FERROVIARIO, SISTEMA

FERROVIARIO, SISTEMA.

– Sviluppo delle reti. Sistemi di comando e controllo per la circolazione dei treni. Il rispetto dell’ambiente. Treni a levitazione magnetica. Bibliografia

Sviluppo delle reti. – Nell’ambito delle più importanti reti ferroviarie mondiali, e in particolare di quelle europee, tra la fine del 20° e l’inizio del 21° sec., è stato progettato e realizzato un ambizioso programma di rilancio della modalità di trasporto su ferro con l’attuazione di nuove linee ad alta velocità (velocità massima tra 220 e 360 km/h). Tali nuove infrastrutture in Europa sono parzialmente interconnesse tra loro ed essendo realizzate nel rispetto dei nuovi standard europei di interoperabilità sia per la parte di terra (infrastruttura e allestimento tecnologico) sia per il materiale rotabile (treni), costituiscono una rete inter-connessa suddivisa per corridoi europei TEN-T (Trans-European Networks - Transport). Questa rete consente una più rapida e facile circolabilità dei treni e dunque una maggiore mobilità dei cittadini europei tra le grandi capitali e/o città di rilevanti dimensioni (Roma, Parigi, Londra, Monaco, Madrid, Berlino, Bruxelles, Amsterdam, Stoccolma) per percorsi medio-lunghi (da 150 km a 800 km, figg. 1, 2).

Il sistema AV/AC (Alta Velocità/Alta Capacità) in Italia, al fine di contribuire al riequilibro del sistema nazionale dei trasporti fortemente squilibrato a favore della strada, si è posto come obiettivi principali: l’aumento della quantità e della qualità dell’offerta ferroviaria italiana e l’integrazione con il sistema AV/AC europeo. Fattori fondamentali diventano quindi la realizzazione di nuove linee ferroviarie e il potenziamento di quelle esistenti lungo gli itinerari di maggior traffico, dal Nord al Sud del nostro Paese, a cui si affiancano importanti interventi di riqualificazione delle aree attraversate: nuove stazioni, servizi ferroviari regionali e metropolitani, itinerari dedicati alle merci. Il nuovo orizzonte delle ferrovie europee nel prossimo decennio sarà, quindi, nella riqualificazione dei servizi di trasporto regio nali e comprensoriali.

L’obiettivo delle imprese ferroviarie per linee a traffico locale è quello di migliorare i servizi di trasporto in termi ni di incremento dell’offerta (più treni e quindi maggiori frequenze), di velocità e di sicurezza. Infatti, per quanto riguarda l’aspetto sociale, con particolare riferimento a quello urbanistico, sembra non arrestarsi il fenomeno della conurbazione delle grandi città, già avviatosi negli ultimi decenni dello scorso secolo, fenomeno che porta ad aumentare significativamente la domanda di mobilità dei cittadini a livello comprensoriale.

È nota la dinamica delle reti in genere e specificamente quelle di trasporto, ove accade che un miglioramento dei servizi di trasporto comporta un incremento della richiesta di mobilità da parte dei cittadini; conseguentemente le imprese di settore hanno l’obbligo di aumentare la capacità di trasporto delle infrastrutture per evitare la congestione, se non addirittura la saturazione, del sistema. Il soddisfacimento di tale domanda porta sempre più a orientare i governi verso la modalità di trasporto su ferro, data la ormai forte saturazione delle reti stradali che, stante il significativo land use che tale modalità comporta, difficilmente potranno incrementarsi nei grandi centri urbani.

Tale orientamento verso la modalità di trasporto su ferro viene tanto più a esaltarsi in momenti di negativa congiuntura economica che tutto il mondo occidentale sta vivendo in questo secondo decennio del 21° secolo. Emerge in modo chiaro che una soluzione, economicamente sostenibile, per migliorare la capacità di trasporto delle infrastrutture ferroviarie esistenti, sia quella di agire sui sistemi di comando e controllo per la circolazione dei treni.

Sistemi di comando e controllo per la circolazione dei treni. – Il controllo della circolazione dei treni prevede sistemi per il loro distanziamento che utilizzano evolute piattaforme tecnologiche da installare lungo i binari e a bordo dei treni. L’attuale migliore espressione tecnologica di tali sistemi è l’ERTMS (European Rail Traffic Management System) che è lo standard europeo conforme alle STI (Specifiche Tecniche di Interoperabilità) emesse dall’Unione Europea, adottato in special modo per le nuove linee ad alta velocità.

Tale tecnologia, costosa sia in termini di capex (capital expenditure, spese per investimento) sia di opex (operating expenditure, spese correnti), si legittima sicuramente per le linee ad alta velocità per le quali, dati gli alti introiti dalla vendita del servizio di trasporto, è possibile sostenerla economicamente. Viceversa è di improbabile applicazione sulle linee locali (pari a più del 60% delle reti in Europa come estensione e numero di viaggiatori) nell’ambito delle quali i più bassi introiti, dovuti all’aspetto sociale nell’espletamento del servizio, non inducono le imprese ferroviarie a sviluppare investimenti significativi per l’ammodernamento degli impianti (per lo più tali linee dispongono di sistemi tecnologici molto antiquati e come tali meno efficaci, efficienti e sicuri).

Il sistema innovativo che si sta affacciando sul mercato degli impianti per il controllo della circolazione dei treni, è quello basato sull’uso del satellite per la localizzazione dei treni che consente, a costi contenuti e in assoluta sicurezza, l’incremento della frequenza dei servizi di trasporto. Sostanzialmente, con l’applicazione di tali tecnologie, il treno comunica via radio al posto centrale di controllo della circolazione la propria posizione rilevata dal localizzatore satellitare di bordo. La comunicazione bordo-terra, e viceversa, è effettuata utilizzando, ove esistente, la rete GSM-R (Global System for Mobile communications - Railway) o un operatore TLC (TeLeComunicazioni) pubblico con trasmissione utilizzante il protocollo IP (Internet Protocol). Il personale del posto centrale preposto al controllo della circolazione ferroviaria, conoscendo il posizionamento del treno che precede quello in esame, comunica al macchinista del treno che segue la velocità da impostare per evitare, in tutta sicurezza, una possibile collisione tra i due treni. Il computer di bordo, acquisite le informazioni dal posto centrale, effettua un controllo continuo della velocità del treno, garantendo così una migliore regolarità di marcia, e aziona automaticamente la riduzione di velocità se il macchinista supera la velocità impostata. Tale sistema consentirà anche un contenimento dei consumi energetici, stante la maggiore regolarità della marcia con conseguente migliore utilizzo della capacità di trasporto dell’infrastruttura.

È evidente come questa nuova piattaforma tecnologica consentirebbe di non installare l’onerosa impiantistica di terra tipica dei sistemi attualmente esistenti che, come detto, sono costosi e soggetti a elevati costi di esercizio. Inoltre, non essendo più necessarie le apparecchiature di terra, si ridurrebbe anche il rischio di intromissioni da parte di soggetti terzi (furti di rame ecc.). Vale la pena di evidenziare un ulteriore beneficio in quanto in certe condizioni operative estreme, quali sabbia del deserto in Africa settentrionale o neve in Siberia, tale soluzione diviene quasi un obbligo per evitare il continuo intervento manutentivo dell’uomo volto a tenere operative le apparecchiature di rilevazione della posizione del treno poste all’interno del binario. Nella figura 3 è riportata l’architettura tecnologica del sistema di localizzazione satellitare attualmente ancora in fase di sviluppo, di cui si prevede un importante programma di attuazione nella seconda metà del decennio, anche in previsione dell’entrata in servizio del sistema satellitare europeo Galileo (completamento del posizionamento in orbita della flotta di 30 di satelliti previsto nel 2019).

Il rispetto dell’ambiente. – Ancorché la modalità ferroviaria abbia una naturale compatibilità sociale e ambientale – le prestazioni ambientali del treno sono nettamente migliori rispetto alle altre modalità, aerea e su gomma, in particolare per minori emissioni di gas serra, per minori consumi energetici specifici e per minore incidentalità e congestione del traffico – l’obiettivo di sviluppare significativamente treni e infrastrutture a basso impatto ambientale è un altro aspetto significativo su cui puntano le compagnie ferroviarie e le industrie costruttrici nel prossimo futuro.

Per garantire migliori risultati sotto il profilo ambientale, il principio di fondo su cui si basano le imprese di trasporto ferroviario è quello di analizzare i progetti di nuovi treni non più dal solo punto di vista del loro costo iniziale, ma di valutarne il costo a vita intera (costo iniziale + costo di esercizio + costo a fine vita), incluso anche il costo per lo smaltimento del treno quando è arrivato a compimento della sua vita utile. Tale principio viene applicato sostituendo l’indicatore LCC (Life Cycle Cost), normalmente usato per la valutazione dei progetti, con l’indicatore LCA (Life Cycle Assessment).

In tale quadro, tra i costi di esercizio ricorrenti, particolare importanza assumono quelli relativi ai processi manutentivi, i quali da principi che prevedono trame manutentive programmate (a tempo o a chilometraggio) si evolvono verso processi manutentivi on condition ovvero sostituzioni dei componenti e/o sottoassiemi in relazione al loro reale stato di consumo.

Una forte evoluzione verso tali sistemi si è potuta ottenere grazie al continuo miglioramento dei flussi informativi dal treno e dagli impianti verso i centri di controllo della manutenzione tramite la telediagnostica, che si sta sempre più sviluppando mediante l’utilizzo di computer di controllo di bordo e di reti di trasmissione wireless a grande velocità/capacità (larga banda).

Treni a levitazione magnetica. – Per i treni tradizionali, ove è presente un contatto ruota-rotaia e pantografo-catenaria per l’alimentazione elettrica, il limite superiore di velocità commerciale, economicamente sostenibile, è di 360 km/h, ancorché le ferrovie francesi SNCF (Société Nationale des Chemins de fer Français) abbiano nel 2007 realizzato un record di velocità, pari a 574,8 km/h, con un TGV (Train à Grande Vitesse) a ruote convenzionali appositamente preparato.

Per sviluppare treni ad altissima velocità, già da tempo l’industria tedesca, con il sistema denominato Transrapid, e quella giapponese, con il treno denominato Maglev, hanno intrapreso studi e hanno realizzato nuove soluzioni, attraverso i sistemi a levitazione magnetica, in cui i campi magnetici generati a bordo dei veicoli e a terra sulla via di guida realizzano tutte le condizioni relative alle tre fondamentali funzioni necessarie: il sostentamento del veicolo, la sua propulsione e la sua guida.

In tal modo si supera uno dei limiti più gravosi cui il sistema tradizionale di trasporto terrestre ferroviario deve sottostare, ovvero quello del limite dell’aderenza che essendo esercitato fra due elementi in acciaio, la ruota e la rotaia, non può utilizzare valori dell’aderenza molto elevati, circostanza che impone notevoli limitazioni delle prestazioni dei veicoli, sia in trazione sia in frenatura. Questo sistema di trasporto è innovativo anche in quanto presenta altri lati positivi derivanti dalle nuove concezioni adottate: il limite di velocità in esercizio può superare i 500 km/h; la potenza richiesta, a parità di prestazioni, è inferiore a quella dei treni tradizionali grazie alla minore resistenza al moto sia meccanica sia aerodinamica; le accelerazioni e le decelerazioni sono maggiori di quelle dei treni tradizionali, non essendoci appunto più vincoli dovuti all’aderenza; l’emissione di rumore è inferiore a quella dei veicoli ferroviari classici, in quanto, nel moto, non ci sono parti meccaniche a contatto; sono possibili pendenze 4-5 volte maggiori rispetto ai treni tradizionali (dal 2% al 10%) e questo consente di ridurre i costi dell’infrastruttura per il contenimento del numero delle gallerie.

Sotto il profilo dell’interesse commerciale, la velocità di esercizio dei treni AV tradizionali, pari a 300 km/h, consente al treno di essere vincente rispetto agli aerei e alle autovetture per distanze fino ai 600 km; la ripartizione del traffico viaggiatori secondo studi effettuati dalla Siemens (Piro 2004) sarebbe la seguente: 45% treni tradizionali AV, 35% autovetture, 20% aerei.

Per consentire al treno di continuare a essere vincente o quanto meno commercialmente comparabile con la modalità di trasporto aerea, anche per tragitti più lunghi, 8001000 km, è quindi necessario garantire maggiori velocità di esercizio fino a 500 km/h, raggiungibili soltanto con treni a levitazione magnetica senza ruote e pantografo. Questi veicoli non hanno contatti con parti fisse della linea, nemmeno per il prelievo dell’energia necessaria alle loro funzioni, in quanto utilizzano, anziché classici motori tradizionali elettrici rotanti, motori elettrici lineari; questi ultimi, contrariamente ai motori elettrici rotanti, dove il motore è necessariamente posto sul veicolo e la potenza è fornita attraverso collettori di corrente (pantografi), hanno la parte attiva data da avvolgimenti statorici posti a terra, saldamente ancorati alla via, mentre la parte indotta (che sarebbe detta nei motori classici rotante) è posta a bordo; in questo modo si rende molto più semplice la realizzazione dell’apparecchiatura.

In tale ipotesi, per un tragitto di 800 km con convogli a sostentazione magnetica, la ripartizione del traffico viaggiatori sarebbe la seguente (Piro 2004): 49% aerei, 42% treni, 9% autovetture.

Dal punto di vista dell’economicità del trasporto è interessante notare anche quale sarebbe l’energia specifica necessaria per il trasporto di 100 viaggiatori alle velocità costanti e caratteristiche di ogni mezzo di trasporto in esame: autovetture a 150 km/h, 100 kWh; aerei a 900 km/h, 70 kWh; treni a levitazione magnetica, 40 kWh.

Questi dati dimostrano in maniera inequivocabile l’importanza del nuovo sistema a levitazione magnetica, specie in questo periodo in cui sono imperativi il risparmio energetico e la limitazione di emissioni di inquinanti (acustici e non), mentre peraltro è sempre maggiore il bisogno di mobilità della popolazione.

Allo stato attuale esiste al mondo una sola realizzazione di un treno a levitazione magnetica in esercizio commerciale: messa in attività nel 2003 da un consorzio tedesco, di cui la Siemens è la capogruppo, consente il collegamento tra la città di Shanghai in Cina e il suo aeroporto (fig. 4); tale percorso, pari a 30 km, viene effettuato in meno di 8 minuti.

Si prevede l’avvio di uno sviluppo commerciale di questi nuovi sistemi di trasporto terrestri a partire dal 2030.

Bibliografia: G. Piro, Cenni sui sistemi di trasporto terrestri a levitazione magnetica, Roma 2004; A roadmap for the adoption of space assets for train control systems:the test bed in Sardinia, Atti del Convegno First international IEEE-AESS European conference on satellite telecommunications, Roma 2012, a cura di A. Basili, B. Buttarazzi, L. Ghisu et al., Roma 2012.