La cura del ferro per risparmiare energia

Di Terenzio Longobardi

La mobilità collettiva su ferro è a mio parere la soluzione più efficiente sul piano economico, gestionale, ambientale ed energetico per affrontare sia gli attuali gravi problemi di inquinamento delle nostre città, sia per costruire un modello di mobilità sostenibile che minimizzi l’uso dei combustibili fossili.

In altri articoli (1, 2) ho spiegato le ragioni a favore dei moderni sistemi ferro-tranviari che consentono, rispetto al trasporto collettivo su gomma, una maggiore efficienza nella gestione delle risorse economiche pubbliche. In questa sede intendo affrontare un’altra tematica cruciale, quella energetica che, se non ha ancora assunto un ruolo determinante nell’equilibrio economico delle aziende di trasporto (le spese energetiche incidono attualmente solo per il 10% dei costi operativi), riveste importanza strategica nel risparmio di risorse energetiche e nella riduzione delle emissioni di inquinanti e di gas serra nel settore dei trasporti (che incide in Italia per il 30,9% dei consumi finali di energia e per il 62,2% sui consumi finali di petrolio).

Anche da questo punto di vista le moderne tecnologie tranviarie si rilevano fortemente competitive non solo nei confronti del trasporto privato, ma anche rispetto ai mezzi di trasporto pubblico su gomma (autobus e filobus). I motivi di questa maggiore efficienza energetica sono insiti nella modalità del servizio e nei materiali che determinano il movimento dei mezzi sull’infrastruttura di trasporto.

Per spiegare quest’ultimo aspetto, dobbiamo fare brevemente riferimento a concetti di fisica. L’energia necessaria a muovere un mezzo di trasporto è proporzionale alla forza da applicare per vincere le resistenze al moto. Tale forza di trazione è data dalla somma delle forze che si oppongono al moto, cioè dalla sommatoria delle resistenze al moto e della resistenza all’inerzia del mezzo di trasporto.

Le resistenze al moto si dividono a loro volta in sistematiche Rs ed occasionali Ro. Le resistenze sistematiche si ricavano dalla somma di tre componenti, la resistenza dovuta all’attrito degli organi meccanici che trasmettono il moto, la resistenza di rotolamento dovuta all’attrito volvente delle ruote sul piano di trasporto, la resistenza che l’aria oppone al moto del veicolo. Le seconde due sono nettamente prevalenti sulla prima.

Nella tecnica dei trasporti, per calcolare la forza di trazione Ft e tutte le caratteristiche del moto si integra un’equazione del tipo Ft(v) – R(v) = M * dv/dt, dove R è la somma di tutte le resistenze esterne al moto e M * dv/dt è la resistenza all’inerzia del veicolo, ponendo cioè tutti i termini dell’equazione in funzione della velocità. Ma ai nostri fini accontentiamoci di una stima grossolana.

Per confrontare le due modalità di trasporto consideriamo per le precedenti resistenze i valori per unità di peso, e trascuriamo le resistenze minori. Avremo perciò che la forza unitaria di trazione ft è data dalla somma delle resistenze al rotolamento, all’aria e all’inerzia del veicolo.

La prima è data dalla formula:

Rv = Kv/r * P

dove Kv è il coefficiente di attrito volvente, r è il raggio della ruota e P è il peso del veicolo.

I valori di Kv per il pneumatico su strada asciutta (autobus o filobus) variano tra 5 mm. e 10 mm. mentre per il cerchione sulla rotaia del tram è mediamente di 0,3 mm. (quindi circa 20 volte meno). La spiegazione di questa notevole differenza è legata al fatto che sulla superficie di contatto, la distribuzione delle pressioni di contatto non risulta simmetrica rispetto alla direzione della forza premente, ma le pressioni risulteranno maggiori dalla parte del senso del moto, di un fattore dipendente proprio dal tipo di materiali a contatto e dalla loro elasticità reciproca. Il raggio della ruota di un autobus o filobus è circa 1,5 volte quello del tram.

Introducendo i valori precedenti nella formula scopriamo che la forza per unità di peso necessaria a vincere le resistenze al rotolamento per il tram è circa 13 volte più bassa di quella del mezzo pubblico su gomma.

Passiamo ora al valore della resistenza aerodinamica Ra. Questa resistenza al moto è l’unica che non dipende dal peso del veicolo e diventa preponderante rispetto alle altre per valori della velocità superiori a 80 km/h – 90 km/h (quindi non nel nostro caso considerando che la velocità commerciale dei mezzi pubblici urbani è di 20 km/h – 30 km/h, con velocità massime di 60-70 km/h). Essa si scompone in una resistenza frontale, in una laterale e sottocassa e in una di coda. La formula per determinare la resistenza frontale, nettamente prevalente rispetto alle altre due è:

Ra = Ka * d * S * V², dove

Ka è un coefficiente di forma della testata del veicolo, d è la densità dell’aria, S è la superficie frontale e V è la velocità. Considerando che per le maggiori caratteristiche di aerodinamicità il tram moderno ha un valore di Ka uguale a circa la metà di quello di autobus e filobus (0,3 contro 0,6) e una superficie S inferiore di circa il 15%, ricaviamo che anche per quanto riguarda il valore unitario ρa di questa resistenza al moto il tram è vincente.

La resistenza all’inerzia è data dalla formula:

Ri = Ki * M * dv/dt, dove

M è la massa del veicolo, Ki è un coefficiente correttivo d’inerzia che tiene conto delle masse rotanti connesse alle ruote, dv/dt è l’accelerazione del veicolo.

Ki assume valori tra 1,1 e 1,4 per i mezzi su gomma, leggermente più bassi per il tram (0,7 – 1,1). L’accelerazione varia in funzione delle condizioni di moto nel tempo, però possiamo considerare che l’accelerazione media sia sicuramente inferiore nel caso del moto più regolare (a velocità costante l’accelerazione è nulla) del tram, determinato dalla sede propria e dai tratti maggiormente rettilinei delle linee. In conclusione, possiamo affermare con buona approssimazione che anche il valore unitario ρi (kg/t) di questa resistenza per il tram sia ordinariamente inferiore rispetto al mezzo pubblico su gomma.

Ricapitolando, il tram rispetto ai mezzi pubblici su gomma ha un valore della resistenza unitaria al moto nettamente più basso, (secondo alcune fonti, circa dieci volte; in termini assoluti per i sistemi ferroviari 2,5-3 kg/t contro i 20-30 kg/t su strada) e un valore della resistenza unitaria all’inerzia del mezzo più contenuto. Per questo, il tram moderno necessita di una forza unitaria di trazione inferiore e, conseguentemente, una minore spesa energetica. Nei confronti dell’autobus questo vantaggio è ancora più accentuato a causa della maggiore efficienza di trasformazione del motore elettrico rispetto al motore a scoppio.

Naturalmente, la stima di massima che ho finora effettuato ci serve per stabilire un termine di confronto tra vari mezzi, però concorda abbastanza bene con i pochi dati empirici disponibili. Le aziende di trasporto sia italiane che estere in genere oppongono il segreto industriale (lo hanno fatto anche con me) alle richieste di conoscenza dei consumi energetici dei mezzi, però qualche dato si riesce a reperire. Per il filobus (più confrontabile sul piano energetico con il tram, per lo stesso tipo di trazione) è estremamente difficile ricavare informazioni a causa della sua scarsa diffusione, comunque si stimano in genere consumi di circa 2,5 kWh/km – 3 kWh/km. Per i tram moderni costruiti negli ultimi vent’anni, grazie anche al recupero di energia durante la frenata, i valori sono leggermente più bassi. Questo studio calcola consumi di circa 1 kWh/km. Un altro studio sui tram della Siemens ci da valori tra 1,5 kWh/km e 1,8 kWh/km.

Ma la questione decisiva dal punto di vista energetico e non solo è un’altra. Il parametro che permette di comparare il consumo energetico di sistemi di trasporto diversi e che viene comunemente usato nell’analisi dei trasporti è il cosiddetto consumo specifico, cioè l’energia consumata in rapporto ai km percorsi e ai passeggeri trasportati. E quest’ultimo fattore fa pendere a favore del tram moderno nettamente la bilancia energetica grazie alla maggiore capacità di trasporto (mediamente 250 contro 120 passeggeri) e al maggiore fattore di riempimento che dipende dal miglior grado di apprezzamento del servizio da parte degli utenti (in letteratura si considera in genere un fattore di riempimento dei mezzi su ferro circa il doppio di quelli su gomma).

Se dividiamo il consumo chilometrico dei due mezzi citato in precedenza per un riempimento medio annuo assunto prudenzialmente in 30 persone per il tram e 20 per il filobus, si ottiene un consumo specifico di 33 Wh/pass.*km – 60 Wh/pass.*km nel tram contro i 125 Wh/pass.*km – 150 Wh/pass.*km del filobus.

Considerando che 1 Wh prodotto dal sistema elettrico italiano corrisponde a 0,22 gep (grammi equivalenti petrolio), abbiamo infine che il consumo specifico del tram sarebbe di circa 7 gep/pass.*km – 13 gep/pass.*km contro i 27 gep/pass.*km – 33 gep/pass.*km del filobus. Il valore per il tram è il più basso in assoluto tra tutti i mezzi di trasporto motorizzati. Esso corrisponde abbastanza bene a quello indicato in un mio http://www.aspoitalia.it/documenti/longobardi/tram.html> precedente articolo, tratto dallo studio degli Amici della Terra che fa riferimento a ad un materiale rotabile tranviario di vecchia generazione, caratteristico delle poche linee italiane scampate alla distruzione del dopoguerra.

Infine, è opportuno menzionare alcune recenti innovazioni tecnologiche applicate sui moderni mezzi tranviari che rendono in prospettiva questi mezzi di trasporto ancora più competitivi sul piano del risparmio energetico.

14 comments ↓

#1 Giuseppe Marone on 03.11.10 at 00:53

Il valore di 7-13 gep/(p*km) e’ in linea con il valore di 12 gep/TU(*) relativo ai treni. Questo dato viene si trova su diversi rapporti UE che riportano confronti di sostenibilita’ fra sistemi di trasporti merci e/o passeggeri.
BTW, ne approfitto per segnalare che il link al “precedente articolo” di sopra non funziona.
Saluti
(*)1 TU = 1 Transport Unit = pass*km+tonn*km

#2 Stefano on 03.11.10 at 10:52

Nel calcolo energetico forse sarebbe opportuno considerare anche la posa e la manutenzione delle infrastrutture, che per il tram non sono trascurabili, come:
– binari;
– pensiline delle fermate costruite ad-hoc
– eventuali opere di modifica del piano urbano necessarie al percorso del tram;
– eventuali opere sulla viabilità circostante indotte dall’istituzione delle vie preferenziali per il tram.

#3 Terenzio Longobardi on 03.11.10 at 15:18

La quota energetica relativa alla realizzazione dell’infrastruttura in termini di gep/pass*km è marginale rispetto a quella per d’esercizio e comunque, anche quella della gomma, se si considera la costruzione e manutenzione della strada è paragonabile a quella del ferro. Comunque alcuni dati sui consumi complessivi si possono trovare all’indirizzo http://www.ptua.org.au/myths/energy.shtml

#4 gio on 03.11.10 at 15:33

Complimenti per l’articolo.
Due sole domande: nel calcolo dei consumi dei due mezzi, non gioca un ruolo preponderante la tipologia di moto? Mi spiego: il tram viaggia per lo più in sede propria, mentre gli altri mezzi subiscono la congestione del traffico non solo in termini di tempo perso ma anche di accelerazioni e decelerazioni.
Lo stesso, in altri termini vale per il fattore di riempimento: l’alto costo delle infrastrutture tramviarie fa preferire utilizzare questo mezzo sulle tratte centrali e cmq con alta intensità di passeggeri/km; ovviamente non mando un tram sulle colline e nelle periferie, ma mi limito a stendere i binari dove posso prevedere un notevole utilizzo.
Da ultimo una domanda tecnica: i tram in frenata dissipano con i freni come tutti gli altri mezzi o recuperano come alcune vetture a trazione elettrica?

#5 Terenzio Longobardi on 03.11.10 at 21:04

Gio, è già tutto scritto nell’articolo. Il tipo di moto influisce sui consumi e la congestione penalizza anche dal punto di vista energetico i mezzi su gomma. I tram moderni recuperano l’energia in frenata e anche le ultime innovazioni che ho citato alla fine dell’articolo tendono ad aumentare l’efficienza energetica.

#6 Massimo De Carlo on 03.12.10 at 11:43

Tutti i veicoli lettrici su gomma sia a batteria che alimentati da catenaria (filobus) hanno il recupero di energia la cui produzione puo’ essere superiore a quella del tram per il fatto che l’aderenza delle ruote al terreno è di gran lunga superiore. Sostanzialmente il tram è penalizzato dai tempi di realizzazione delle infrastrutture e dai costi insostenibili ai giorni nostri. Tutte le città stanno realizzando linee di filobus (Modena, Bologna, Lecce), solo Firenze è rimasta indietro concettualmente. Es. Bologna con 175 milioni di euro riorganizza completamente le linee urbane con 54 filobus, bussini elettrici e purtroppo bus a metano e diesel, mentre Firenze ha speso 226 milioni di euro per una ‘SOLA’ … linea tranviaria.

#7 Terenzio Longobardi on 03.12.10 at 12:10

Gran parte dei trasporti collettivi delle città europee hanno come asse portante i sistemi ferro-tranviari moderni, basta girare un pò per l’Europa ed essere meno provinciali. Il trasporto con filobus è quasi inesistente perchè da una parte non riesce ad offrire le stesse prestazioni quantitative e qualitative del tram, dall’altra ha costi superiori agli autobus. Qualche sprovveduto amministratore italiano potrà anche comprare dei filobus, ma non si rende conto che i maggiori costi di investimento del tram sono ampiamente compensati dai notevoli risparmi di gestione nell’arco della lunga vita dell’infrastruttura e del materiale rotabile. Quanto all’energia, non ci dovrebbero essere più dubbi che i sistemi su ferro sono più competitivi di quelli su gomma, ma mi rendo conto che i pregiudizi sono duri a morire. Non a caso inoltre la ricerca tecnologica più avanzata nel settore dei trasporti urbani è orientata a migliorare ulteriormente le prestazioni energetiche dei trasporti su ferro. Infine Firenze, dove la linea tranviaria appena inaugurata sta riscuotendo, come dappertutto, un grande successo in termini di utilizzo da parte dei cittadini. Il costo di realizzazione più elevato rispetto alla media è dovuto alla costruzione di alcune opere stradali come un nuovo ponte sull’Arno e dei sottopassi.

#8 Massimo De Carlo on 03.12.10 at 15:15

Io credo che sia più opportuno in Italia fare i provinciali considerando che l’Italia ha città di provincia e solo un paio di ‘capitali’. La cura del ferro ha un senso se ci poniamo la domanda ‘quando’ e non ‘perchè’, quindi in provincia la risposta giusta è filobus, non tram. La dimostrazione di quanto sia inadeguato il tram in una città di provincia come Firenze è lo stravolgimento dell’urbanistica con ponti costruiti ad hoc per essa e la distruzione dell’unico parco fiorentino, Le Cascine, per fare un’opera ‘ridicola’ nei costi e marginale nella funzione.

#9 Terenzio Longobardi on 03.12.10 at 17:46

Per provinciale intendevo dire la tendenza tutta italiana di sparare giudizi senza documentarsi su ciò che avviene oltre confine. Le città europee di provincia, di dimensione piccolo-media come Firenze hanno quasi tutte il tram e non il filobus. Poche grandi città hanno la metropolitana, ma anche lì, come a Parigi, stanno riscoprendo il tram. La rete tranviaria in costruzione a Firenze non è stata considerata “ridicola nei costi e marginale nella funzione” dalla prestigiosa Azienda pubblica dei trasporti parigini, che si è aggiudicata, cofinanziandola, la costruzione e gestione dell’opera. Comunque, questa discussione l’ho affrontata con De Carlo anche in altre sedi e mi è venuta a noia. Le lotte tra Guelfi e Ghibellini dovrebbero essere finite da tempo.

#10 Massimo De Carlo on 03.12.10 at 18:07

La prestigiosa azienda parigina si è fatta garantire nel contratto dal comune di Firenze la copertura del deficit. Questa è la prestigiosa e furba impresa parigina. Come d’abitudine nel nucleare il rosso viene coperto da pantalone, dopo avere speso 226 milioni per 7,4 km. Forse è bene chiarire le cose per non fare l’elogio retrò ‘ a prescindere’. no? Più che cura del ferro pare la cura dei deficit degli appaltatori.

#11 Marco C. on 03.14.10 at 13:47

Ciao, mi inserisco nella discussione da non esperto con delle mie impressioni del tutto “profane” (e quindi un po’ malamente forse). La mia impressione, al di là dei costi di queste infrastrutture che non conosco, è che molte città europee abbiano effettivamente tram ovunque (penso a Karlsruhe, Hannover, Brema ecc.) ma che siano città piatte e con strade sufficientemente larghe (al punto da avere piste ciclabili piuttosto larghe anch’essse, ai lati). Filobus ne ho visti più raramente, per esempio a Ginevra e la spiegazione che me ne sono dato era essenzialmente dalle strade molto più strette e decisamente “a su e giù”.

Tra me e me, penso che una soluzione intermedia sia una serie di treni suburbani (ad Hannover, città grande come Bologna ce ne sono ben 8) integrata da autobus/filobus specie in città con una urbanistica antica come le nostre… Voi che ne pensate?

Ciao
Marco C.

#12 Marco C. on 03.14.10 at 13:47

Ps. al posto della faccina avevo scritto “8”

#13 Incentivi Fotovoltaico, Riuso dei Pallet e Green Building, Mobilità Sostenibile: The Best News of Green Week #16 on 03.15.10 at 14:03

[…] che permette il riutilizzo dei pallet, il recupero delle attrezzature e il loro riciclo finale. La mobilità collettiva su ferro: soluzione più efficiente sul piano economico, gestionale, ambient… La mobilità collettiva su ferro è la soluzione più efficiente sul piano economico, gestionale, […]

#14 Capatàz on 03.17.10 at 04:58

Complimenti per l’ottimo e dettagliato post su tram e dati tecnico-meccanici.
Ho girato molte città europee, mi e’ capitato di restare letteralmente a bocca aperta nell’ammirare linee tranviarie davvero all’avanguardia.
una su tutte, la linea tranviaria ipertecnologica nella citta’ di Amsterdam (i vettori erano made in…FIAT…).
Per quanto riguarda la tenuta dei motori elettrici dei tram in zone non propriamente pianeggianti, mi bastera’ ricordare la mia diretta esperienza riportata da Lisbona, citta’ notoriamente collinare, che sorge su diverse zone collinari.

Nella mia citta’, Roma, una politica dei trasporti totalmente errata, ha determinato lo smantellamento parziale delle vecchie linee tranviarie (Circolari), lasciando la metropoli nelle mani voraci del trasporto su gomma, con effetti devastanti in materia di inquinamento ambientale e dell’aria, con un traffico sempre piu’ ingovernabile, con un crescente uso delle uniche due linee metropolitanee A e B, con la congestione quotidiana di quest’ultime, e delle tre tangenziali che tagliano, radialmente, Roma.

Una volta tornato da Budapest, mi misi le mani nei capelli, vedendomi bloccato nel tunnel della linea B della metropolitana nuovissima, ma gia’ con problemi strutturali.
Voglio dirvi, con questo chiudo, che c’e’ anche un problema di “cultura imprenditoriale”, che in molti altri Paesi europei non sussiste nel modo piu’ assoluto.

Chi “sbaglia”, PAGA.

saluti a voi tutti.