Locomotiva Wabtec FLXdrive
Ridefinire le ferrovie
I treni sono da sempre associati a grasso e sporcizia, ma la soluzione elettrica a batteria di Wabtec potrebbe rivoluzionare il settore ferroviario? Riporta Will Gray
I treni diesel-elettrici sono da tempo i principali mezzi utilizzati sulle ferrovie e, sebbene i treni elettrici alimentati da cavi aerea li abbiano sostituiti in alcune linee, i costi infrastrutturali legati all’elettrificazione rendono questa soluzione estremamente onerosa su lunghe distanze. Di conseguenza, oltre il 60% della rete ferroviaria nel Regno Unito rimane non elettrificata; tuttavia, in Cina – dove nel 2024 sono stati trasportati 51,75 miliardi di tonnellate di merci su ferrovia – circa il 25% della rete è non elettrificato. Gli Stati Uniti dipendono ancora di più da questa tecnologia, con una vasta flotta di 28.000 locomotive diesel-elettriche in funzione e 124.000 miglia di ferrovie di Classe I in intensivo utilizzo.
Le macchine diesel-elettriche tradizionali utilizzano i propri motori a combustibili fossili per generare elettricità, che a sua volta alimenta i motori a trasmissione diretta. Secondo l’International Energy Association, esse rappresentano una delle principali cause delle 250 milioni di tonnellate di CO2 emesse ogni anno nei trasporti ferroviari. Tuttavia, fino ad ora non esisteva alcuna altra soluzione in grado di fornire la potenza e le prestazioni necessarie per competere con esse.
Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) è da tempo un leader mondiale nello sviluppo di locomotive diesel-elettriche, introducendo metodi innovativi per renderle più efficienti. Nel 2001 hanno introdotto il freno rigenerativo in alcune delle loro locomotive, creando così la prima macchina ibrida batteria-diesel-elettrica al mondo; negli ultimi 25 anni hanno ulteriormente sviluppato questo concetto, dando vita alla prima locomotiva per il trasporto pesante completamente elettrica al 100%, la FLXdrive.
Se vi sembra un periodo di sviluppo molto lungo, è perché – come per la maggior parte delle sfide legate all’elettrificazione – ciò è stato possibile solo quando tutti i componenti necessari si sono allineati. Jim Bunce ha trascorso sette anni a guidare lo sviluppo dei pannelli batteria e del sistema di gestione, ed è ora il responsabile tecnico dell’ingegneria dei sistemi. Spiega: “L’obiettivo era progettare un veicolo elettrico alle batterie in modo che offrisse le stesse capacità di potenza di una tradizionale locomotiva diesel-elettrica – e ora ce l’abbiamo fatta.”
“I sistemi di trazione e propulsione sono quasi identici nel modello diesel-elettrico e in quello FLXdrive, quindi forniscono essenzialmente la stessa potenza di 4500 cavalli vapore. Il sistema a batterie elettriche non può funzionare da solo per percorsi uguali a quelli di una locomotiva diesel-elettrica, ma può garantire notevoli miglioramenti in termini di efficienza su lunghe distanze quando utilizzato in combinazione con altri veicoli. Il sistema FLXdrive è scalabile e modulare, adatto a una varietà di applicazioni, tra cui il trasporto su linea, il trasporto pesante, il carico merci, i spostamenti nei depositi e le operazioni ibride.”
La scalabilità è importante perché influisce sul ciclo di lavoro, ma il sistema a batterie elettriche al momento non è in grado di funzionare in modo autonomo. L’obiettivo non è eliminare il motore diesel in ogni situazione, bensì utilizzare l’energia delle batterie dove essa offre il maggior vantaggio operativo e ambientale. Una locomotiva che opera in un ambiente di manutenzione della metropolitana, ad esempio, si trova di fronte a problemi molto diversi rispetto a una locomotiva merci per trasporti su lunghe distanze: per questo sono state sviluppate versioni diverse in base ai diversi casi d’uso.
Il Switcher è ideale per l’uso nei cortili, per formare treni in grado di trasportare merci da un luogo all’altro, e tali veicoli di solito contengono meno batterie poiché rimangono vicini a un sistema di carica. La versione ibrida, progettata per i lavori di manutenzione nei sistemi metropolitani più grandi, mantiene un motore diesel ma può passare a un funzionamento esclusivamente a batteria all’interno dei tunnel. È progettato in modo da consentire di spegnere il motore nei punti in cui i fumi e le emissioni potrebbero altrimenti influenzare l’ambiente di lavoro.
Nel caso delle locomotive per il trasporto merci su lunghe distanze, la FLXdrive è dotata del numero massimo di pannelli batteria ed è progettata per funzionare all’interno di una flotta, integrandosi con le locomotive diesel-elettriche esistenti operando al loro fianco per creare efficacemente una soluzione ibrida. “Un treno merci su lunghe distanze negli Stati Uniti è solitamente lungo circa un miglio e mezzo e dispone di tre o quattro locomotive che guidano il convoglio”, spiega Bunce. “Sostituiamo una di queste locomotive diesel-elettriche con una FLXdrive, in modo che le locomotive lavorino insieme come parte di un convoglio ibrido. Le lunghe distanze vengono comunque coperte dalla flotta diesel-elettrica, mentre l’efficienza energetica migliora grazie al sistema batteria-elettrico.”
Dimostrazione del concetto
Nel periodo di prova di tre mesi nella valle di San Joaquin in California – una zona circondata da montagne e con un terreno collinare che favoriva al massimo l’uso della frenata rigenerativa – ha percorso 13.320 miglia operando come parte di un convoglio ferroviario insieme ad altre locomotive diesel-elettriche. Raggiungendo una riduzione del 11% nell’uso del carburante (equivalente a più di 6.200 galloni di diesel) e una diminuzione delle emissioni di CO2 di circa 69 tonnellate, ha dimostrato la validità del concetto iniziale, evidenziando al contempo una importante opportunità di miglioramento.
La seconda versione, rilasciata per servizi di dimostrazione ai clienti in Australia alcuni anni fa, ha subito un notevole miglioramento: il sistema di batterie originariamente raffreddato ad aria è stato sostituito con uno a raffreddamento ad acqua. L’efficienza maggiore del raffreddamento ad acqua ha permesso un aumento significativo della densità delle batterie, il che ha consentito di triplicare la capacità energetica del veicolo, portandola a un totale di 7 MWh. L’azienda stima che, a seconda del percorso e delle operazioni del cliente, ciò possa ridurre il consumo di carburante e le emissioni fino al 30%.
“In un sistema a raffreddamento ad aria, è necessario effettivamente uno spazio considerevole per far circolare l’aria necessaria a raffreddare le batterie”, afferma Bunce. “Passando a un sistema a raffreddamento liquido, possiamo utilizzare ogni centimetro di spazio disponibile sulla locomotiva. Oltre a questo sviluppo, i test sul campo sono stati fondamentali per permettere ai nostri clienti di valutare la nuova tecnologia nelle loro applicazioni, comprendendo quali siano i requisiti di manutenzione e le esigenze infrastrutturali, nonché per consentirci di dimostrare un sistema sicuro e funzionante che mantiene le prestazioni ottimali con notevoli risparmi di carburante e vantaggi in termini di emissioni.”
La locomotiva FLXdrive presenta una forte somiglianza con il tradizionale motore diesel-elettrico, con lo stesso rivestimento esterno e la stessa disposizione della cabina – sebbene riceva informazioni molto diverse rispetto al conducente di un motore diesel tradizionale. Il contrasto diventa ancora più evidente al di fuori della cabina, dove mancano il motore diesel, l’alternatore che normalmente converte l’energia meccanica in energia elettrica e il grande sistema di raffreddamento associato all’impianto diesel. Al loro posto ci sono pacchetti di batterie, insieme a un sistema di gestione termica progettato per mantenere tali pacchetti nell’intervallo di temperatura operativa previsto.
Anche l’esperienza di guida ne risente, poiché la riduzione delle vibrazioni generate dal motore migliora notevolmente la qualità di viaggio a bordo del veicolo. “Se si entra nella cabina dell’operatore dove oggi il personale lavora su una locomotiva diesel-elettrica rispetto a una locomotiva FLXdrive, queste sono essenzialmente identiche – ma l’assenza del motore diesel ha effettivamente un impatto significativo sul livello di rumore e vibrazioni del veicolo”, afferma Bunce.
“Una delle principali fonti di vibrazione sulla locomotiva è quel motore diesel; e sebbene le nostre locomotive diesel-elettriche dispongano di un sistema di montaggio ammortizzante per evitare che l’operatore percepisca tali vibrazioni, esse rimangono comunque significative. Il peso della locomotiva è probabilmente il fattore che contribuisce di più all’usura dei binari; inoltre, anche se il peso complessivo non cambia molto, ha un impatto notevole sulla qualità di guida per l’operatore. Guidarla è molto più piacevole!”
Elettrificazione su larga scala
Sul fronte della trazione, il FLXdrive si affida a una tecnologia già nota di trazione ad corrente alternata. La maggior parte delle versioni utilizza sei motori di trazione ad alta coppia ad corrente alternata General Electric GEB13, montati sui semiasse, ciascuno in grado di erogare circa 1000 cavalli vapore. Un motore aziona ciascun asse, e ogni asse viene controllato in modo indipendente tramite il proprio invertitore avanzato a frequenza variabile e raffreddato a liquido. Ciò garantisce una certa resilienza, poiché un problema che colpisce un motore o un invertitore non impedisce necessariamente l’invio di potenza ai motori rimanenti.
L’architettura elettrica si basa su un bus DC ad alta tensione e il sistema funziona normalmente a 1350 V DC, con i sistemi inverter che convertono tale alimentazione elettrica in corrente alternata per i motori a induzione. Questo ambiente ad alta tensione – mentre le piattaforme automobilistiche moderne tipiche operano intorno ai 800 V – ha reso necessario, per lo sviluppo della locomotiva a batterie, qualcosa di più che semplicemente aggiungere batterie di tipo automobilistico a una piattaforma locomotiva esistente. Pertanto, l’azienda ha dovuto sviluppare pacchi batteria su misura, configurati per funzionare all’interno del sistema di propulsione per il trasporto merci pesante.
Si tratta di elettrificazione su una scala diversa. Ogni pacco batterie ha più o meno le dimensioni di un materasso queen-size: circa 64 pollici di lunghezza, 48 pollici di larghezza e 10 pollici di altezza; con la rimozione dei componenti originali, si crea spazio affinché questi enormi pannelli occupino fino a due terzi della locomotiva. “Attualmente abbiamo a bordo fino a 72 pannelli batterie”, dice Bunce. “Quindi si tratta di un quantitativo equivalente a 72 unità Tesla di batterie su un solo veicolo!”
Wabtec progetta e produce i pannelli batteria interamente in casa presso la sua sede negli Stati Uniti a Erie, in Pennsylvania. Utilizza cellule batteria fornite da un fornitore esterno, con la capacità di adottare diverse tipologie chimiche tra cui NMC (Nickel Manganese Cobalt), LFP (Lithium Iron Phosphate) e LTO (Lithium Titanate Oxide). Ogni pannello batteria è composto da 504 cellule individuali, progettate per una tensione massima di 350 V al completo carico; tali cellule sono disposte in modo tale che quattro insieme possano funzionare a una tensione nominale di 1400 V, leggermente superiore ai 1350 V richiesti.
“Le celle batteria che utilizziamo sono progettate per applicazioni automobilistiche, poiché rappresentano i maggiori consumatori di tali celle e quindi sono le più facilmente reperibili”, afferma Bunce. “Il formato che abbiamo scelto è disponibile presso diversi fornitori, in varie composizioni chimiche e con capacità differenti, e tutti loro dispongono di piani produttivi su più generazioni. Pertanto, man mano che le capacità e le composizioni chimiche migliorano, dovremmo poter apprezzare i vantaggi di tali cambiamenti.”
“Tutte le nostre batterie vengono collegate elettricamente in serie o in gruppi, così da poter isolare singoli gruppi di batterie secondo le necessità. Tutta quell’energia viene inviata su un bus DC comune, dopodiché dei convertitori individuali prelevano energia da quel bus per controllare separatamente ciascun asse. Le dimensioni e la capacità delle batterie dipendono dall’applicazione: il nostro sistema per il trasporto merci su lunghe distanze dispone fino a 72 moduli batteria, mentre la nostra configurazione Switcher ne ha 28; in alcuni casi lasciamo spazio per poter modificare tali unità in futuro, qualora ci fosse bisogno di una maggiore autonomia.”
Il controllo indipendente di ciascun asse conferisce una resistenza intrinseca in caso di guasto di un motore o di un sistema inversore specifico, poiché l’energia viene semplicemente trasferita agli altri motori senza alcun impatto sulle prestazioni della locomotiva. Inoltre, permette al sistema di gestire lo slittamento tra i motori; inoltre, ogni motore di trazione dispone di un proprio sistema di ingranaggi indipendente, integrato direttamente nell’assemblaggio del motore sull’asse, anziché nei componenti dell’intero sistema di trazione, al fine di massimizzare la trazione.
Il pesante sistema di batterie aumenta notevolmente il peso della locomotiva, ma in questo caso – a differenza di molti altri veicoli elettrici in cui il peso delle batterie rappresenta una penalità inevitabile che gli ingegneri cercano costantemente di ridurre – questa massa aggiuntiva rappresenta un vantaggio, poiché contribuisce alla trazione tra le ruote e i binari. I veicoli diesel-elettrici aggiungono effettivamente ballast per aumentare il peso, ma il sistema di batterie richiede meno di tale materiale per trasmettere efficacemente l’energia ai binari, permettendo così di massimizzare il peso del veicolo entro i limiti imposti dalla struttura dei binari e dalle infrastrutture di base.
Sicurezza e prestazioni delle batterie
Dato i elevati voltaggi coinvolti, la sicurezza operativa è una priorità; per questo l’abilità di isolare le parti del sistema elettrico prima di sostituire i pannelli batteria o interagire con l’attrezzatura inverter rappresentava un elemento fondamentale tra i criteri di progettazione. Il FLXdrive adotta un approccio LOTO (‘Lock Out – Tag Out’) – una pratica consolidata nell’industria ferroviaria – che garantisce l’isolamento del sistema e il suo blocco fisico, al fine di impedire a terzi di riattivare l’alimentazione durante i lavori. Un ulteriore livello di sicurezza è fornito dall’uso di un sistema a chiave bloccata, che richiede ai team di manutenzione di eseguire una sequenza di azioni per isolare e disconnettere progressivamente l’attrezzatura.
“La sicurezza è stata un aspetto centrale nella progettazione della locomotiva”, spiega Bunce. “Abbiamo dedicato molto tempo e sforzi alla valutazione di diversi scenari d’uso legati a diverse operazioni di servizio, al fine di comprendere non solo come il veicolo potesse essere utilizzato come locomotiva, ma anche come i tecnici avrebbero effettuato la manutenzione dell’equipaggiamento, come avrebbero sostituito i componenti e come avrebbero interagito con le altre parti del veicolo.”
Il caso di sicurezza comprende anche il requisito di protezione fisica dalle condizioni estreme tipiche dei veicoli ferroviari pesanti, che operano ad alta velocità e possono essere coinvolti in gravi incidenti. Wabtec ha collaborato direttamente con i singoli clienti per valutare scenari di risposta d’emergenza, combinando la loro conoscenza della tecnologia delle batterie con la comprensione da parte degli operatori del proprio ambiente ferroviario specifico; Bunce aggiunge: “Abbiamo progettato il dispositivo in modo che sia robusto, grazie a verifiche approfondite attraverso test di caduta, urto e vibrazione.”
Mantenere la batteria a una temperatura di funzionamento adeguata è anch’esso un aspetto fondamentale per la sicurezza, oltre che un fattore chiave per ottenere le migliori prestazioni. Per ottimizzare le prestazioni in entrambi i casi, Wabtec ha dedicato molto tempo allo sviluppo di un proprio sistema di raffreddamento su misura. “Le batterie attuali richiedono un ambiente con una temperatura di funzionamento nominale di circa 25 gradi Celsius”, afferma Bunce. “Abbiamo progettato il nostro sistema di gestione termica delle batterie per riscaldarle o raffreddarle, mantenendole intorno a tale temperatura, utilizzando una miscela al 50% di glicole etilico e acqua per garantire questa funzionalità.”
Il sistema, sviluppato dalla società affiliata di Wabtec e basato su una tecnologia già in uso in altri settori dei trasporti, è stato adattato per essere integrato in un sistema di locomotive merci. I pannelli batteria sono montati direttamente su una piattaforma di raffreddamento integrata, che permette di fornire un raffreddamento indipendente a ciascun pannello. I tubi e i canali di raffreddamento non entrano mai in contatto con le cellule batteria né con il sistema elettrico, garantendo così la loro completa isolazione; la piattaforma di raffreddamento fornisce poi il flusso refrigerante a tutte le cellule.
Il sistema utilizza solitamente un circuito per colonna, e ogni pacco batteria dispone di una connessione di interruzione a secco che permette di separare i singoli pacchi senza dover svuotare l’intero sistema di raffreddamento della locomotiva. Ciò consente agli ingegneri di manutenzione di isolare semplicemente un pacco specifico dal sistema di raffreddamento, di rimuoverlo e sostituirlo, per poi ricongettere le linee di raffreddamento in modo da riavviare il sistema.
Per prevenire la deriva termica – che rappresenta uno dei rischi più attentamente monitorati in qualsiasi grande sistema a batterie – il team ha sviluppato una soluzione passiva a livello dei pacchi batteria. Bunce spiega: “Le locomotive trascorrono molto tempo in modalità di standby o spenta e, in molti casi, vengono spedite in tutto il mondo. In tali situazioni non sono alimentate affatto e il sistema di gestione delle batterie non è operativo.
“Per questi motivi, abbiamo progettato il nostro sistema in modo che non dipendesse dal sistema di gestione delle batterie per mitigare il fenomeno dell’escursione termica. I gas vengono indirizzati attraverso un disco di sicurezza e poi fuoriescono dal pacco batterie in modo controllato, attraverso una canna fumaria, per abbandonare il veicolo. Non c’è propagazione da un pacco all’altro, poiché tutto è contenuto all’interno di ciascun pacco batterie singolo; e sebbene il sistema di gestione delle batterie aggiunga valore durante il funzionamento e possa ridurre i rischi all’interno di quel pacco, non rappresenta un elemento critico per la sicurezza nella nostra strategia di mitigazione dell’escursione termica.”
Gestione dell’energia
La chiave del funzionamento della locomotiva elettrica a batteria risiede nella sua capacità di catturare energia mentre è in movimento. Ecco perché funziona così bene come complemento alle locomotive diesel-elettriche all’interno di un convoglio per viaggi a lunga distanza. Le locomotive diesel-elettriche convenzionali dell’azienda utilizzano già una trazione in corrente alternata, nella quale il freno dinamico fa sì che i motori di trazione generino energia elettrica. Tuttavia, il sistema tradizionale disperde semplicemente quell’energia di frenata sotto forma di calore attraverso reti elettroresistive e soffianti di raffreddamento, mentre il sistema elettrico a batteria sfrutta quell’energia, immagazzinandola per riutilizzarla durante il viaggio.
L’entità del beneficio che questo sistema offre dipende, naturalmente, dall’operazione specifica che svolge la locomotiva FLXdrive; Bunce spiega: “Ogni percorso e ogni applicazione è diversa. Il lavoro nei depositi di manovra trae grandi vantaggi dalla funzione di avvio e arresto ripetuto, ma anche nelle operazioni di trasporto merci può fornire vantaggi significativi. Il peso e la velocità del treno, nonché l’altezza della pendenza che deve scendere, influenzano tutti la quantità di energia generata da immagazzinare – e può trattarsi di una quantità notevole.”
La chiave non è soltanto recuperare energia, ma comprendere e gestire come e quando essa debba essere immagazzinata o utilizzata. Questo rende la frenata rigenerativa parte di una strategia energetica più ampia – e il vantaggio delle ferrovie è che seguono sempre una linea fissa lungo una topografia nota. Riconoscendo questo aspetto, Wabtec è in grado di ottimizzare le operazioni lungo il percorso e ha sviluppato un sistema intelligente di gestione dell’energia per il FLXdrive, in grado di pianificare i processi di carica e scarica in base a ciò che si trova davanti, cercando di sfruttare la rigenerazione evitando cariche eccessivamente aggressive.
Conosciuto come FLXoptimizer, questo avanzato sistema software per la gestione dell’energia e l’automazione è stato progettato appositamente per far funzionare i FLXdrive. Agendo come sistema di controllo su tutte le locomotive del convoglio, si basa sulla tecnologia Trip Optimizer di Wabtec, ampiamente collaudata e utilizzata per i treni a diesel dell’azienda; sviluppa funzioni standard come il controllo di velocità intelligente gestito da intelligenza artificiale, estendendo tale logica per gestire in modo intelligente la combinazione di locomotive a diesel e a batteria.
“È stato intorno al 2010 che è iniziato lo sviluppo del sistema di gestione dell’energia e da allora è in continua evoluzione,” afferma Bunce. “Il funzionamento di una locomotiva FLXdrive è essenzialmente identico a quello di qualsiasi altra locomotiva diesel-elettrica: i singoli operatori non prendono decisioni su come ottimizzare al meglio il consumo di carburante o la velocità, tutto avviene in background tramite il sistema di gestione dell’energia; inoltre stiamo ora utilizzando l’intelligenza artificiale in diversi modi per ottimizzare ulteriormente ciò che abbiamo già raggiunto.”
“Lavoriamo con i nostri clienti per comprendere i diversi ambienti operativi e eventuali modalità particolari che desiderano, ma tutto viene gestito tramite il sistema di gestione dell’energia. Effettivamente mappiamo ogni singola tratta mentre implementiamo il sistema di gestione dell’energia per il caso d’uso specifico del treno – quindi all’inizio del viaggio sappiamo esattamente cosa stiamo trasportando, quali locomotive abbiamo, quanta energia utilizziamo e dove ci stiamo dirigendo.”
“Utilizziamo il sistema nelle normali configurazioni diesel-elettriche, ma quando abbiamo una locomotiva elettrica a batteria come parte del convoglio e possiamo operare in modalità ibrida, elaboriamo un intero piano di carica e scarica ancora prima che il treno lasci il deposito. La soluzione di gestione dell’energia conosce quella tratta, quindi viene pianificato tutto in modo da assicurarsi che la batteria non raggiunga mai lo stato di completa esaurimento e da permettere di ottenere il massimo rendimento possibile da essa.”
Oltre alla ricarica rigenerativa, la locomotiva elettrica a batteria dispone di una soluzione integrata per consentire la ricarica statica tramite presa. Il sistema standard è stato adattato da tecnologie solitamente utilizzate nell’industria automobilistica e Bunce prosegue: “I requisiti di ricarica variano in base all’applicazione, al profilo operativo e alle infrastrutture del cliente; lavoriamo con ciascun cliente per personalizzarli in base alle loro esigenze.
“Di solito, per le operazioni di trasporto merci su linee ferroviarie, la maggior parte della ricarica avviene tramite il sistema di frenata rigenerativa laddove il terreno lo permette; tuttavia la ricarica tramite presa mentre la locomotiva è ferma è utile per veicoli ibridi o di tipo Switcher, poiché alla fine del turno, quando la locomotiva non è in uso, può essere collegata alla presa e ricaricata durante il periodo di pausa. È molto simile a un sistema per veicoli elettrici e, in alcuni casi, facciamo ricorso a fornitori di servizi di ricarica per veicoli elettrici al fine di supportare questo processo.”
Oltre a ciò, l’azienda ha sviluppato anche un’opzione di ricarica rapida in corrente continua specifica per i treni, che utilizza un sistema di pantografo fisso per attingere energia dalle linee aerea. Al momento non è ancora in grado di essere utilizzata per la ricarica in movimento, ma Bunce afferma che Wabtec “si aspetta assolutamente di disporre di questa funzionalità” in futuro. “Raccoglieremmo energia dal sistema del pantografo mentre passiamo sotto di esso e la utilizzeremmo per ricaricare le batterie mentre ci muoviamo, alimentando contemporaneamente il sistema di propulsione”, spiega: “Quando non saremo più sotto le linee aerea, useremmo poi le batterie per continuare ad avanzare.”
Corrispondenza prestazionale
La filosofia del FLXdrive era quella di eguagliare il più possibile le prestazioni delle macchine diesel-elettriche esistenti – ma non era così semplice sostituire il motore diesel con una quantità equivalente di energia immagazzinata nelle batterie. A differenza di una locomotiva diesel-elettrica, in cui il motore deve raggiungere una certa velocità prima di fornire la massima potenza, i primi test hanno dimostrato che la locomotiva a batterie elettriche poteva reagire in modo troppo rapido, creando per l’operatore una sfida inaspettata rispetto a un prodotto convenzionale.
Ovviamente, i valori di prestazioni e autonomia variano in base al percorso, ma l’obiettivo è sempre stato quello di sviluppare una gamma di soluzioni adatte a diverse applicazioni. Bunce spiega: “Il FLXdrive Switcher è progettato per funzionare per un intero turno di otto ore, in base alle tipiche esigenze di spostamento dei nostri clienti. Il FLXdrive heavy-haul, invece, può trainare un treno lungo un miglio e mezzo o più, pertanto la sua capacità di autonomia dipende fortemente dal percorso, dal terreno e dalle condizioni operative.
“In generale, su un percorso collinare, la locomotiva utilizza l’energia per salire la collina e poi il sistema si ricarica mentre scende. Un’applicazione tipica nell’industria mineraria, dal giacimento al porto, prevede il trasporto in salita in una direzione e in discesa nell’altra – così si sfrutta appieno le caratteristiche del terreno in tale contesto.”
Wabtec ha ordini per tutti i tipi di operazioni in tutto il mondo. Union Pacific riceverà presto quattro unità FLXdrive Switcher per le operazioni nei depositi in California, mentre Canadian National ne riceverà una. In Australia, BHP ha messo in uso diverse unità per il trasporto pesante nella regione mineraria di Pilbara, facendole viaggiare completamente cariche in discesa dalle miniere interne ai porti costieri per ricaricarsi durante la discesa.
La domanda non è più semplicemente se una locomotiva elettrica a batteria possa funzionare; si tratta di capire come questa tecnologia debba essere definita, supportata e integrata per ciascuna applicazione specifica. FLXdrive 2.0 continua a sviluppare questo concetto, permettendo alla tecnologia, al cliente e alle infrastrutture ad essa collegate di imparare insieme. La tecnologia si trova ancora in una fase iniziale di sviluppo e i miglioramenti nella capacità delle batterie e nella densità energetica continueranno ad ampliare, in futuro, l’ambito delle applicazioni possibili.
In definitiva, tuttavia, l’elettrificazione completa delle reti ferroviarie è ancora lontana dall’essere realtà, e sebbene i veicoli a batteria siano particolarmente adatti per alcune applicazioni – soprattutto per manovre e lavori nei depositi – i limiti di autonomia fanno sì che i sistemi ibridi rimangano una soluzione sensata per molto tempo ancora. In un mondo in cui la sostenibilità è una priorità, Bunce ritiene che anche i combustibili alternativi avranno un ruolo accanto al FLXdrive, attraverso una gamma di soluzioni piuttosto che l’imposizione di un’unica tecnologia sostitutiva su tutte le reti.
A tale scopo, oltre allo sviluppo del proprio sistema a batteria, Wabtec sta già esplorando tecnologie di propulsione e combustibili alternativi come il biodiesel, il diesel rinnovabile e il gas naturale, mentre etanolo e idrogeno sono attualmente in fase di valutazione.
“La tecnologia a batteria è ancora in una fase di sviluppo e, alla fine, sarà necessario disporre di una gamma di prodotti per supportare i nostri clienti, inclusi combustibili alternativi, soluzioni ibride e sistemi a batteria; tutti questi elementi saranno rilevanti in futuro”, afferma Bunce. “Ogni applicazione avrà le proprie esigenze, ma ci sono sicuramente alcune soluzioni per i clienti che si adattano perfettamente a un futuro interamente basato su batterie.”
La locomotiva FLXdrive attuale rappresenta una piattaforma per lo sviluppo, piuttosto che una soluzione definitiva. I pannelli batteria si basano su formati di celle che possono trarre vantaggio dai miglioramenti apportati dall’intera industria delle batterie: maggiore capacità, tecniche di carica più efficienti e una migliore densità energetica sono tutti elementi in grado di portare miglioramenti alle locomotive future. Anche il sistema di controllo continuerà a ottimizzare l’utilizzo dell’energia disponibile, grazie ai progressi inevitabili dell’intelligenza artificiale.
È già chiaro che la tecnologia è andata oltre la prima domanda riguardante la possibilità per le batterie di alimentare una locomotiva. Ora la sfida ingegneristica riguarda la scala, l’integrazione, la gestione dell’energia e lo sviluppo delle infrastrutture necessarie per far funzionare questo tipo di macchinari. FLXdrive rappresenta diverse soluzioni a questa sfida: una locomotiva progettata per avere un aspetto e funzionare come i tradizionali impianti ferroviari, ma con un approccio fondamentalmente diverso all’uso dell’energia a seconda delle operazioni da svolgere.
I progressi dalle prime lezioni ibride alle dimostrazioni per i clienti indicano come il sistema continuerà a evolversi. Il sistema di raffreddamento ha già aumentato la capacità; l’architettura ad alta tensione ha permesso l’utilizzo di motori di trazione già collaudati; la regenerazione è ora in grado di convertire l’energia frenante in energia immagazzinata; il software predittivo ha trasformato una linea ferroviaria fissa in una mappa energetica; e l’intero sistema è stato progettato per garantire sicurezza nell’esercizio e nella manutenzione.
Il futuro dei trasporti ferroviari merci a basse emissioni probabilmente non arriverà con un cambiamento tecnologico drastico; è più probabile che si sviluppi per tratta e per applicazione man mano che batterie, software, sistemi di ricarica e combustibili alternativi migliorano insieme – e Bunce conclude: “Ogni tratta e ogni applicazione ha le proprie esigenze specifiche, e stiamo valutando ciascuna di esse per determinare quali possano essere le aspettative a lungo termine.”
“La tecnologia a batterie è ancora nelle fasi iniziali di sviluppo e adozione. Pertanto, man mano che migliorano la capacità delle batterie e il nostro sistema di gestione dell’energia continua a evolversi, credo che aumenterà anche la portata di percorrenza. Stiamo costantemente esaminando nuovi design e tecnologie per valutare modi per migliorare la densità complessiva del nostro sistema – e penso che siamo appena all’inizio.”
Un veicolo flessibile e affidabile
Wabtec collabora con clienti individuali in Nord e Sud America e in Australia per sviluppare locomotive a batterie adatte a svariate esigenze specifiche, dal trasporto locale al trasporto su lunghe distanze per l’estrazione mineraria. Nessun compito è uguale nelle ferrovie mondiali, perciò Wabtec ha sviluppato quattro versioni di base diverse del suo sistema FLXdrive per rispondere a esigenze differenti.
I modelli di base sono tutti progettati per funzionare su un binario standard da 1435 mm, ma ognuno è configurato per ottimizzare le prestazioni in diversi scenari operativi ferroviari chiave – inclusi i lavori nei depositi, il trasporto locale, le operazioni sotterranee e il trasporto pesante su lunghe distanze.
Questi modelli di base si basano sulla piattaforma standard Heavy-Haul da 32 t/asse, con l’energia fornita tramite motori individuali a fino a sei assi motore. La frenata rigenerativa permette un riutilizzo essenziale dell’energia, mentre è presente anche una funzione di ricarica a 480 V AC integrata, con opzione di ricarica rapida in corrente continua tramite binari di ricarica posizionati sulla locomotiva.
Trasporto pesante
Si tratta della configurazione ad alta capacità, progettata per il servizio su linee principali. Viene solitamente utilizzata insieme ad altri motori diesel-elettrici all’interno di un convoglio.
Potenza (massima): 3200 kW / 4360 hp
Capacità della batteria: 7 MWh
Assi: 6, formato Co-Co
Peso: 461 kg / 209 t
Dimensioni: L – 76 ft / 23,2 m; Larghezza – 10 ft / 3 m; Altezza – 15,5 ft / 4,7 m
Velocità massima: 76 mph / 123 kph
Forza di trazione
- In partenza: fino a 200 kgf / 890 kN
- Continua: fino a 155 kgf / 690 kN
- Frenata ad aria: fino a 98 kgf / 436 kN
Versione a capacità ridotta
Questa versione a capacità inferiore è progettata per lavori nei depositi e per servizi di trasporto locale e regionale di breve distanza.
Potenza (massima): 1700 kW / 2280 hp
Capacità della batteria: 2,7 MWh, tempo di carica completa 4–7 ore
Assi: 6, formato Co-Co
Peso: 417 kg / 189 t
Dimensioni: L – 68 ft / 20,7 m; Larghezza – 10 ft / 3 m; Altezza – 15,5 ft / 4,7 m
Velocità massima: 70 mph / 112 kph
Forza di trazione
- In partenza: fino a 200 kgf / 890 kN
- Continua: fino a 155 kgf / 690 kN
Shunter
Si tratta della versione a capacità più ridotta sviluppata finora, progettata con una piattaforma di guida diversa adatta al funzionamento sulle ferrovie dell’Asia centrale.
Potenza (massima): 700 kW / 940 hp
Capacità della batteria: 1,2 MWh
Assi: 4, formato Bo-Bo
Peso: 212 klbs / 96 t
Velocità massima: 70 mph / 112 kph
Sforzo di trazione
– Modalità di avviamento: fino a 83 klbf / 370 kN
Modalità doppia
È stata sviluppata appositamente per il funzionamento su ferrovie sotterranee in Europa, con una combinazione ibrida a bordo di tipo elettrico e batteria-elettrico.
Potenza (massima): 800–1500 kW / 1072–2010 hp (solo batteria); 3800–5500 kW / 5095–7375 hp (elettrico + batteria)
Capacità della batteria: 1,5 o 2 MWh
Assi: 6, formato Co-Co
Peso: 278 klbs / 126 t
Velocità massima: 70 mph / 112 kph
Sforzo di trazione
– Modalità di avviamento: fino a 117 klbf / 520 kN
Clicca qui per leggere l’ultima edizione di E-Mobility Engineering.