Abb e il Tosa a Ginevra: le ricariche flash salgono in cattedra

di Stefano Alfano

Il Tosa a Ginevra funziona a pieno regime. Buona velocità commerciale, buona capacità di carico, e buona affidabilità del sistema. Alcune  criticità degli autobus elettrici di attuale generazione possono essere la durata della batterie in esercizio e la potenza da installare in deposito per la necessaria ricarica notturna del parco mezzi. Un autobus di grande capacità ha certamente un importante utilizzo delle batterie considerando fattori quali il carico dei passeggeri, il profilo altimetrico della linea, le condizioni climatiche, lo stile di guida. Ma quale può essere un sistema affidabile per una linea di forza, che consenta ai mezzi la sufficiente autonomia senza necessariamente aspettare la sosta notturna (che può essere anche di 4-5 ore, considerando i turni di esercizio) per “fare il pieno”?

Un sistema innovativo di ricariche flash

Abb ha messo a punto un innovativo sistema di ricarica rapida, di tipo flash o “ biberonnage”, che può essere effettuata non solo ai capilinea, ma anche presso determinate fermate lungo la linea, dove sono presenti stazioni di ricarica. In quanto tempo? Questa è una domanda cruciale per chi si occupa di esercizio, perché un eccessivo tempo di ricarica lungo la linea  può dilatare eccessivamente il tempo di percorrenza, con conseguente aumento della percorrenza stessa o l’inserimento di un ulteriore turno macchina rispetto ai quelli previsti. Altra criticità è la dispersione di energia.  Non è più sufficiente utilizzare mezzi a trazione elettrica, ma è necessario ottimizzare l’energia impiegata, limitandone i prelievi da rete e le perdite in rete,  ed immagazzinando l’energia sia sui veicoli che nelle stazioni.

Abb con Tpg, Opi, Sig per il Tosa

In questo contesto  è stato messo a punto il  progetto Tosa, che prende il nome dalle iniziali dei quattro partner coinvolti: Tpg (l’operatore di trasporto pubblico della città di Ginevra), Opi (ufficio per la promozione delle industrie e delle tecnologie nell’area Lemano  – Ginevra) e Sig (servizi industriali di Ginevra) e appunto Abb. Il Cantone di Ginevra ha coifinanziato lo sviluppo della tecnologia dell’intera catena di trazione, dalle stazioni di ricarica al drivetrain a bordo. Inizialmente si è svolto un progetto pilota, che ha poi portato all’estensione del progetto all’intera linea urbana 23 di Ginevra.

Tosa di Abb, in linea con la Strategia energetica 2050

Il bus elettrico Tosa è in linea con la Strategia energetica 2050 , ideata e promossa dalla Confederazione Elvetica , che mira a ridurre ed ottimizzare il consumo energetico e  promuovere tecnologie efficienti. Sempre sensibile alle tematiche ambientali, Tpg gestisce una robusta rete a trazione elettrica, sia su ferro che su gomma. Ha in dotazione ad oggi 119 tram e 92 filobus. Tra gli obiettivi di Tpg, sicuramente figura l’ottimizzazione dell’energia impiegata. Energia fornita da Services Industriels de Geneve (Sig), di origine solare idraulica (il 23 % dell’energia impiegata viene prodotta localmente).

L’autobus elettrico Tosa

Particolare attenzione è stata rivolta alla progettazione del veicolo. La possibilità di ricarica in stazioni intermedie ha permesso l’adozione di batterie a ioni di litio più leggere di una tonnellata, al contrario di un bus elettrico tradizionale sul quale il peso delle batterie può essere importante (circa 2,5 ton su una batteria media di 250 kWh). I pacchi batterie sono situati in copertura, liberando spazio nell’ambiente passeggeri, ed hanno una capacità di circa 73 kWh. Il tipo di batterie è ritenuto adatto ai continui cicli di carica e scarica veloce; il minor  peso delle batterie si traduce in minore  peso del veicolo, minori consumi e minori costi di smaltimento. La riduzione dell’ingombro e del peso delle batterie sulle vetture ha permesso un guadagno di posti (dal 15 al 30 % dei posti in più) e un risparmio di circa il 10 % di energia.

Ricariche flash in 15 – 20 secondi

Sempre in copertura del veicolo è situato il braccio automatico, che in meno di un secondo, si collega  al polo delle stazioni di ricarica. Il veicolo, inoltre, immagazzina nelle batterie di bordo energia recuperata nelle fasi di decelerazione e frenatura e che sarà impiegata in fase di partenza e di accelerazione, oltre che per i servizi ausiliari,  Non necessariamente, quindi, dovrà essere effettuata la ricarica in ogni stazione, questo a beneficio del consumo complessivo di energia. La ricarica flash, della durata massima di 15/20 secondi, può fare la differenza non tanto ai capilinea, dove si può sfruttare la sosta programmata del veicolo (in media 5 -10 minuti), ma durante il percorso. Il tempo di sosta dichiarato  è un dato accettabile per il programma di esercizio , considerando che, a seconda della situazione e dello stato di carica delle batterie, il conducente potrebbe decidere di non utilizzare la ricarica di tutte le fermate. Il motore di trazione è appositamente studiato per la trazione del Tosa; il convertitore di trazione è di compatte dimensioni, peso limitato e ad alta efficienza energetica.

Fino a 133 passeggeri a bordo del Tosa

I veicoli sono dotati di un elevato livello di comfort, con pianale ribassato, capace di accogliere fino a 133  viaggiatori,  postazione per il diversamente abile, videosorveglianza, sistema di comunicazione a bordo tramite schermi , oltre a prese USB  per la ricarica di smartphone, tablet, dispositivi mobili personali. Quasi un sistema “ a cascata” di ricarica delle batterie. I servizi ausiliari possono essere sempre mantenuti attivi anche durante la sosta ai capilinea. Il sistema è naturalmente certificato per circolare in qualsiasi condizione meteo: neve, ghiaccio, nebbia, pioggia. La Tpg ha investito 16 milioni di franchi per l’acquisto di 12 vetture articolate, lunghe 18,75 metri,  carrozzate da Hess di Bellach (CH).

Uno sguardo alle stazioni del Tosa

Le stazioni sono dotate di una struttura di ricarica, alta circa 4,5 metri; la struttura supporta il polo al quale si connette il braccio automatico del bus, per la ricarica. Per garantire la massima sicurezza, il polo viene alimentato solo quando è in contatto il braccio del veicolo, non in altri casi. Il trasferimento di energia non causa alcun campo elettromagnetico.
Le stazioni sono equipaggiate con un modulo di stoccaggio composto da batterie a ioni di litio situate accanto alle colonnine di ricarica flash, che possono immagazzinare fino a 88 kWh, permettendo quindi un assorbimento di corrente inferiore dalla rete a costi ridotti quando il veicolo non è connesso.  La durata prevista per i moduli batterie delle stazioni di ricarica è di 10 anni. La potenza massima di ricarica  è di 600 kW.  Per un ottimale funzionamento della stazione, nel modulo batterie la temperatura deve essere inferiore a 45 ° C. L’armadio è climatizzato in modo da  garantire la temperatura ottima, monitorato costantemente per non superare i limiti di esposizione del rumore previsti ( OPB RS 814.41). Le stazioni sono situate lungo la linea, (in media ogni 5/6 fermate) ai capilinea ed in deposito.

Abb, fornitura al top per il Tosa

Complessivamente, Abb ha eseguito: lo studio del sistema di dimensionamento della rete elettrica di trazione ottimizzando i costi di esercizio della linea 23 di TPG, i convertitori di trazione e ausiliari, il sistema di stoccaggio, i motori elettrici ed il braccio automatico a bordo dei veicoli, le stazioni,  di cui 13 per la ricarica flash (con sistemi di stoccaggio dell’energia in bassa tensione, a potenza e costi sensibilmente inferiori), un sistema di ricarica smart, sequenziale e completamente automatico da effettuarsi in appositi stalli in deposito.

Il vantaggio ambientale del Tosa

Le stazioni situate ai capilinea sono programmate per una ricarica di 4-5 minuti, che si stima simile al tempo medio di sosta dei veicoli al capolinea. La  potenza  disponibile all’uscita è di circa 400 kW. Il sistema può risparmiare fino a 1000 ton di anidride carbonica l’anno, calcolando una percorrenza globale di 600.000 km/anno per la flotta di 12 veicoli.

La linea 23 di Tpg

Il Tosa è oggi attivo sulla linea 23 di Tpg, precedentemente esercita con bus diesel.  La linea, lunga circa 12 km, collega l’aeroporto con il quartiere di Carouge, con un percorso nord- sud che intercetta quasi tutte le principali linee di forza di Tpg sia su gomma che su ferro, alle fermate/interscambi di : De Sauvage, Avenue de l Ain, Chemen du Bac,  Boisson  – Lancy, Palettes, Bachet, Stadio, che possono essere ritenute le fermate con il maggior carico e quindi con una sosta intorno ai 10/15 secondi e quindi ideali sedi delle stazioni di ricarica.  13 stazioni su 50 sono dotate di ricarica rapida. Il percorso viene coperto in 36 minuti, con un passaggio programmato nei giorni dal lunedi  al venerdi ogni 10 minuti nelle ore di punta, di 15 minuti nelle ore di morbida, e ogni 30 minuti dalle 20 alle 24. Al sabato e alla domenica l’offerta è leggermente rimodulata.  Il servizio è attivo dalle 5 alle 24.

Una giornata di prova

Il tempo di giro completo può essere stimato in 80 minuti circa, con un impiego di circa 8 veicoli con eventuali rinforzi. Il carico rilevato nella giornata di prova ( 23 agosto, ore 15,30 )  è di circa 40/50 persone, con punte di 70 persone (intorno alle ore 17.00). Il veicolo ha dimostrato buone doti di accelerazione e frenatura, senza strappi, in una linea con un profilo altimetrico non particolarmente difficile ma con alcune livellette presenti. Le batterie non sono state particolarmente sollecitate, tanto che non è stato ritenuta necessaria la ricarica in alcune stazioni intermedie. La linea è risultata gestita interamente con i bus Tosa, e anche gli innesti delle ore di punti sono stati gestiti con bus elettrici.
Il Tosa è sicuramente un’applicazione interessante nel campo dei bus elettrici; nel progetto ha creduto anche la città di Nantes (F), dove sono previsti 20 mezzi di 24 metri di lunghezza, con una capacità per bus superiore a 150 passeggeri.