Studio di fattibilità tecnica ed economica della trazione ad idrogeno per il trasporto merci sulla linea Bolzano-Brennero

In this paper I will address several aspects on hydrogen traction in the railroad field, in particular the innovative introduction of this technology in the field of heavy transport, on the Bolzano-Brennero line. That line is nowadays fully electrified, but for research purposes I do not assume it to be so. This lies in the fact that the peculiarity of this line is the steep gradient (up to 26 ‰) and the high difference in height (1,027 m), which make it a perfect testing ground to design a traction unit capable of covering the most demanding sections of the Italian and European landscape. Above all, it results in high potential energy, allowing to study the accumulation of this on the downhill due to the reversibility of the tractor and whether it is convenient to accumulate it totally in order to save fuel in the subsequent stretches. Next, I analyze hydrogen as a fuel, the different technologies available for on-board rail vehicle storage, and the different types of fuel cells. Evaluating which ones are the most cost-effective to adopt within the train apparatus. Coming to the focal point of this thesis, through a simulator set up on a spreadsheet, provided by the speaker Eng. Roberto Maja, I analyze three different scenarios where the mass of payload carried on the line by the traction unit will vary. The three scenarios include respectively: 10 trailed wagons, 8 wagons, and finally 6 trailed wagons .The simulator is initialized with the available data on the tractor units running on the line and initial values of the characteristics of the fuel cells and batteries present on CRRC's Chinese-origin hydrogen freight tractor. The results obtained concern: the energy required for travel, the hydrogen consumption, and the energy that can be stored by the batteries due to the reversibility of the tractor. These are the quantities on which I will rely to size the components of the tractor unit, looking for the optimal trade-off between storable energy and their mass. It is of particular importance to reason about whether or not it is convenient to recover all the recoverable energy along the Bolzano - Brenner downhill section. Having sized the components I proceed to evaluate the infrastructure required for hybrid traction. As an assumption underlying the thesis, hydrogen is produced from exclusively renewable energy sources, such as hydroelectric, photovoltaic and wind power. Once I defined the daily consumption of the convoy and chose hydroelectric power (because it is produced in overabundance and is state-of-the-art in Trentino), I defined the electricity to produce it by electrolysis. Noting the minimum amount of Hydrogen needed, I decided that the daily production capacity of the plant should be greater than 50% of what the convoy needs, both for future rail developments and to ensure fuel availability in case the Trentino region opts for the use of hybrid local public road transport (Hydrogen buses). In the last chapter I summarize the costs required to convert to hydrogen traction, providing the cost of the infrastructure needed to support this technology.

In questo elaborato affronterò diversi aspetti sulla trazione ad idrogeno nell’ambito ferroviario, in particolare l’introduzione innovativa di tale tecnologia nel campo dei trasporti pesanti, sulla linea Bolzano-Brennero. Tale linea è oggigiorno completamente elettrificata, ma a scopo di ricerca non la assumo tale. Questo ragionamento giace nel fatto che la peculiarità di questa linea è la forte pendenza (fino al 26 ‰) e l’elevato dislivello (1.027 m), che la rendono un terreno di prova perfetto per dimensionare una motrice atta a percorrere le tratte più impegnative del panorama italiano ed europeo. Soprattutto ne consegue un’elevata energia potenziale, permettendo di studiare l’accumulo di questa in discesa grazie alla reversibilità della motrice e se convenga accumularla totalmente per risparmiare combustibile nelle tratte successive. Successivamente analizzo l’idrogeno come combustibile, le diverse tecnologie disponibili per lo stoccaggio a bordo del veicolo ferroviario e i diversi tipi di cella combustibile. Valutando quali siano le più convenienti da adottare all’interno dell’apparato trainante. Giungendo al punto focale di questa tesi, tramite un simulatore impostato su foglio di calcolo, fornito dal relatore Ing. Roberto Maja, analizzo tre diversi scenari dove varierà la massa di carico pagante trasportata sulla linea dalla motrice. I tre scenari comprendono rispettivamente: 10 carri trainati, 8 carri e infine 6 carri trainati .Il simulatore viene inizializzato con i dati disponibili sulle motrici percorrenti la linea e valori iniziali delle caratteristiche delle celle a combustibile e delle batterie presenti sulla motrice per trasporto merci ad idrogeno di origine cinese di CRRC. I risultati ottenuti riguardano: l’energia necessaria al viaggio, il consumo di idrogeno, l’energia accumulabile dalle batterie grazie alla reversibilità della motrice. Sono queste le grandezze su cui mi baserò per dimensionare i componenti della motrice, cercando l’ottimo compromesso tra energia accumulabile e la loro massa. Riveste particolare importanza ragionare sul fatto se convenga o meno recuperare tutta l’energia recuperabile lungo la tratta di discesa Bolzano - Brennero. Dimensionati i componenti procedo a valutare le infrastrutture necessarie alla trazione ibrida. Come ipotesi alla base della tesi, l’idrogeno viene prodotto da fonti energetiche esclusivamente rinnovabili, come l’idroelettrico, il fotovoltaico e l’eolico. Una volta definito il consumo giornaliero del convoglio e scelta l’energia idroelettrica (perché prodotta in sovrabbondanza e all’avanguardia in Trentino), ho definita l'energia elettrica per produrlo tramite elettrolisi. Noto il quantitativo minimo d’Idrogeno necessario, ho deciso che la capacità di produzione giornaliera dell’impianto sia maggiore del 50% di ciò che necessita il convoglio, sia per futuri sviluppi ferroviari sia per garantire disponibilità di combustibile in caso che la regione Trentino opti per l’utilizzo del trasporto pubblico locale su gomma ibrido (autobus ad Idrogeno). Nell’ultimo capitolo riassumo i costi necessari alla conversione alla trazione ad idrogeno, fornendo il costo delle infrastrutture necessarie a sostenere tale tecnologia.