Tecniche stradali innovative per l'energy harvesting: implementazione delle pavimentazioni piezoelettriche nell'aeroporto di Roma Fiumicino

Università degli studi della Basilicata

Dipartimento di ingegneria

Corso di laurea magistrale in ingegneria civile delle infrastrutture stradali ed idrauliche

Tesi di laurea magistrale in tecnica dei lavori stradali, ferroviari e aeroportuali

Tecniche stradali innovative per "l'energy harvesting": implementazione delle pavimentazioni piezoelettriche nell'aeroporto di Roma Fiumicino

Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Maurizio Diomedi

Correlatore: Dott. Ing. Valerio Apicella

Laureanda: Federica Riformato matr. 66183

Anno accademico 2023-2024

Indice

• Introduzione 5
• Capitolo 1: Utilizzo del patrimonio edificato per il recupero dell'energia
• 1.1 Esigenza dell’implementazione di nuove tecnologie nelle diverse infrastrutture 6
• 1.2 Tecnologie per il recupero dell’energia solare 7
• 1.2.1 Caso studio di un modulo fotovoltaico in Texas 8
• 1.2.1.1 Prove in laboratorio ed in sito su differenti materiali 9
• 1.2.1.2 Risultati ottenuti e considerazioni economiche 11
• 1.2.2 Il progetto Wattway di Colas 15
• 1.2.3 Il progetto Solar Roadway 17
• 1.3 Tecnologie per il recupero dell’energia termica (TEH) 21
• 1.4 Tecnologie per il recupero dell’energia cinetica 24
• 1.4.1 Energia elettrostatica 25
• 1.4.2 Energia elettromagnetica 26
• 1.4.2.1 Italia: Progetto KEHV nella stazione di servizio sull’A1 29
• 1.4.3 Magnetostrizione 34
• 1.4.4 Energia piezoelettrica 36
• Capitolo 2: Materiali piezoelettrici e sperimentazioni sulle pavimentazioni
• 2.1 Proprietà dei materiali piezoelettrici 37
• 2.2 Struttura dei materiali piezoelettrici 39
• 2.3 Equazioni della piezoelettricità 42
• 2.4 Implementazioni del piezoelettrico nelle pavimentazioni 45
• 2.4.1 Brasile: progetto nella città di Gravataí 45
• 2.4.2 America: il progetto di Troutville 48
• 2.4.3 Cina: il progetto nello Yunnan 51
• 2.5 Le strade “intelligenti”: PaveGen 53
• 2.6 Progetto Innowattech 55
• 2.6.1 Metodo di raccolta dell’energia piezoelettrica 59
• 2.6.2 Israele: il progetto sull’autostrada 60
• Capitolo 3: Implementazione delle pavimentazioni piezoelettriche nelle taxiway dell’aeroporto di Roma Fiumicino
• 3.1 Analisi comparativa delle esigenze strutturali stradali rispetto a quelle aeroportuali 63
• 3.2 Presentazione delle caratteristiche funzionali nelle infrastrutture aeroportuali 66
• 3.3 Individuazione dell’aerea per l’inserimento del piezoelettrico 68
• 3.4 Analisi dei dati in funzione della normativa dell’FAA 78
• 3.5 Calcolo dello spessore degli strati della pavimentazione 82
• 3.6 Utilizzo del software agli elementi finiti: Faarfield 87
• 3.7 Calcolo delle energie ottenute con l’implementazione del piezoelettrico nella bretella 94
• 3.8 Calcolo delle energie ottenute con l’implementazione del piezoelettrico nella taxiway 98
• 3.9 Risultati attesi 102
• 3.9.1 Analisi costi-benefici 102
• 3.9.2 Futuro delle infrastrutture sostenibili 105
• Allegati 108
• Conclusioni 109
• Bibliografia 111
• Sitografia 111

Introduzione

In un’era in cui i combustibili fossili scarseggiano, il lato della sostenibilità cerca spazio nelle installazioni di nuove tecnologie. Si parla, quindi, di energy harvesting: un nuovo modo di sfruttare le strutture a disposizione per il recupero di energia. Nella seguente tesi verranno analizzate dal punto di vista della fattibilità tecnico-economica, varie tecnologie implementate all’interno delle infrastrutture. Partendo dall’energia solare, passando per quella termica, fino a giungere al recupero di energia ottenuto dalle vibrazioni. Tra le nuove tecnologie, l’Italia ha adottato l’implementazione di elementi elettromagnetici all’interno della pavimentazione. Grazie a Movyon, società parte del gruppo Autostrade per l’Italia, è stato possibile realizzare un sistema in grado di recuperare energia dal passaggio dei veicoli in decelerazione in una stazione di servizio sull’autostrada A1, favorendo l’alimentazione energetica della stazione stessa.

Le tecnologie vengono implementate in servizi pubblici come marciapiedi, strade, ferrovie o piste ciclabili; l’obbiettivo di questa tesi è includere anche gli aeroporti all’interno delle infrastrutture sostenibili. Per giungere all’obiettivo è stato necessario approfondire lo studio dell’energia piezoelettrica, in particolare la tecnologia brevettata da Innowattech, che trova la sua applicazione su di una strada in Israele.

Ritenendo con le giuste motivazioni tale tecnologia idonea per l’applicazione in campo aeroportuale, viene condotto uno studio sull’aeroporto Leonardo da Vinci di Roma Fiumicino. Sono state studiate le aree che potrebbero essere più idonee, in funzione del numero di passaggi dei velivoli. Quindi sono stati verificati gli spessori della pavimentazione e, di seguito, calcolate le energie che il sistema piezoelettrico potrebbe teoricamente produrre. Infine, è stata eseguita un’analisi dei costi-benefici ed un elenco dei vantaggi e degli svantaggi che questa innovazione avrebbe.

Capitolo 1

Utilizzo del patrimonio edificato per il recupero dell'energia

Esigenza dell’implementazione di nuove tecnologie nelle diverse infrastrutture

Le infrastrutture come strade, aeroporti, ponti e altre strutture civili, rappresentano una parte significativa del patrimonio mondiale costruito. Tradizionalmente, queste infrastrutture sono state considerate entità passive o semplicemente consumatrici di energia. Tuttavia, con lo sviluppo di nuove tecnologie, emerge un potenziale significativo per trasformare queste stesse infrastrutture in fonti di energia rinnovabile. La crescente urgenza di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e di mitigare le emissioni di gas serra ha spinto verso l'implementazione di soluzioni innovative per il recupero di energia anche dalle superfici infrastrutturali esistenti.

Uno dei fattori chiave che guida tale transizione è la crescente richiesta di energia pulita e sostenibile, insieme alla crescente consapevolezza dei rischi legati al cambiamento climatico. Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), il settore delle infrastrutture stradali e dei trasporti è responsabile di circa il 24% delle emissioni globali di CO₂. Inoltre non è da sottovalutare l'intenso spostamento della popolazione dalle aree rurali verso le città, insieme all'evoluzione degli stili di vita e all'aumento dell'uso delle nuove tecnologie, che ha contribuito ad un consumo crescente delle risorse del pianeta.

Attualmente, circa il 54% della popolazione mondiale risiede in aree urbane, e si prevede che entro il 2050 tale percentuale possa raggiungere il 70%, segnando così un processo di urbanizzazione globale, che comporterà un ulteriore aumento del consumo energetico. L’insieme di queste stime ha spinto governi e istituzioni a ricercare soluzioni che non solo riducano le emissioni, ma che al contempo permettano di generare energia da fonti rinnovabili.

In questo contesto, anche il concetto di "smart city" rappresenta una strategia potenziale per affrontare i problemi derivanti dall'espansione della popolazione urbana. Le città intelligenti, nell'ambito della pianificazione urbana e dell'architettura, si basano su una serie di soluzioni progettuali mirate a ottimizzare e innovare i servizi pubblici.

Pertanto si è giunti a parlare di "energy harvesting", termine che si riferisce al processo mediante il quale l'energia presente nell'ambiente circostante viene catturata attraverso dispositivi specializzati e convertita in energia elettrica. Grazie a queste tecnologie, è possibile alimentare componenti microelettronici senza ricorrere a fonti energetiche esterne.

L'energia meccanica generata dalle vibrazioni, ad esempio prodotte da un veicolo su strada, può essere trasformata in energia elettrica attraverso diversi tipi di convertitori, tra cui:

• Convertitori elettromagnetici, che sfruttano la variazione del flusso magnetico concatenato con una bobina, indotta dalle vibrazioni meccaniche.
• Convertitori elettrostatici, che utilizzano la variazione di capacità causata dal movimento relativo tra le armature di un condensatore.
• Convertitori piezoelettrici, che sfruttano l’effetto piezoelettrico per convertire le deformazioni meccaniche in energia elettrica.

Mentre per il recupero di energia termica, vengono impiegate altre tecnologie che possono essere classificate in tre tipi:

• Sistema fotovoltaico;
• Sistema termoelettrico;
• Sistema solare termico.

I sistemi a gradiente termico utilizzano generatori termoelettrici, che sono alimentati dalle differenze di temperatura tra gli strati superiori e inferiori della pavimentazione, mentre i sistemi solari termici in conglomerato bituminoso, utilizzano collettori solari in bitume che convertono l'energia solare in calore attraverso il fluido all'interno delle condotte.

Tecnologie per il recupero dell’energia solare

Tra le diverse tecnologie disponibili, la conversione solare fotovoltaica (PV) si è rivelata una delle soluzioni più efficienti, con una densità di potenza di circa 1000 kW per metro quadro di pannello solare. Tuttavia, per ottenere la massima efficienza nella produzione di energia, i pannelli solari fotovoltaici necessitano di ampi spazi e una buona esposizione al sole. A causa dei costi elevati e della scarsità di terreni idonei nelle aree urbane, questi pannelli sono spesso installati solo in zone remote, il che porta a una notevole perdita di energia durante la trasmissione. Ad ogni modo, superfici come carreggiate, parcheggi e marciapiedi nelle città occupano grandi aree di terreno e potrebbero essere sfruttate come piattaforme per la raccolta di energia solare.

Una strada fotovoltaica è un'infrastruttura innovativa progettata per convertire la luce solare in energia elettrica mediante l'uso di celle solari posizionate sotto uno strato semitrasparente. La struttura di base di una strada fotovoltaica si compone di tre strati principali. Il primo strato, quello superiore, è realizzato con materiali come vetro temperato, polimeri o aggregati di vetro legati tramite resine speciali (come la resina epossidica). Questo strato ha un ruolo fondamentale, poiché deve sostenere il carico del traffico veicolare, garantire sicurezza e aderenza per i veicoli, permettere il passaggio della luce solare verso le celle e proteggere i pannelli sottostanti. Il secondo strato è quello elettrico, che contiene le celle solari responsabili della produzione di energia. Infine, lo strato di base serve a distribuire il carico del traffico alla pavimentazione sottostante o alla struttura di supporto.

Negli ultimi anni, attraverso vari progetti in Europa si sta valutando la possibilità di installare pannelli fotovoltaici o celle a film sottile su strade e infrastrutture. I ricercatori del Korea Institute, ad esempio, hanno studiato l'integrazione di celle solari nelle pavimentazioni stradali. Tuttavia, hanno evidenziato come le attuali celle a film sottile incontrino delle difficoltà sulle superfici soggette a carichi meccanici e siano suscettibili a corrosione e usura prematura a causa delle condizioni ambientali.

Caso studio di un modulo fotovoltaico in Texas

Nella Facoltà di Ingegneria civile e ambientale, dell’Università del Texas di San Antonio, è stato sperimentato un prototipo di un modulo solare fotovoltaico, sul quale, successivamente, sono state effettuate delle analisi con lo scopo di inserire tale modulo nelle carreggiate e nei parcheggi a basso volume, come verrà spiegato in sintesi nelle successive pagine. I test svolti su questo sistema si concentrano sull'analisi degli effetti di vari fattori ambientali, tra cui: l’illuminamento, l’irradianza, la temperatura, le condizioni meteorologiche e le conseguenze delle vibrazioni, dovute a veicoli in rapido movimento.

Il modulo del pannello solare è costituito da tre strati: lo strato di copertura superiore, lo strato ottico intermedio e lo strato di supporto inferiore come mostrato nella Figura 1. Tra i differenti strati, il primo di copertura superiore del modulo solare è quello che deve garantire maggiori prestazioni, in particolar modo:

• Trasparenza, per trasmettere la luce solare allo strato fotovoltaico;
• Rigidità, per resistere ai carichi di traffico applicati;
• Attrito, per fornire sufficiente trazione e resistenza allo slittamento per i veicoli.

Figura 1-Strati di un modello fotovoltaico

Per garantire i criteri sopra citati è stato necessario utilizzare materiali come il policarbonato o il vetro temperato testurizzato. Con lo scopo di fornire una capacità strutturale sufficiente e ottimizzare la progettazione dello strato di copertura, sono stati testati materiali diversi per quest’ultimo.

Prove in laboratorio ed in sito su differenti materiali

Il primo materiale testato per lo strato di copertura è stato il vetro temperato, Figura 2a. Il secondo materiale studiato per lo strato di copertura è stato il GlassGrit, uno speciale tipo di vetro float sodico-calcico antiscivolo al corindone a basso tenore di carbonio con una superficie strutturata composta da un rivestimento in corindone fuso, Figura 2b.

Figura 2-Vetro temperato, GlassGrit e policarbonato antigraffio

In Figura 2c viene mostrato il policarbonato antigraffio, in cui è possibile notare che il materiale in policarbonato è circa 250 volte più resistente agli urti del vetro standard, il che lo rende il materiale migliore tra gli altri materiali in termini di resistenza agli urti.

L’obiettivo dell’analisi svolta in laboratorio è stato quello di valutare la percentuale di trasmittanza di ciascuna copertura trasparente, al fine di ottimizzare la progettazione della piastra di copertura superiore. A tale scopo sono stati testati i diversi materiali prima citati ed è stata condotta una valutazione comparativa delle prestazioni basata sulla percentuale di trasmittanza. Successivamente, la potenza in uscita è stata testata sul campo per questi moduli solari in diverse condizioni di nuvolosità, temperatura ambiente, intensità solare e irradianza solare.

Il sito di raccolta dati era situato in un parcheggio, come mostrato nelle figure 3a e 3b, ciò ha permesso di non avere alcuna interruzione del traffico durante il periodo di raccolta dati. La generazione di energia è stata misurata e confrontata tra i pannelli solari in condizioni esterne con metodi di resistenza multipla e singola. Per ottenere la potenza massima in uscita dai pannelli, sono stati raccolti i dati di potenza da tutti i pannelli solari da pavimentazione, utilizzando un'ampia varietà di valori di resistenza.

Figura 3-Prove in sito del sistema

La capacità portante strutturale del modulo solare è stata determinata con un'analisi 3D a elementi finiti (FE) considerando il modulo solare come una struttura isolata e non installata nella pavimentazione. Le prestazioni realistiche della pavimentazione e del modulo solare sotto il carico di un veicolo semirimorchio sono state simulate, utilizzando il software commerciale ABAQUS.

Una volta definiti gli spessori stradali è stata eseguita un'analisi per verificare in maniera provvisoria le dimensioni del modello, ovvero lunghezza e larghezza, tali dimensioni sono state poi progressivamente ridotte monitorando i cambiamenti nei risultati. Sono stati testati due spessori differenti per la parte superiore che rappresentava il foglio di policarbonato di grado ottico, mentre lo strato inferiore era realizzato in legno. Successivamente, il modulo solare è stato incorporato nella struttura della pavimentazione esattamente al centro del percorso della ruota con la copertura in policarbonato sottoposta al carico del traffico, come mostrato nella Figura 4. Inoltre, per capire al meglio le risposte strutturali dei moduli solari sotto il carico del traffico, i risultati dell'analisi dei due modelli FE con i moduli solari sono stati correlati ai risultati corrispondenti di una struttura di pavimentazione standard con le stesse dimensioni, condizioni al contorno e caratteristiche dello strato di pavimentazione. Per l’analisi è stato considerato uno pneumatico radiale singolo, per rappresentare un carico di semirimorchio sulla struttura della pavimentazione e sul modulo solare.

Figura 4-Analisi FE

Risultati ottenuti e considerazioni economiche

Una volta effettuata l’analisi, è rilevante notare la relazione tra la lunghezza d’onda in (nm) e la percentuale di trasmittanza dei materiali di rivestimento (Figura 5) in cui: tale rapporto è massimo per l’andamento in blu, il quale rappresenta la trasmittanza al 100% ottenuta senza alcuna piastra di copertura. Si nota quindi, che la percentuale di trasmittanza del campione di policarbonato, denominato SP10, è molto più alta della percentuale di trasmittanza del GlassGrit e del vetro testurizzato, come era stato in precedenza già intuito.

Figura 5- Grafico della trasmittanza

Altra caratteristica importante, viene riportata in Figura 6, la quale illustra i risultati della produzione di potenza rispetto ai valori di resistenza, studiati per i diversi materiali sopra considerati, ovvero per SP10 (pannello solare con policarbonato da 10 mm), CSP (pannello solare di controllo senza copertura) e FSP testurizzato (pannello solare con copertura in vetro float testurizzato). Valutando l’illuminazione in diversi momenti della giornata, sono stati raccolti dati con diversa irradianza solare. Dunque, si può notare, che il picco raggiunto da tutti e tre i modelli è di 80Ω, valore di resistenza utilizzato per il resto degli esperimenti.

Figura 6-Grafici della resistenza