Trasformare gli autobus urbani in autobus ibridi

In termini economici la sostituzione di autobus diesel con autobus ibridi per metterebbe un risparmio economico di circa il 30-35%

autobus ibrido
via depositphotos.com

di Alfonso Calabria e Roberto Capata

Alcune delle principali aziende di trasporto pubblico mondiali stanno studiando e prevedendo di adottare autobus con motorizzazione ibrida. Già nel giugno del 2012 era entrata in circolazione una flotta di 12 autobus ibridi-elettrici Designline Eco Saver IV a Baltimora, dotati di microturbina Capstone C30. 

Sulla base dei risultati ottenuti con la sperimentazione di Baltimora, alcuni ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aeronautica della  Sapienza (DIMA) hanno presentato una proposta di implementazione di un autobus ibrido a turbogas. 

Lo schema adottato per l’autobus ibrido elettrico con turbogas è del tipo in serie. La configurazione tipo serie di questo autobus comporta l’utilizzo di un gruppo turbogas, un generatore ad elevata velocità, un pacco batterie, un motore elettrico ed una VMU (vehicle management unit – centralina di controllo) che decide quanta energia prodotta dal turbogas debba essere indirizzata al pacco batterie per ricaricarlo e quanto al motore elettrico, oltre a controllare le operazioni di accensione e spegnimento del gruppo turbogas secondo la logica di controllo adottata.

È stato, inoltre, previsto un dispositivo di ricarica da rete fissa in caso che il gruppo turbogas non possa ricaricare completamente le batterie. 

Per determinare la fattibilità del progetto e calcolare la potenza richiesta dal sistema di trazione dell’autobus durante i percorsi urbani ed extraurbani sono state effettuate una serie di simulazioni su un percorso urbano ETC. Le caratteristiche per percorso simulato sono riportate di seguito.

Caratteristiche Tragitto 
Velocità media Vm = 22.61 km/h
Velocità massima Vmax = 54.75 km/h
Kilometro per tragitto  km = 12.4 km
Durata tragitto40-47 minuti
Fermate18
Totale percorsi8 = 100 km 

Il principio su cui si basa la simulazione (mediante un codice sviluppato da ricercatori del DIMA) è quello di calcolare la potenza del sistema di trazione per una data percorrenza , considerando la dinamica del veicolo ed il ciclo, ed uguagliarla sempre alla somma della potenza fornita dal pacco batteria con/senza il gruppo turbogas.

Per una migliore flessibilità del sistema di trazione, è stata considerata l’opzione di aggiungere e/o prevedere la presenza di un altro tipo di accumulatore ed è stato anche considerata la sostituzione del gruppo turbogas con due gruppi di minore potenza. L’accumulatore considerato, al momento, è un volano elettrico, collegato ad un motore/generatore, che ha il compito di ricuperare energia in frenata o un picco di potenza eventualmente generata del turbogas. 

I ricercatori hanno scelto diverse componenti e logiche di gestione si procedendo a calcolare la potenza del pacco batterie, del gruppo turbogas, il consumo del combustibile e le emissioni dell’autobus ibrido tipo serie, durante i due percorsi urbani e extraurbani.

La simulazione ha permesso di dimensionare il pacco batterie, con una potenza di circa 150  kW si riesce a terminare il percorso urbano di andata (metà del ciclo) in modalità puramente elettrica. 

Quando le batterie raggiungono il livello di carica minimo, la turbina entra in funzione, in modo da garantire il corretto funzionamento del veicolo nonché la contemporanea ricarica delle batterie, quindi l’altra metà del percorso di ritorno avviene con le turbine accese che provvedono, contemporaneamente alla trazione e alla ricaricare le batterie. Durante la fase di frenata l’energia prodotta viene assorbita da un volano. Questa energia viene restituita al sistema di trazione non appena questo la richieda,

Il percorso urbano simulato necessita di un consumo specifico di 156 g/kWh, a cui corrisponde un consumo di 46,3 l/100km.

Nel percorso extraurbano, simulato, le batterie sono soggette a forti regimi di scarica e le turbine lavorano ai massimi regimi per la ricarica delle batterie, che viene ricaricata velocemente. Nei  percorsi extraurbani dove si raggiungono elevate velocità medie e l’energia recuperata in frenata è molto minore rispetto a quella del ciclo urbano. 

Il percorso extraurbano risulta essere, dal punto di vista dei consumi, il percorso più vantaggioso a fronte di un pacco batterie di circa 200 kW e il ricorso a due gruppi turbina rispettivamente da 85 e 185 kW. 

Analizzando in dettaglio i consumi di combustibili degli autobus convenzionali alimentato a gasolio e quelli ottenuti della simulazione dell’autobus ibrido tipo serie con turbogas si può constatare che i consumi sono paragonabili tra di loro. Il punto più significativo dell’autobus ibrido tipo serie con turbogas è quello che utilizzano gas come combustibile, diminuendo in gran parte le emissioni di sostanze nocive nell’ambiente.

Tabella 3 – Confronto e consumi
Autobus 
Pbatterie [kW]Pturbina [kW]Volano elettrico [kJ]HD [%]Energia recuperata [kJ]km/ll/100 kmg/kWh
IbridoMissione urbana153 (760 kg)15010047220172.146.3156
IbridoMissione extra urbana≈192 (950 kg)95+18510058180191.9451.6183
Iveco 480.12.21






52.1
Iveco 491G.12.27






54.7
Iveco Fiat 480.12.22






56.3
Breda Menarini M220/E






46
MAN NL 263 F






48

La realizzazione di un autobus ibrido elettrico tipo serie con turbogas, permetterebbe di sostituire l’attuale parco circolante alimentato con di diesel con quello a gas, con un conseguente minore impatto ambientale, un maggior risparmio economico sia nel percorso urbano e extraurbano. 

Infatti, le analisi, confermano come il primo ovvio vantaggio sia il minor impatto ambientale derivante dall’utilizzo di GPL o metano (CH4) come combustibile. In tempi di limitazione della circolazione, a causa di elevati valori di PM (dovuti ai veicoli diesel), un mezzo di circolazione elettrico/gas ridurrebbe drasticamente tali emissioni. 

In termini economici la sostituzione di autobus diesel con autobus ibridi per metterebbe un risparmio economico di circa il 30-35%

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