUSE di Trento;

 

Minibus in esposizione al Muse

 

  • 14 settembre 2013 per un evento dimostrativo lungo il giro dei passi dolomitici a supporto della fiera Klimamobility di Bolzano;

Minibus in azione durante l'evento Ecodolomites

 

  • 19-21 settembre 2013 in esposizione e prova presso la fiera Klimamobility di Bolzano;

 

Minibus in esposizione alla Fiera Klimamobility 2013 a Bolzano

  • 27 settembre 2013 in esposizione alla Notte dei Ricercatori di fronte al museo Muse;
  • 28 settembre 2013 per un evento dimostrativo in val di Ledro;
  • 6-9 novembre 2013 in esposizione presso la fiera Ecomondo 2013 di Rimini;

 

Minibus in esposizione alla Fiera Ecomondo 2013 di Rimini

  • 9-11 dicembre 2013 per il trasporto di giornalisti in occasione delle Universiadi 2013 in Trentino. Per ulteriori informazioni sull'evento cliccare sul seguente link: www.eatsport.net;
Minibus utilizzato per il trasporto dei giornalisti all'evento Universiadi 2013
Minibus utilizzato per il trasporto di alcuni partecipanti al Workshop di Ene.Field

 

  • il 22 febbraio 2014 come navetta per l'evento di beneficenza "BondonAil 2014" il località le Viotte del Bondone;

 

  • il 05 giugno 2014 all'innaugurazione del nuovo impianto di produzione e distribuzione di idrogeno a Bolzando.
Rifornimento a Bolzano

 

I PRIMI RISULTATI DELLA SPERIMENTAZIONE

 I minibus  hanno evidenziato ottimi risultati, oltre alle più rosee aspettative, sotti tutti i punti di visti. Per quanto concerne i consumi e quindi l'efficienza del veicoli, si sono ottenuti ottimi valori, dimostrando quindi l'efficacia dell'utilizzo dell'idrogeno nelle fuel cell abbinate ad una trazione elettrica del veicolo. Il consumo dei minibus ad idrogeno, dopo aver effettuato le opportune conversione in energia, è di circa 2 volte inferiore rispetto a quelli diesel. A tale guadagno in termini di efficienza, si aggiunge anche il fatto dell'assenza di emissioni di gas inquinanti e di particolato.

Anche il comfort di guida per l'autista e di viaggio per il passeggero è stato fortemente apprezzato, vista la completa assenza degli "strappi" di accelerazione dovuti al sistema frizione – cambio delle macchine diesel e la completa assenza del classico rumore dei motori a combustione interna.

A livello di climatizzazione invernale ed estiva, il minibus ha dato ottimi risultati potendo recuperare il calore generato dalle Fuel Cell durante il funzionamento per il riscaldamento e utilizzando il sistema di climatizzazione di serie del veicolo (opportunamente modificato) per il raffrescamento estivo.

Infine per quanto riguarda la parte più critica per questa tipologia di veicolo prototipali quale l'affidabilità, ci si può ritenere altamente soddisfatti dei risultati ottenuti: i fermi macchina causati da guasti si sono manifestati solamente in due occasioni e, in aggiunta, non connessi con la parte innovativa del sistema (Fuel Cell).

Durante l'esercizio dei minibus ad idrogeno sono stati registrati una serie di dati necessari per l'analisi energetica dei veicoli e per il confronto del bilancio energetico con le tradizionali macchine diesel. In particolare per il calcolo dei consumi, essendo il veicolo dotato sia di tecnologia a Fuel Cell sia di tecnologia a batteria agli ioni di litio con ricarica plug-in (ovvero con la possibilità di ricaricare con una semplice presa elettrica le batterie), è risultato più opportuno calcolare l'energia spesa dal veicolo in kWh per km percorso piuttosto che kg di idrogeno consumati per km percorso.Quindi, per poter analizzare l'efficienza della macchina in questione, si sono dovuti registrare due dati:

  • i kg di idrogeno erogato al distributore;
  • i kWh di energia elettrica prelevata dalla rete durante la ricarica notturna.

Il primo dato è stato fornito dall'esercente del distributore mediante l'installazione di un misuratore massico. Il secondo dato è stato registrato grazie all'installazione di un misuratore di corrente e tensione integrato nella presa di ricarica elettrica e ad un sistema di telecontrollo remotato.

Grazie alla combinazione dei due dati, ovvero sommando l'energia prelevata dalla rete con i kg di idrogeno erogato (trasformati in kWh equivalenti di energia) e dividendo per i km percorsi dal minibus, è stato possibile ricavare il consumo specifico di energia per km dei minibus.

Il valore di riferimento ottenuto è stato di 700 – 800 Wh/km. Per dare un termine di paragone, l'equivalente veicolo diesel necessita di oltre 1.750 Wh/km, pari ad oltre il doppio dell'energia specifica richiesta dal minibus a Fuel Cell. Tradotto in litri di gasolio, è come dire che il minibus ad idrogeno consumasse 8-9 l/100 km contro gli oltre 17 l/100 km di una macchina tradizionale.

 

Confroto tra minibus a Fuel Cell e minibus tradizionale Diesel

 Ad oggi i kg di idrogeno erogati dal distributore sono stati di circa 500 kg garantendo così una percorrenza complessiva ai minibus di  quasi 30.000 km in poco meno di un anno di servizio, valore di tutto riguardo per dei veicoli di nuova concezione.

kg di idrogeno erogati per minibus al 31/12/2013

 

km percorsi dai minibus al 31/03/2014

 Nel ricordare la natura sperimentale e prototipale dei veicoli, ad oggi ci si può ritenere altamente soddisfatti dell'affidabilità dei minibus. Infatti dopo un anno di sperimentazione si sono rilevati due soli guasti:

 

Nr. guasto Tipologia di evento Note
1 Guasto ad una scheda elettronica guasto non bloccante - minibus rientranto autonomamente in rimessa
2 Guasto al motore elettrico - corto delle fasi motore sostituito in garanzia dal produttore del motore elettrico