UN MODELLO DI CALCOLO

UNO STRUMENTO OPEN-SOURCE PER SCEGLIERE IN MODO EFFICACE L’ALTERNATIVA PIÙ EFFICIENTE PER IL TRASPORTO COLLETTIVO IN SEDE PROPRIA.

– di Andrea Spinosa –

Bus, filobus, tram oppure elettrobus? Le batterie manderanno definitivamente in soffitta fili e pali? Quali sono le alternative economicamente più efficienti per il trasporto collettivo?

In questo articolo troverete esposto un modello di calcolo per definire i costi operativi, sociali e ambientali (diretti e indiretti) di una tecnologia di trasporto: il modello è caricato su un file tipo Excel liberamente scaricabile che può essere personalizzato e utilizzato per le prime valutazioni di fattibilità di una nuova linea di trasporto collettivo in sede propria (tcsp).

Antefatto

Il mondo contemporaneo si trova ad affrontare tre grandi sfide, rovescio della medaglia del progresso tecnologico che ha permesso alla specie umana di raggiungere una numerosità e una aspettativa di vita impensabili fino ad un secolo fa. Sfide legate all’impatto a scala planetaria delle attività antropiche e delle scelte quotidiane: il surriscaldamento climatico; il collasso della biodiversità; la perdita di suolo fertile.

Vista l’inefficacia delle innumerevoli misure proposte, la proposta del biologo E.O. Wilson appare sempre più come l’unica strada da percorrere: destinare metà del pianeta agli umani e metà ad una immensa e inviolabile riserva di wilderness involabile. S’intende la metà selvaggia sarebbe una rete di vasti territori protetti o lasciati ri-naturalizzarsi: per contro i territori antropizzati andrebbero completamente riorganizzati lavorando sulla densificazione e l’uso più efficace possibile delle risorse.
Necessariamente la via per ridurre l’impatto delle attività umane passa per il trasformare le città non solo nei luoghi dell’efficienza ma anche del buon vivere.

La soluzione è proprio sotto i nostri occhi: le città sono il simbolo delle emergenze ambientali ma anche la soluzione per risolverle perché concentrano persone e servizi, concentrano gli spostamenti e riducendone le distanze. Quello che non funziona è il modello della marmellata edilizia.

Lo sviluppo urbano isotropo ha due effetti destrutturanti per la città: rarefazione della densità territoriale (residenziale e di attività economiche) e indebolimento delle funzioni urbane. Si tratta di un fenomeno che avviene a una scala globale ma che, in città come Roma, grazie a tutta una serie di fattori di debolezza intrinseca assurge a paradigma unico di sviluppo.
Il fattore che più di ogni altro ha avuto un ruolo prioritario nell’evoluzione in questa direzione è stata la maggiore competitività della mobilità privata cui si è aggiunta – più o meno consapevole – scelta strategica di favorirla.

L’isotropizzazione dell’urbanizzazione diffusa è quindi il prodotto della legge dell’automobile: spostarsi fino a quando la spesa per il carburante è conveniente. Il ruolo paradigmatico di questo processo tende a metterne in secondo piano gli effetti secondari e le esternalità in genere: in fondo un processo “naturale” non viene certo messo in discussione. Ma così facendo si è accumulato un debito che è sociale ma anche economico: il suolo perde di valore, la città è sempre più vulnerabile. In più fatica a rendere remunerabile la principale fonte economica, cioè la valorizzazione delle concessioni edilizie. Se un luogo vale l’altro il valore medio tenderà inesorabilmente a ridursi. Eppure, la città dovrebbe essere il luogo archetipo della sostenibilità, perché concentra usi e risorse riducendo le distanze da percorrere.

È necessario restituire il giusto valore ai luoghi, riscoprire una naturale anisotropia dei luoghi perché ogni parte della città è diversa dall’altra, riformulare le regole generali della mobilità. Affinché questa ristrutturazione dei flussi urbani possa avvenire, occorre ripensare la relazione tra sistemi di trasporto e struttura isotropa del territorio contemporaneo. Infatti, sia che si voglia considerare la dispersione come un fenomeno deleterio da fermare, sia che lo si accetti come un processo positivo dell’attuale fase del capitalismo al più da guidare, i risultati spaziali di oltre quarant’anni di processo di dispersione sono ormai irreversibili. La principale sfida del futuro è quella di progettare un sistema di trasporti che mitighi le inefficienze e le diseconomicità del costruire reti complesse, senza negare la specifica conformazione dilatata della dispersione. Un sistema che riorganizzi ciò che esiste ma sia capace di evolvere nel tempo.

Questo impone di rivedere la filosofia con cui si concepiscono le reti di trasporto, ovvero è necessario ripensare la relazione tra città consolidata e città dispersa.

Condizioni al contorno

Il modello è ponderato su un corridoio ideale in sede riservata e protetta, di lunghezza λ (nel foglio di calcolo allegato assunta pari a 10 km, comunque modulabile alle proprie esigenze). La domanda giornaliera è definita come Φ ed equivalente alla domanda stimata per un giorno feriale.

La domanda in ora di punta è pari al 10% di quella totale giornaliera; la direzione più carica assorbe l’85% della domanda oraria totale. L’offerta di posti di progetto si assume pari almeno a φ. L’orario di servizio è di 19 ore (dalle 5:30 alle 0:30): la prima ora di servizio e la fascia serale (dalle 19:30 alle 0:30) hanno una frequenza ridotta della metà. Risulta pertanto un numero di 16 ore di pieno servizio: non sono stati calcolati eventuali incrementi di capacità in ora di punta rispetto alla domanda di progetto φ perché ritenuti assorbiti nella fascia di pieno servizio (ad esempio non viene considerata la morbida pomeridiana).

Il numero orario di vetture è calcolato sulla capacità χ definita dalla densità massima di 4 persone al metro quadro, ovvero: 140 passeggeri per gli snodati da 18 metri; 220 passeggeri per il tram con lunghezza compresa tra 30 e 35 metri.

Le tecnologie esaminate

Il costo economico totale è somma di 4 differenti contributi:
Costo operativo lordo +
Costo di realizzazione e acquisto del parco rotabile +
Costi ambientali +
Costo dell’energia grigia

Calcolo del costo operativo lordo

Il riferimento principale è il Decreto ministeriale numero 157 del 28/03/2018 “Definizione dei costi standard dei servizi di trasporto pubblico locale e regionale e dei criteri di aggiornamento e applicazione.

Il modello è esteso anche anche a filobus ed elettrobus (bus a batterie), al momento non inclusi nelle tabelle di calcolo ufficiali. L’estensione dei parametri è svolta tramite analisi statistiche dei costi operativi dei sistemi filoviari attualmente in esercizio in Italia. Per quanto riguarda gli elettrobus, in Italia non sono ancora in esercizio da un tempo sufficiente (almeno due anni) sistemi ad alta capacità svolti con mezzi alimentati a batterie pertanto la correlazione tra produzione e costo operativo è stata svolta su dati di letteratura e sistemi esteri. In particolare:

Costo di realizzazione

Nel confronto si assumono i seguenti costi lineari, a raso, al netto di eventuali opere d’arte:

  • Busvia: via di corsa 2.500 euro/m; 550.000 euro per autosnodato (18 m)
  • Filovia: 5.500 euro/m; 950.000 euro per filosnodato
  • Tranvia: 14.500 euro/m; 2.750.000 euro per tram da 30-35 metri
  • Metropolitana: 120.000 euro/m; 7.500.000 euro per treno da 120 m

Tali costi sono da considerarsi al lordo delle spese tecniche e di tutte le spese amministrative (cosiddette “somme a disposizione” dell’Amministrazione). Nel foglio di calcolo i costi sono comunque personalizzabili alle proprie specifiche esigenze.

Costi economici

Emissioni climalteranti

Il riferimento è lo stato dell’arte della tecnica:

  • Autosnodato diesel: 1.225 g per vettura km (Euro VI)
  • Autosnodato a metano: 1.820 g per vettura km (Euro VI)
  • Elettricità da rete: 437 g per kWh

Per quanto concerne gli assorbimenti specifici:

  • Elettrosnodato: 2,80 kWh per vettura km
  • Filosnodato: 2,50 kWh per vettura km
  • Tram da 30-35 metri: 3,30 kWh per vettura km
  • Metropolitana con treni da 120 metri: 17,50 kWh per vettura km

Il costo sociale di riferimento delle emissioni climalteranti di 95,323 euro/t (MIT, Addendum alle istanze per la richiesta di finanziamento del trasporto rapido di massa).

Indicentalità

Il tasso di riferimento è quello medio sulle 10 principali città italiane (Istat):

  • Sistemi su gomma in sede riservata e protetta: 30 per milione di posti km
  • Tram in sede riservata e protetta: 25 per milione di posti km
  • Metropolitana in galleria: 2,5 per milione di posti km

Il costo di riferimento è di 42.219 euro/evento (MIT, 2010) attualizzato a 46.618 euro (2018).

Emissioni aerodisperse dei prodotti della combustione

La lesività delle emissioni è stimata come costo attribuito all’aumento di 1 μg per metro cubo delle concentrazioni equivalenti Ε di PM10 in un volume atmosferico di riferimento di 25 metri per lato dal corridoio e 10 metri di altezza.

è il fattore legato all’altezza di emissione

è il fattore legato alla densità territoriale nella zona di rilascio delle emissioni

Dove _ è assunta pari a 2.000 ab. per km quadrato per il corridoio di studio e 350 ab. per km quadrato per la zona di produzione dell’energia elettrica. Anche in questo caso, nel file, questi dati sono personalizzabili.

Si trovano i seguenti valori di riferimento:

  • Autosnodato diesel: 0,49774 [euro per posto km offerto]
  • Autosnodato a metano: 3,82298
  • Elettrosnodato: 0,11407
  • Filosnodato: 0,0977
  • Tramvia: 0,0806
  • Metropolitana: 0,0944

Impatto acustico

Si assume un livello acustico di riferimento (giornaliero, come indicato nelle strategie europee e nei piani di risanamento acustico) pari a 60 dB(A). I fattori di emissività specifica [ad 1 metro di distanza dal margine esterno della vettura] sono i seguenti:

  • Autosnodato diesel/metano: 87,5
  • Elettrosnodato: 69,0
  • Filosnodato: 69,0
  • Tramvia: 64,0
  • Metropolitana (su rotaia, in galleria): 76,5

Il delta emissivo per posto km è così calcolato:

è il numero di posti totali della vettura o treno

è il volume di riferimento per l’impatto pari a una sezione di 5 metri di altezza e 12,5 metri di larghezza per lato dal margine più esterno della via di corsa.

Si trovano i seguenti valori di riferimento:

  • Autosnodato diesel/metano: 0,05237 [euro per posto km offerto]
  • Elettrosnodato: 0,02021
  • Filosnodato: 0,01940
  • Tramvia: 0,00562
  • Metropolitana: 0,00468

Energia grigia di realizzazione delle opere e degli impianti

È descritta dall’energia necessaria – in kg CO2EQ per kg di materia – per la creazione dell’opera:

  • Via di corsa
  • Impianti di linea
  • Parco rotabile
  • Impianti di bordo (batterie)

Si rimanda all’articolo per i riferimenti di letteratura. I fattori emissivi specifici sono i seguenti:

  • Rame: 4,80 kg CO2EQ/kg
  • Acciaio: 6,15
  • Alluminio: 11,89
  • Fibra di vetro: 2,60
  • Calcestruzzo: 0,75
  • Litio: 19,50
  • Cobalto: 27,00
  • Nickel: 12,00
  • Grafite: 5,00

Il modello calcola i costi non solo dei sistemi tipo elettrobus ma anche della trazione autonoma in una specifica sezione per una filovia oppure una tranvia. Il pacco batterie di calcolo assume la tecnologia agli ioni di litio (LiCoO2):

  • Peso specifico: 5,00 kg per kWh
  • Litio: 2,25 kg per kWh
  • Cobalto: 2,75 kg per kWh
  • Grafite: 1,10 kg per kWh
  • Costo: 130-145 $/kWh
  • Vita media: 5,0-7,0 mila cicli

Risultati

Prima di tutto, quando è conveniente un servizio di trasporto pubblico e quando diventa sostenibile realizzare un corridoio riservato anziché un servizio promiscuo con il traffico privato?

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Prendendo a riferimento i modelli di trasporto privato più sostenibile (ibrido diesel in termini di efficienza e trazione  elettrica in termini ambientali) la soglia di convenienza del trasporto pubblico è quella dei 1.000 passeggeri per giorno feriale. La convenienza per un corridoio di trasporto pubblico (in sede riservata) si colloca già sui 1.500 passeggeri per giorno feriale.

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Si distinguono tre fasce di convenienza economica:
A. domanda compresa tra 5.000 e 25.000 passeggeri per giorno feriale: campo degli elettrobus;
B. domanda compresa tra 25.000 e 120.000 passeggeri per giorno feriale: campo delle tranvie;
C. domanda superiore a 120.000 passeggeri per giorno feriale: campo delle metropolitane.

Si tratta di campi di efficacia da intendersi in senso lato per le tranvie e le metropolitane, che, come classi tecnologiche, possono differenziarsi in una vasta gamma di prodotti e realizzazioni.

Le due curve di costo economico degli elettrobus tengono conto della variabilità delle assunzioni del presente studio.

La zona A appare bipartita, quindi, in due sottozone di convenienza economica:
A1. domanda compresa tra 5.000 e 15.000 passeggeri per giorno feriale: campo degli elettrobus;
A2. domanda compresa tra 15.000 e 25.000 passeggeri per giorno feriale: campo dei filobus.

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Il modello conferma che l’elettrificazione del trasporto di massa è la scelta più efficace in termini di riduzione dei costi economici della mobilità urbana. Il dibattito si dovrebbe concentrare non tanto, quindi, se destinare o no delle risorse all’elettrificazione diffusa ma a come questa possa avvenire.

Per quanto attiene alla trazione termica, la trazione a gas naturale non si pone come valida alternativa al diesel, principalmente a causa della produzione di ossidi di azoto. E gli ossidi di azoto sono, allo stato attuale delle conoscenze [oltre ai riferimenti in calce alla relazione, si veda anche qui], i prodotti della combustione a maggiore morbilità in ambito urbano.

La presenza di chiare e ben definite zone di efficacia:

A1. domanda compresa tra 5.000 e 15.000 passeggeri per giorno feriale: campo degli elettrobus;
A2. domanda compresa tra 15.000 e 25.000 passeggeri per giorno feriale: campo dei filobus;
B. domanda compresa tra 25.000 e 120.000 passeggeri per giorno feriale: campo delle tranvie;
C. domanda superiore a 120.000 passeggeri per giorno feriale: campo delle metropolitane;

suggerisce di non procedere con interventi una tantum e soprattutto che la questione della trazione autonoma verso trazione a filo è mal posta. La trazione autonoma ha infatti chiari margini di convenienza ai livelli di domanda medio-bassi ma esistono delle soglie oltre le quali la trazione a filo resta la soluzione più efficace. Si noti che l’eventuale adozione di bisnodati da 24 metri, sposta in avanti le soglie di convivenza di circa 5.000 passeggeri per giorno feriale (elettrobus > 20.000 pax; filovie > 30.000 pax).

La piramide della sicurezza: estetica, coerenza urbanistica, tecnica, gestione economica-finanziaria sono aspetti di pari rilevanza per una infrastruttura. A prescindere dall’efficienza della tecnologia scelta, un progetto sarà tanto più efficace – e smart – quanto più tali aspetti collaboreranno in maniera bilanciata ad elevare la salute pubblica e la tutela degli ecosistemi.

La questione è quindi definire quale mix tra trazione autonoma e alimentazione a filo adottare e con quale topologia di rete ovvero con o senza dorsali ad alta capacità e quindi su ferro. Senza dubbio appare necessario salvaguardare tutte le reti filoviarie esistenti e a maggior ragione quelle delle aree centrali: in questo caso il bifilare sui corridoi a maggiore domanda può essere anche elemento di ricarica diffusa per servizi che sfioccano in trazione autonoma verso aree più periferiche.

Per quanto riguarda, invece, i sistemi tranviari l’abbandono della linea aerea:

  • è meno efficace alle fasce più basse di domanda (tra 25 e 35 mila passeggeri per giorno feriale);
  • impone dei sovraccosti che possono diventare rilevanti laddove la tecnologia tranviaria è estremamente competitiva (cioè verso i carichi più alti del campo di efficacia relativo al tram).

Resta quindi una scelta da ponderare con attenzione e comunque limitandone l’uso laddove le condizioni al contorno – in termini di inserimento paesaggistico ovvero impossibilità di inserire degli elementi di sostegno – rendano sconsigliabile l’inserimento di una linea aerea di contatto.

Risorse

Modello di calcolo in formato tipo XLS

Relazione presentata al VIII Convegno sistema tram promosso dal Ministero dei Trasporti il 29-30 maggio 2019