L'energia elettrica delle batterie viaggia sui binari

La locomotiva FLXdrive, presentata in una cerimonia lo scorso ottobre, sfoggiava l'iconica livrea rosa di Roy Hill. (Foto: Wabtec Corporation)

Alla fine di ottobre 2023, il fornitore di soluzioni di trasporto Wabtec e il suo cliente di lancio Roy Hill, un'azienda australiana di estrazione di minerale di ferro, hanno celebrato il debutto della locomotiva FLXdrive, un modello di produzione che Wabtec ha descritto come "la prima locomotiva per trasporto pesante al mondo, alimentata al 100% a batteria, per il servizio di linea principale".

Il debutto è stato il culmine di oltre un decennio di ricerca e sviluppo, iniziato in un periodo in cui la tecnologia e la densità delle batterie erano molto più limitate. Rogerio Mendonca, presidente di Freight Equipment di Wabtec, ha definito il primo progetto dell'azienda "più un progetto pilota scientifico che altro".

Rogerio Mendonca, presidente, Attrezzature per il trasporto merci, Wabtec

Il FLXdrive ha preso il via nel 2021 con una locomotiva pilota sviluppata in collaborazione con BNSF, che ha percorso oltre 21.000 chilometri. "È stato un progetto pilota di grande successo sotto molti aspetti", ha affermato Mendonca. "Quella locomotiva aveva circa 2,4 MWh di potenza al suo interno. In realtà, è stata la prima volta che abbiamo avuto una locomotiva elettrica a batteria a grandezza naturale, per trasporto pesante, in servizio su rotaia merci...

"A quel punto, ci siamo resi conto che eravamo probabilmente pronti per un prodotto commerciale su larga scala, basato sulla tecnologia delle batterie."

Soluzione scalabile

Wabtec ha collaborato con diversi clienti, tra cui Roy Hill, per lo sviluppo congiunto della locomotiva per trasporto pesante FLXdrive. Queste partnership, insieme ai rapidi progressi nella tecnologia delle batterie, hanno influenzato aspetti come il loro assemblaggio, la quantità ottimale di energia a bordo, i sistemi di sicurezza e altro ancora.

Di conseguenza, il modello di produzione, pur presentando somiglianze fisiche con la locomotiva pilota, è ben lontano da quella versione pilota. "[Nel 2021], avevamo questa locomotiva da 2,4 MWh e quella che stiamo consegnando a Roy Hill ha una potenza di 7 MWh. Quindi, [si tratta] della stessa struttura fisica, delle stesse dimensioni della locomotiva, ma la tecnologia... ci ha permesso di raggiungere livelli di densità di potenza molto più elevati, che è una delle variabili critiche", ha affermato Mendonca.

La locomotiva FLXdrive è dotata di un'architettura di batteria modulare e scalabile, progettata per essere integrata in diversi veicoli e ambienti ferroviari, tra cui locomotive per trasporto pesante, da scalo, regionali, pendolari, ibride e speciali. La capacità massima della batteria varia da un minimo di 1,5 a un massimo di 8,5 MWh, a seconda della configurazione e dell'applicazione.

La versione per trasporto pesante si basa sul presupposto di una locomotiva diesel-elettrica, ha affermato Mendonca, ma utilizza pacchi batteria agli ioni di litio raffreddati a liquido al posto di un motore diesel. Un "intero gruppo di batterie" fornisce la potenza nominale richiesta: un totale di 72 pacchi batteria nel caso della locomotiva destinata a Roy Hill nella regione mineraria di Pilbara, nell'Australia Occidentale.

La locomotiva FLXdrive è dotata di un'architettura di batteria modulare e scalabile, progettata per essere integrata in diversi veicoli ferroviari e ambienti. (Foto: Wabtec Corporation)

"Quel set di batterie è un sistema complesso che non solo comprende le celle, ma anche tutti i sistemi di sicurezza e controllo che lo circondano", ha affermato Mendonca, incluso un sistema proprietario di gestione termica. "Quando mettiamo insieme così tante batterie, vogliamo essere certi di farlo in modo sicuro e affidabile. E questo include una serie di accessori e sistemi per raffreddarle, gestirle e garantire che l'intero sistema funzioni in modo stabile".

Sebbene possa funzionare in modo indipendente, la locomotiva per trasporto pesante FLXdrive è stata creata per operare in un sistema ibrido, sostituendo una delle unità diesel-elettriche in, ad esempio, una "catena" di tre locomotive. Il sistema di gestione energetica di Wabtec viene utilizzato per ottimizzare l'energia all'interno di tale sistema.

"Determina, ad esempio, quando utilizzare la batteria e quando ricaricarla, e qual è il funzionamento ottimale tra i due motori [diesel] e la locomotiva alimentata a batteria", ha spiegato Mendonca. "Direi che probabilmente uno degli aspetti più affascinanti della tecnologia è la capacità di gestire la distribuzione dell'energia nell'intero sistema, non solo per ottimizzare il consumo di carburante, ma anche le emissioni."

Carica in discesa

Per le unità FLXdrive sono disponibili la ricarica statica e la ricarica rapida in corrente continua opzionale tramite pantografo fisso, con l'intenzione di introdurre in futuro anche la ricarica in movimento. Il FLXdrive per trasporto pesante è anche in grado di ricaricare i freni rigenerativi "in missione".

"Quella funzione, direi, è uno degli aspetti più rilevanti in termini di emissioni e risparmio di carburante per quella locomotiva e semplifica l'intera operazione" eliminando in gran parte la necessità di ricarica statica, ha commentato Mendonca. "È una funzione dell'applicazione, perché la topografia definisce gran parte della capacità di queste locomotive di generare la ricarica della batteria.

Roy Hill prevede di integrare le locomotive elettriche a batteria nella sua flotta esistente come parte di un sistema ibrido. (Foto: Wabtec Corporation)

Abbiamo clienti che operano in un ambiente minerario, dove in genere si passa da una miniera in cima a una montagna a un porto... In luoghi come questi, queste locomotive si ricaricano più volte solo grazie al sistema frenante. Quindi, in un sistema ibrido, si potrebbe arrivare a un punto in cui non sarà più necessario ricaricare esternamente quelle locomotive elettriche a batteria. Saranno in grado di ricaricarsi lungo tutto il percorso.

Inoltre, il sistema di batterie incorpora l'FLX Optimizer, un "sistema di controllo intelligente della velocità di crociera" per treni elettrici basato sul Trip Optimizer per le locomotive diesel Wabtec. "Si tratta di un sistema che gestisce il funzionamento della locomotiva e determina i punti di frenata e di accelerazione, contribuendo a raggiungere quella che chiamiamo la corsa ottimale", ha affermato Mendonca. "Qual è il modo migliore per portare un treno dal punto A al punto B? Questo sistema aiuta a calcolare – in base alla velocità, ai punti di arresto e all'altitudine – dove si trovano i punti giusti per l'accelerazione e la frenata.

Anche FLXdrive trae grandi vantaggi da questo sistema, ottimizzando la carica e la scarica. Questo contribuisce non solo al funzionamento in sé, ma anche alla durata delle batterie, mantenendone il funzionamento ottimale sotto questo aspetto.

Minori costi ed emissioni

Questa tecnologia sarà fondamentale per offrire le prestazioni che clienti come Roy Hill si aspettano. La società mineraria attualmente gestisce quattro locomotive diesel-elettriche Wabtec ES44Aci Evolution Series che trainano treni di minerale da 240 vagoni su un percorso a circuito chiuso che va dalla miniera, lungo la propria ferrovia, fino alle strutture portuali e ritorno. L'azienda spedisce ogni anno oltre 63 milioni di tonnellate di minerale ai produttori di acciaio.

"Hanno il vantaggio di risorse estremamente affidabili con un elevato livello di disponibilità. Questo è fondamentale per loro, perché in pratica gestiscono quel 'nastro trasportatore' che trasporta il minerale dalla miniera al porto e torna indietro", ha affermato Mendonca.

Considerato il percorso e le attività ferroviarie della compagnia, si prevede che i treni ibridi che incorporano la locomotiva FLXdrive consentiranno una riduzione percentuale a due cifre dei costi del carburante e delle emissioni per treno.

Podcast: Applicazioni e vantaggi della locomotiva elettrica a batteria di Wabtec Rogerio Mendonca di Wabtec evidenzia i vantaggi e le applicazioni della locomotiva elettrica a batteria FLXdrive dell'azienda

"Il motivo fondamentale per cui sono state sviluppate le locomotive a batteria è quello di aiutare i nostri clienti nei loro piani di decarbonizzazione, che si tratti di un treno con tre motori diesel e una batteria, o di due batterie [e] di ridurre proporzionalmente le emissioni, o di un treno completo di batterie", ha affermato Mendonca. "Questo era il concetto originale: creare un prodotto in grado di operare nel trasporto pesante a zero emissioni. E credo che la strada sia molto promettente".

Roy Hill prevede di integrare le locomotive elettriche a batteria nella sua flotta esistente, continuando a sviluppare la tecnologia diesel per renderla più efficiente e affidabile. "La combinazione di batteria e diesel li aiuterà sicuramente a raggiungere un ottimo livello di efficienza nei consumi e capacità di trasporto: tutte variabili che contano di più per una grande azienda mineraria come Roy Hill", ha affermato Mendonca.

Ha aggiunto: "Le locomotive diesel-elettriche rappresentano ancora una parte molto importante del nostro portafoglio, una parte molto importante delle attività di tutti i nostri clienti a livello globale, e lo rimarranno per un bel po' di tempo. La tecnologia diesel si è evoluta molto rapidamente negli ultimi anni, in termini di consumo di carburante e... non solo di emissioni di CO2, ma anche di emissioni di particolato delle tecnologie Tier 4. Pertanto, sul mercato esiste una tecnologia diesel-elettrica molto solida che sarà abbinata alle batterie e promuoverà gradualmente questa transizione".

Sviluppo continuo

La locomotiva FLXdrive, che sarà consegnata all'Australia Occidentale entro la fine del 2024, è in costruzione presso lo stabilimento Wabtec di Erie, in Pennsylvania. "Dato che si tratta del primo esemplare, lo stiamo costruendo vicino alla nostra sede ingegneristica", ha affermato Mendonca. "In futuro, si spera, saranno costruite nei nostri stabilimenti in tutto il mondo".

Lo sviluppo del prodotto continuerà anche dopo la messa in funzione della locomotiva presso lo stabilimento minerario di Roy Hill a Pilbara, in Australia. (Foto: Wabtec Corporation)

Lo sviluppo del prodotto continuerà anche dopo la messa in servizio della locomotiva. "Quando queste locomotive entreranno in servizio in Australia, saremo lì con [Roy Hill] e le guideremo insieme. Continueremo a imparare e continueremo a integrare il nostro sapere nel processo di costruzione e progettazione", ha affermato Mendonca.

"Si è trattato di un interessante processo di apprendimento per l'intero settore", ha aggiunto, "e siamo fortunati ad avere partner come Roy Hill che accelerano questo apprendimento insieme a noi".

La tecnologia che circonda le batterie, non solo in termini di densità e ciclo di vita, ma anche di controlli, continuerà a evolversi rapidamente e determinerà ulteriori progressi nella progettazione, ha previsto Mendonca.

"Dal nostro progetto pilota di tre anni fa alle locomotive che stiamo costruendo oggi, assistiamo già a uno sviluppo significativo. E credo che l'industria in generale creda che la velocità del miglioramento continuerà", ha affermato. "È molto, molto promettente. E non vediamo l'ora di assistere ai prossimi anni di sviluppo della tecnologia".