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Sistemi innovativi per la produzione di energia elettrica su strada

(Come riportato in un comunicato Anas)

Panoramica sulle sperimentazioni tecnologiche nell’ambito dei trasporti – di Susanna Brusi e Stefano D’Ambrosio dell’Unità Infrastruttura Tecnologica, Impianti ed Energia di Anas

Il ritmo con cui la domanda di energia è aumentata non è proprio paragonabile al ritmo con cui siamo stati in grado di rinnovare le fonti di energia convenzionali. Sono state fatte diverse previsioni su una massiccia crisi energetica che stiamo e dovremo affrontare nel prossimo futuro.  

È in questo contesto che si parla sempre più di tecnologie di “raccolta dell’energia” come una potenziale soluzione. Nell’ambito delle fonti rinnovabili, è stato recentemente adottato, su piccola scala, il concetto di “Energy Harvesting“, processo per cui è possibile generare energia elettrica da piccole variazioni di energia provenienti dall’ambiente circostante (gradienti termici, di pressione, vibrazioni, radiofrequenza, ecc.). 

Lo spazio ed il costo sono, da sempre, due delle più grandi sfide nell’implementazione di soluzioni di raccolta dell’energia sostenibile su larga scala, sia essa eolica, solare, termica o qualsiasi altra tecnologia emergente. Proprio per questo, le strade e le autostrade possono diventare una valida fonte di energia alternativa, essendo esposte sia a fenomeni naturali come sole e vento, sia al carico dei veicoli che le attraversano.  

Il primo esempio tra tutti riguarda il fotovoltaico, in particolare la realizzazione di un manto stradale con fotovoltaico integrato per la produzione di energia elettrica e sistemi di sbrinamento del ghiaccio. La sperimentazione di questa applicazione è stata realizzata in Cina sulla Jinan South Ring Expressway, per un tratto di circa 2 km comprendente due corsie per senso di marcia.  

La cosiddetta “strada solare” è formata da un pacchetto di tre strati: quello inferiore di materiale isolante, lo strato centrale è occupato dai pannelli fotovoltaici, mentre sullo stato superiore dei pannelli, a protezione, c’è uno strato trasparente e portante che consente alla luce solare di penetrare.   

Nella sperimentazione sono stati posati pannelli su una superficie pari a 5.875 m² coprendo due corsie e una corsia di emergenza e in grado secondo i realizzatori di generare 1.000.000 kWh/anno di energia pulita.    

Sulla base dei pochi dai dati disponibili sembra che la realizzazione sia costata complessivamente circa 2,18 Mio EUR, corrispondente a 371 €/m². La stima di produzione annua non è stata verificata sul campo, anche se la produzione effettiva sarà inferiore a quelle ipotizzata, a causa degli ombreggiamenti dovuti al passaggio dei veicoli ed allo sporcamento eccessivo delle superfici. 

Oltre al sole, un altro elemento naturale da sfruttare lungo le strade è certamente il vento. Con l’installazione di microturbine eoliche è possibile produrre energia pulita, utilizzando la forza del vento generata dai veicoli in transito ad alte velocità.  

Il sistema può avere diverse configurazioni: si possono installare le microturbine su un lato della carreggiata, al centro della strada, in corrispondenza dello spartitraffico, oppure integrate nei divisori autostradali. Il vantaggio dell’installazione in spartitraffico è quello di ricevere una duplice spinta da direzioni opposte e dunque una maggiore produzione energetica.  

L’energia può essere prodotta sia di giorno che di notte e può essere accumulata in batterie poste alla base del sistema. Il generatore eolico può essere accoppiato anche con un pannello fotovoltaico creando un sistema ibrido. Si può utilizzare sia su impianti connessi a rete (cedendo eventualmente l’energia prodotta), sia a sistemi stand-alone per autoconsumo. Esistono alcune applicazioni in Cina, Turchia, Stati Uniti e Regno Unito. 

Le pale sono realizzate in fibra di carbonio per essere leggere, ma ci sono sperimentazioni interessanti per l’utilizzo di materiale riciclato (PET). La capacità produttiva dipende dalla velocità del vento (dunque dal traffico presente e dalla velocità dei veicoli) che deve essere almeno di 2 – 2,5 m/s. Le potenze variano da 100-200 W fino a qualche decina di kW. 

Il costo indicativo di una microturbina eolica va da un minimo di € 2.000-2.500 ad un massimo che cresce con l’aumentare della potenza e dell’innovazione tecnologica. 

Un altro principio che può essere utilizzato raccogliendo l’energia cinetica dei veicoli in transito sulle strade è quello piezoelettrico. I materiali piezoelettrici, dal greco “piezo” che significa “premere”, rientrano in una classe di materiali multipli allo stato solido che possono generare energia elettrica con l’applicazione di pressione o vibrazioni. Sia la pressione del veicolo che le vibrazioni indotte sulla pavimentazione stradale possono essere usate per azionare trasduttori piezoelettrici, al fine di convertire l’energia meccanica in energia elettrica.  

Le strade piezoelettriche sono caratterizzate da un primo strato posato con ghiaia fine e contenuto di sabbia; poi vi è un sottile strato di asfalto che agisce come una base forte per i generatori piezoelettrici. Questi ultimi sono posti in calcestruzzo ad asciugatura rapida e lasciati per 30 minuti. Tutti i generatori vengono cablati in serie per ottenere un’uscita collettiva. Un foglio di bitume è usato per coprire tutti i generatori, al fine di garantire una migliore adesione del calcestruzzo all’asfalto. Infine, si posa uno spesso strato di asfalto che termina la costruzione. I cristalli, posti circa 5 centimetri sotto la superficie dell’asfalto, si deformano leggermente quando il traffico li attraversa, producendo energia. 

Dal punto di vista del rendimento, 1 km di corsia di strada piezoelettrica può generare fino a 44.000 kWh/anno con volumi di traffico di 600 veicoli/ora per corsia. La prima sperimentazione delle strade piezoelettriche è stata in Israele con la società Innowatech e poi proseguita in California. 

Sono necessari, ad oggi, ulteriori studi per riuscire ad incrementare la potenza ottenibile in uscita da un elemento piezoelettrico e far sì che tale tecnologia diventi una fonte affidabile di elettricità. La ricerca sulla tecnologia di raccolta piezoelettrica nell’ingegneria delle pavimentazioni è ancora in fase esplorativa. 

In Italia la tecnologia di conversione dell’energia cinetica dei veicoli in elettrica ha visto la luce nel 2011 grazie alla start up che ha brevettato “Lybra”. Inizialmente teorizzata come dosso, ora è una pedana da applicare a filo asfalto. Vanta una lunghezza 1 metro e una larghezza di 3 (l’equivalente di una corsia stradale) ed è realizzata in acciaio e gomma vulcanizzata riciclata da pneumatici.

Secondo i calcoli è in grado di produrre 1 kWh dal passaggio di 100 veicoli. Le prime prove sono iniziate nel febbraio 2014 con l’installazione di due strisce da 10 moduli nel parcheggio di un supermercato vicino Milano. Ora è una realtà funzionante e che permette di ricavare energia elettrica. Stiamo ancora parlando di una tecnologia lontana dalle reali potenzialità che può offrire. E’ per questo che sono richiesti nuovi studi, a maggior ragione perché l’orizzonte in vista sembra promettente.  

Altra tecnologia considerata è quella relativa ai sistemi di ricarica dei veicoli in movimento. I veicoli elettrici in transito si ricaricano attraverso enormi piastre di rame a induzione. La tecnologia impiegata sulla strada che ricarica i veicoli si chiama DWPT (Dynamic Wireless Power Transfer).

E’ formata da una serie di piastre annegate 8 cm sotto l’asfalto al centro della carreggiata, una o più piastre sotto al veicolo, un sistema che comunica con i veicoli connessi e l’infrastruttura che fornisce elettricità per la ricarica. Solo al passaggio dei veicoli abilitati si attiva il sistema di ricarica. I test sono rivolti principalmente a veicoli pesanti (trasporto merci e persone). 

La società ElectReon in collaborazione con vari Partner Europei ed Israeliani sta realizzando dal 2020 diversi test site in Svezia, Israele, Germania e Italia, lungo l’autostrada del Brennero. 

I progetti finora realizzati non consentono di effettuare considerazioni sulle performance del manto stradale, sulla tenuta e sul tipo di manutenzione specifica in base alle condizioni di traffico e climatiche (i test in fase di realizzazione). L’infrastruttura necessaria prevede l’alimentazione elettrica delle spire lungo tutta l’arteria con una potenza necessaria dell’ordine dei 100-150 kW per ciascun veicolo in transito. I veicoli devono essere dotati di un sistema ricettore e di comunicazione compatibili con l’infrastruttura fissa. 

Sicuramente tutte le sperimentazioni descritte nel presente articolo hanno dei vantaggi, legati alla valorizzazione di energia generata dai veicoli che transitano sulle strade; un’energia pulita che consente di abbattere le emissioni e ridurre l’inquinamento ambientale. 

Di contro, però, essendo tecnologie ancora in fase di sperimentazione, i costi di installazione e manutenzione sono elevati e le efficienze ancora non troppo elevate. Stiamo ancora parlando di applicazioni in fase esplorativa, lontane dalle reali potenzialità che possono offrire. E’ per questo che sono richiesti nuovi studi ed ulteriori approfondimenti, a maggior ragione, perché l’orizzonte in vista sembra promettente.