Performance comparison between a conventional and a hybrid waterbus: a MILP approach

Il settore marittimo sta attualmente affrontando normative ambientali sempre più rigide da parte dell'Organizzazione Marittima Internazionale (IMO) e dell'Unione Europea, che spingono verso un'urgente transizione alla decarbonizzazione. Poiché le tradizionali ottimizzazioni meccaniche e idrodinamiche si avvicinano ai loro limiti fisici, l'adozione di vettori energetici alternativi e di architetture propulsive innovative diventa essenziale. Questa sfida è particolarmente critica in ambienti fragili e densamente popolati come la laguna di Venezia, sito Patrimonio dell'Umanità UNESCO, dove le imbarcazioni del trasporto pubblico locale devono ridurre drasticamente le emissioni di ossidi di azoto (NOx) e particolato per limitare l'impatto sull'ecosistema lagunare. La presente tesi indaga le prestazioni energetiche e ambientali di diversi sistemi di propulsione per un vaporetto "foraneo" operante sulla rotta Murano–Treporti (Linea 12). L'obiettivo è individuare, per ciascuna configurazione propulsiva, la strategia operativa che minimizza il consumo di combustibile oppure le emissioni di NOx, così da confrontare le diverse architetture su una base comune, con le emissioni di HC valutate di conseguenza in post-processing. Vengono considerate quattro configurazioni distinte: una propulsione meccanica convenzionale a trasmissione diretta, una propulsione completamente elettrica nelle varianti in corrente alternata e continua, e un ibrido serie con accumulo a batteria. Tramite un approccio di modellazione backward derivato da dati sperimentali di coppia e velocità dell'elica, è stato sviluppato un framework di programmazione lineare intera mista (MILP). Le due funzioni obiettivo sono applicate in esecuzioni separate: la minimizzazione del consumo di combustibile e, indipendentemente, quella delle emissioni di NOx, valutata sia sull'inviluppo superiore sia su quello inferiore dell'incertezza. Le mappe caratteristiche fortemente non lineari dei motori sono state tradotte in modelli lineari per il consumo (con la correlazione di Chen–Flynn per l'attrito al minimo) e in interpolanti lineari a tratti per gli inviluppi NOx. Nella funzione obiettivo è inclusa una penalità di raffreddamento (cooldown), che tiene conto del combustibile e degli inquinanti emessi durante la fase al minimo che precede ogni spegnimento. Per l'ibrido serie è stata inoltre imposta una strategia charge-sustaining, a riflettere l'assenza di ricarica a terra. I risultati rivelano un chiaro compromesso tra efficienza ed emissioni. La propulsione meccanica convenzionale resta il sistema più efficiente (efficienza del 33,5%), mentre l'introduzione dell'elettronica di potenza e delle conversioni energetiche multiple penalizza le architetture elettrica DC e ibrida serie, la cui efficienza cala del 12-13%; la configurazione puramente elettrica AC risulta la peggiore, con consumo (+34,9%) ed emissioni di NOx (+27,4%) più elevati rispetto al riferimento meccanico. Sia l'architettura DC sia l'ibrido serie riescono a restringere sensibilmente il range di emissioni NOx tramite strategie di gestione dedicate, ma l'ibrido serie si dimostra nettamente più efficace: mentre entrambe riducono in misura paragonabile il tetto superiore del NOx, solo l'ibrido serie mantiene il limite inferiore vicino al riferimento meccanico (+4,8%, contro +26,1% del DC), a fronte di una penalità di combustibile trascurabile (+1,1%) e senza un aumento comparabile degli idrocarburi (+5,3% e +5,6% sugli inviluppi NOx-max e NOx-min, contro +22,8% e +16,5% del DC). L'ibrido serie emerge così come la soluzione più equilibrata per coniugare efficienza e riduzione delle emissioni nel contesto lagunare.