Quando la mobilità sostenibile diventa emozionante: accade a Siracusa.

Sono passati 7 anni dall’ultima volta che sono stato nel mio liceo. Ricordo ancora quel giorno: era una mattina di metà Luglio ed insieme ad alcuni miei compagni di classe salutavamo i nostri professori per intraprendere da lì a poco una nuova avventura.

Sono passati 7 anni, dicevo. Oggi non è estate, è inverno e le vacanze di Natale sono vicinissime: è il 20 Dicembre. Mi sono svegliato presto, pensando: “Devo andare a scuola e non devo fare tardi!”. Ho preso l’auto e ho rifatto la stessa identica strada che facevo 7 anni fa. Con me ho sempre uno zaino, ma a differenza del passato non vi sono più libri e appunti, ma solo un computer ed una videocamera. Indosso una felpa nera, ma non è una felpa qualunque: sulla spalla sinistra c’è il logo del Politecnico di Torino, sulla destra la bandiera italiana, davanti e dietro un altro logo, un po’ stravagante rappresentante due mole coline colorate, con una scritta: Team H2politO. Questo logo è il motivo per cui oggi sono tornato nuovamente al liceo scientifico “L. Einaudi” di Siracusa.

La scuola è cambiata. All’esterno è rimasta praticamente uguale, ma dentro è cambiata. Anch'essa è diventata ormai tecnologica. Incontro uno dei miei ex professori, Salvatore Spallina che insieme alla mia ex professoressa di scienze, Concita Pitruzzello, mi hanno permesso di organizzare quest’incontro di oggi. Non si tratta di semplice orientamento universitario, oggi si parlerà di come un mondo migliore è possibile, anche al Sud, anche in Italia. Oggi si parlerà di futuro. Così ha detto il mitico Prof. Spallina: “A scuola vi insegniamo soltanto cose del passato. Oggi avete l’opportunità di dare uno sguardo al futuro”, ha ribadito introducendo me ed i miei due colleghi siracusani di Team Alessandro Tomasello e Pietro Sanfilippo, presenti all’evento.

Ecco, è proprio questa la nostra responsabilità: il futuro.  E’ forse l’obiettivo più nobile insito del Team. Oggi si è parlato di futuro, in particolare di quello dell’automobile, trattando l’argomento della mobilità sostenibile.  Senza la pretesa di avere le risposte in tasca, senza la presunzione di conoscere la verità,  ma con l’atteggiamento di chi socraticamente “sa di non sapere” e che per questo motivo non fa altro che porsi domande, studiare e lavorare “sodo” affinchè si arrivi ad una possibile soluzione.

Oggi io, Alessandro e Pietro abbiamo mostrato il lavoro del Team H₂politO: i risultati, le tecnologie ed i sogni futuri, cercando di appassionare i 30 studenti presenti alla conoscenza, allo studio  e, perché no, alla ricerca. L’incontro di oggi non voleva insegnare nulla in particolare, se non il fatto che passione e coraggio sono due dei fattori più importanti nella vita di ogni studente (e poi futuro lavoratore).  L’incontro di oggi ha voluto solo dimostrare che il futuro siamo noi giovani, con le nostre idee fresche ed innovative, senza barriere e limiti, pronti a scommettere tutto su noi stessi. Studenti che potranno diventare dottorandi, professionisti, imprenditori  e che, poi, danno vita a start-up tecnologicamente avanzate. Questo è il futuro.

Al termine della presentazione, uno dei ragazzi presenti ha detto: ”Forse vale davvero la pena studiare se poi è possibile realizzare cose come queste”. Ecco, è questo il senso dell’Università, e fortunatamente il Politecnico di Torino, che noi rappresentiamo, l’ha capito. Questa semplice frase ci ha fatto capire quanto importante sia il nostro lavoro, quanto importante sia divulgare il nostro lavoro rendendo tutti partecipi del nostro sogno. Dare to change: osiamo il cambiamento…non più da solo, ma con tutti coloro che credono in noi.

Oggi è stato un giorno emozionate: abbiamo fatto qualcosa per la quale avrei pagato al liceo pur di partecipare. E spero che sia stato altrettanto emozionante anche per i miei ex professori, poter vedere che uno degli studenti da loro formato, abbia avuto la possibilità di crescere e di far parte di una delle più importanti eccellenze del Politecnico. Un’occasione per ribadire di tener duro e di continuare così nel loro importante e prezioso lavoro di formazione degli studenti: a loro vanno i miei più sentiti ringraziamenti per tutto ciò che mi hanno insegnato, poiché mi ha permesso oggi di poter essere un membro del Team H₂politO. 

La progettazione meccanica: dal modello alla realizzazione di un componente

Come si progetta un componente meccanico? Questa non è affatto una domanda facile alla quale rispondere. Servono due delle qualità più importanti che un ingegnere deve avere, al di là della conoscenza, ovviamente. Esse sono la creatività ed una buona dose di pigrizia. Sembrerà strano leggere questa affermazione , ma proseguendo con la lettura saranno senza dubbio più chiare le ragioni che sono alla base di quest’ ultima frase.

Di certo con pigrizia non si intende la poca volontà nel lavorare o nel portare a termine progetti lunghi e complessi, ma la mentalità che porta ogni persona ad ottenere i migliori risultati possibili con il minimo sforzo, cercando di realizzare soluzioni tanto efficaci quanto semplici.
In questo senso, usando una “proporzione matematica”,  la pigrizia sta al progettista come la penna allo scrittore.

Il primo passo da eseguire consiste nell’osservare un problema e guardarsi intorno per accertarsi che altri non lo abbiano già affrontato, magari trovando anche delle soluzioni. Successivamente si passa alla realizzazione di un disegno, e quindi di un modello 3D, con una geometria  quanto più semplice possibile, ma che dia idea degli ingombri e delle possibili limitazioni della soluzione.

Primo modello di un supporto

 Il secondo passo è quello di decidere, in base alle proprie esigenze, il materiale e la metodologia di realizzazione del pezzo, onde evitare di definire geometrie particolari per poi scoprire, solo successivamente, che queste sono irrealizzabili o realizzabili a prezzi eccessivi. La pigrizia ancora una volta viene in aiuto all’ ingegnere facendogli valutare tutte le possibili problematiche del particoalre in questione prima di realizzarlo.

Così dopo aver realizzato il modello di base si sfrutta un arma potentissima messa a disposizione dei progettisti negli ultimi anni: la simulazione. Uno strumento  che consente di ottimizzare il più possibile le parti meccaniche progettate prima che esse vengano messe in produzione, al fine di risparmiare moltissimo tempo, denaro, lavoro, massae cosi via. Essa è tanto potente quanto complessa e può rivelarsi un’arma a doppio taglio se non utilizzata correttamente.

Alla base della simulazione infatti vi è il concetto di discretizzazione di un modello, che deve essere precedentemente realizzato con un CAD,, tramite un insieme di nodi ed elementi di varia geometria.  Questo metodo è detto metodo degli elementi finiti (FEM) e ha lo scopo di  simulare le caratteristiche reali del componente in un ambiente virtuale, per ottenere delle soluzioni approssimate a dei problemi normalmente descritti da equazioni differenziali. L’insieme di questi elementi forma la mesh del componente e può essere composta  da elementi: 3D come tetra (tetraedri) o Exa (Esaedri), 2D come quad (quadrati) o tria (elementi triangolari) nel caso di solidi con una dimensione trascurabile rispetto alle altre. Nel caso di geometrie in cui due dimensioni sono trascurabili rispetto ad una terza (cavi o travi), si utilizzano invece elementi 1D.

La mesh fà sì che i nodi siano connessi da elementi a cui vengono attribuite le proprietà del materiale selezionato, quali il modulo di Young E e il coefficiente di Poisson ν, che tramite la combinazione lineare di funzioni algebriche permetteranno di fornire, come output, delle deformazioni in base a definite condizioni al contorno, ad esempio. Questo permette di prevedere il comportamento del componente che si sta progettando in base ai vincoli e carichi che sono stati considerati.

Il punto debole di questo metodo è quello che si sta realizzando un modello ad elementi finiti di un componente che si potrebbe assumere come continuo, per questo per ottenere risultati “approssimati” tanto più vicini alla realtà quanto possibile, si usa “infittire” la mesh nelle zone di maggior interesse.

Mesh di un supporto

 La domanda che sorge spontanea è : “perché non inserire un numero altissimo di elementi in modo da avvicinarsi moltissimo alla realtà”?

Perché in base al numero di elementi utilizzati le matrici da elaborare dal sistema di calcolo assumono dimensioni sempre maggiori, ed in base al tipo di simulazione i tempi di calcolo possono essere linearmente o addirittura esponenzialmente proporzionali al numero di elementi utilizzati, il che porterebbe a tempi di calcolo insostenibili. E’ evidente quindi come un bravo ingegnere debba utilizzare il metodo degli elementi finiti per realizzare un modello che sia tanto accurato quanto rapido da simulare.

Stati tensionali di un supporto

 Dopo aver effettuato la simulazione è possibile valutarne le deformazioni, le reazioni vincolari, gli stress e tanti altri parametri, che possono aiutare a modificarne la geometria per raggiungere il miglior compromesso nel particolare progettato: funzionalità, semplicità, salvaguardando caratteristiche di resistenza e deformazione, e futuro costo di realizzazione. In questo modo è possibile realizzare, ad esempio, degli alleggerimenti nelle zone soggette a una tensione minore, e che quindi “contribuiscono” di meno alla resistenza strutturale.

Stati tensionali di un supporto "alleggerito"

 Infine si realizza la messa in tavola,  ossia la tavola quotata necessaria per la messa in produzione e voilà, il gioco è fatto. E’ solo necessario aspettare che la macchina utensile completi la sua opera per vedere il componente realizzato!

Messa in  tavola del supporto

Il supporto "vero" realizzato

Fuel Cell vehicles: can be the future of the automotive industry?

Today, the growing concerns on air pollution and the need to reduce dependence on fossil fuels have awakened the interest in hydrogen as a "energy carrier" for vehicles, which until now was only used in restricted applications, for example in the space programs.

Will ever be possible to see on our roads vehicles powered by hydrogen?

The answer is coming from the Japan and precisely by Toyota. In fact, the Japanese automaker is launching Mirai, which in Japanese means "future", a new type of hydrogen vehicle. Mirai has an electric motor capable of providing 113 kW of power and it can reach a maximum speed of 180 km / h.

Toyota Mirai (left) and its interior (right)

Toyota will bet on a considerable autonomy (more than 480 km with full hydrogen) and a recharging speed greatly reduced (less than 5 minutes).

The "engine" that moves a hydrogen vehicle is the fuel cell and at the base of its operation there is an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air, which provides the electron free. These electrons, in certain conditions, are able to circulate in an external circuit, producing an electrical current. Unlike batteries, the Fuel Cells are open systems, and are able to function until the fuel (hydrogen) and the reactant (oxygen) are provided.

In a very first future sales will be located in Japan and specifically in areas where there is a hydrogen refueling station (Tokyo, Nagoya, Osaka, Fukuora), but Mirai will be the first model of hydrogen cars in the world, commercialized on a large scale. The Toyota group hopes to sell at least 400 units in Japan by the end of 2015 (200 already have been ordered!!), and then from 50 to 100 per year in Europe; in the US instead involves a sale of about 3,000 vehicles by 2017. The estimated cost in Europe is around EUR 66 000 plus taxes, and of course it is still very high.

Fuel Cell system (left) and Toyota Mirai layout (right)

The goal of Toyota is ambitious and far-sighted, as the words of Bob Carter Senior Vice President of Toyota Automotive reveal: "We're not reinventing the wheel, just everything you need to make it move. There is no doubt that the success of this technology depends more on the user experience and not on the individual vehicle. "

Toyota, is primarily aiming to change the conception of the car that today we all have. Mirai may also be used as a source of temporary energy, in fact, there will be an optional device that, when installed, will provide electricity to a dwelling in case of emergency. Thanks to the Fuel Cell technology, Mirai may exceed 3 times the power generated by a system of back-up batteries, and compared to a generator, would solve the problem of the exhaust gas. Even the car, ensures Uchiyamada (Chairman of Toyota Motor Corporation), can be used as a buffer for houses with alternative energy sources, providing power when renewables (wind, solar etc.) are not able to do so.

Although hydrogen requires many security precautions, today seems to be the leading candidate as the future energy vector.

Power Take-Off, for grid-house connection

However, the Toyota project was born from the partnership of several universities, including the University of California. This fact proves that “the academic imprint” is always the starting point of technological and social revolutions, as can be considered a hydrogen vehicle.

The H₂politO Team, supported by the Polytechnic of Turin, has embraced this philosophy for about 7 years, in order to develop vehicles with low CO₂ emission. The Team purpose is to sensitize the new generation of engineers and users on issues as pollution and low consumption vehicles.

IDRApegasus is a hydrogen prototype designed, developed and built entirely by students for the Shell Eco-Marathon competition. In such events the winner is the vehicle that consumes less.

Although the shape and the technical solutions of IDRApegasus are different from Toyota Mirai FCV, the two projects have the same inspiration: dare to change.

The Team H₂politO and Toyota believe in this challenge; how about you?

Veicoli a Fuel Cell: possono essere la risposta per un futuro sostenibile in campo automotive?

Oggi, le crescenti preoccupazioni sull’inquinamento atmosferico e la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili hanno risvegliato l’interesse verso l’idrogeno come “mezzo energetico” per gli  autoveicoli, che fin’ora era utilizzato soltanto in applicazioni “di nicchia”, per esempio nei programmi spaziali.

Sarà mai possibile vedere sulle nostre strade veicoli alimentati ad idrogeno?

La risposta sta arrivando dal paese del Sol Levante e precisamente da Toyota. Infatti la casa automobilistica nipponica sta lanciando Mirai, che in giapponese significa “futuro”  un nuovo tipo di autoveicolo alimentato ad idrogeno. Ha un motore elettrico in grado di erogare una potenza di 113 kW e può raggiungere una velocità massima di 180 km/h.

La nuova Toyota Mirai (sinistra) e il suo interno (destra)

Toyota punterà su una notevole autonomia (più di 480 km con un pieno di idrogeno) e una velocità di ricarica decisamente ridotta (meno di 5 minuti).

Il “motore” che muove il veicolo ad idrogeno è la cella a combustibile (o Fuel Cell) e alla base del suo funzionamento c’è una reazione elettrochimica, dell’idrogeno con  l’ossigeno dell’aria, che mette a disposizione degli elettroni liberi. Questi elettroni, in determinate condizioni, sono in grado di circolare in un circuito esterno producendo una corrente elettrica. A differenza delle batterie, le Fuel Cell sono sistemi aperti, cioè in grado di funzionare fin quando viene provveduto il combustibile (idrogeno) e reagente (ossigeno).

In un primissimo futuro le vendite saranno “concentrate” in Giappone e precisamente nelle zone in cui è disponibile una stazione di rifornimento ad idrogeno (Tokyo, Nagoya, Osaka, Fukuora), ma la Mirai  sarà il primo modello di auto ad idrogeno al mondo, commercializzata su vasta scala . Il gruppo Toyota spera di vendere almeno 400 esemplari in Giappone entro la fine 2015 (200 già sono state ordinate!!),  e successivamente tra 50 e 100 ogni anno in Europa; negli USA invece prevede una vendita di circa 3000 veicoli entro il 2017. Il costo previsto in Europa è di circa 66 mila euro più tasse, e naturalmente è ancora decisamente elevato.

Vano motore (sinistra) e layout (destra) della Toyota Mirai

L’obiettivo di Toyota è ambizioso e lungimirante, come si può intendere dalle parole di Bob Carter Senior Vice President di Toyota Automotive:  “ Non stiamo reinventando la ruota, solo tutto il necessario per farla muovere. Non ci sono dubbi che il successo di questa tecnologia al momento dipende più dall’esperienza dell’utente nel suo complesso che non dalla singola auto”.

Toyota ,infatti, sta puntando soprattutto a cambiare la concezione di auto che oggi noi tutti abbiamo. Mirai potrà essere anche utilizzata come fonte di energia temporanea, infatti ci sarà un dispositivo opzionale che, se installato, potrà fornire l’energia elettrica ad un’abitazione in caso di emergenza. Grazie alla tecnologia Fuel Cell, Mirai può superare di 3 volte la potenza generata da un sistema di back-up a batterie e, rispetto ad un gruppo elettrogeno, risolverebbe il problema dei gas di scarico. Addirittura la vettura, garantisce Uchiyamada (Chairman di Toyota Motor Corporation), potrà essere usata come buffer per case dotate di fonti energetiche alternative; fornendo energia quando le rinnovabili (eolico, solare ecc.) non sono in grado di farlo.

Sebbene l’idrogeno richieda molti accorgimenti in materia di sicurezza, ad oggi, sembra essere il principale candidato come vettore energetico del futuro.

Il Power Take Off, ovvero la connessione all'abitazione in caso di emergenza 

Il progetto Toyota comunque nasce da collaborazioni con diverse Università e non solo nipponiche, tra cui spicca l’Università della California, proprio ad indicare che “l’impronta accademica” è sempre la base di rivoluzioni tecnologiche e sociali, come può essere considerato un veicolo ad idrogeno.

Il Team H₂politO, supportato dal Politecnico di Torino, da circa 7 anni ha abbracciato questa filosofia di vita a basse emissioni di CO₂, ovvero sviluppare veicoli a basso impatto ambientale sensibilizzando i futuri ingegneri e utilizzatori su queste tematiche.

IDRApegasus è un prototipo ad idrogeno progettato e realizzato interamente da studenti per partecipare alla Shell Eco-Marathon, competizione in cui vince il veicolo che consuma di meno.

Anche se la forma e le soluzioni tecnologiche di IDRApegasus differiscono dalla Toyota Mirai FCV, alla base dei due progetti c’è la medesima filosofia: il cambiamento e la stessa propulsione: una fuel cell a idrogeno. Un cambiamento in campo automotive e un cambiamento del modo in cui le persone concepiscono la mobilità su strada. Il Team H₂politO e Toyota ci credono. E voi?

Il nostro prototipo a Fuel Cell IDRApegasus pronto a partire
alla Shell Eco-marathon 2014

Formula E as Shell Eco-marathon: competitions at the basis of future mobility

Can a FIA world championship be compared to an international race for students? Is it possible to equal 270 bhp racing cars to 1 kW little vehicles designed for optimal fuel efficiency? Though it might sound crazy the right answer is both yes and no. Don’t worry we “haven’t gone nuts”. We are talking about Formula E and Shell Eco-marathon.

Formula E (left) and Shell Eco-marathon (right)

But let’s start from the basis.

Shell Eco-marathon, to which Team H₂politO proudly takes part since 2008, is a competition aimed at University and High School students. Its objective is to make students design vehicles , both prototypes and urban concepts whose extremely low consumptions make them reach a rank, not their speed. This competition is held worldwide but for obvious logistic and economical reasons the same race is organized in different periods of the year and in three different locations: Europe, which this year will reach the 30^th edition, Asia and Americas, that started hosting races a few years after Europe. Team  H₂politO takes part to the Shell Eco-marathon Europe, which in the last four years (the location may change from year to year) was held through the roads surrounding the Ahoy Arena, in Rotterdam (Nederland)  with its vehicles IDRA e XAM, presented in this blog in the last weeks.

Formula E, a new typology of racing born within the FIA championship, is the very first single-seater championship for fully-electric racing cars. Introduced in September of 2014 will see participating teams running in the heart of some of the biggest cities in the world such as London, Beijing and Miami. The objective of this racing series is, as tradition in motorsports, to push the effort in research and development  of road cars through the experience gained on track. In this case Formula E, regarding fully electric cars, aims to stimulate the interest of fans and to develop further this particular field, growing the awareness in the field of a more sustainable mobility.

And it’s for this reason that Team H₂politO thinks that the two competitions have more in common than what it might not appear. Shell Eco-marathon too proposes itself to “continue to spark the debate about the future of mobility and inspire students to push the boundaries of fuel efficiency. And one of our contributions is the constant review and update of the competition rules, reflecting new trends in both the automotive and energy industries”. Moreover, besides the competition, Shell and its partners organize during  practice and race days an exhibition called Shell Energy Lab, where visitors of any kind are involved in activities that represent a journey through the ideas of the future of energy and mobility.

 

Comparison between Formula E launch video and Team H2politO's Communication Award

video campaign for Shell Eco-marathon 2014

Obviously the technical contents through which the two competitions hope to reach the same target are completely different.

Formula E, for its first championship, chose a single car to be used by all participants, the Spark-Renault SRT_01E. This single-seater car has an electric powertrain and electronics provided by McLaren Electronics Systems, the world leader in high-performance technology for motorsport, that equipped with the battery stake from Williams Advanced Engineering, part of the Williams group owner of the world famous F1 team, is able to provide a power output of 200 kW (270 bhp). The power in racing mode is set to 150 kW (202.5 bhp) to assure the best autonomy during the race but can be taken up to 180 kW (243 bhp) for 5 seconds per lap, exploiting an innovative interaction with the social networks (the most voted driver on social networks during the race can access this kind of “boost”). Despite this power reduction the driver must pit during the race to swap the car, creating interesting scenarios for the strategy and the control of the electric engines. These are capable of impressive performances even if they are a “100% green type of engine”: 0-100 km/h takes 3 seconds, the top speed is 225 km/h and all of this without emitting a single gram of CO₂. Big attention is dedicated to aerodynamics, specifically  optimized to help during overtakes, to chassis and bodyworks. Dallara, the celebrated Italian factory, takes care of designing the vehicles and granting the same safety standards of the Formula One. Race cars are made of  alluminum, carbon fiber and Kevlar with exceptional results both in structural stiffness and in weight reduction.

The Spark-Renault SRT_01E

As explained before this choice will regard just the first year of races. From next season on the Formula E circus will accept new suppliers and design variations, aiming at a more refined engineering competition. We are just at the dawn of a new way of seeing racing series in the vast motorsport world. 

Formula E in London

By the way, cars enrolled in Shell Eco-marathon are deeply different. First of all the competition is divided in two categories: Prototypes, extreme vehicles such as our IDRA, and Urban Concepts, city car-looking vehicles like our XAM. Both categories are furthermore divided by the type of fuel the vehicles use. You can find internal combustion engines, both conventional and hybrids, powered by Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) gasoline vehicles indeed, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% second generation bio-ethanol from the scraps of the agriculture, Shell Gas to Liquid, CNG, natural gas like methane and electric vehicles powered either by batteries or hydrogen fuel cells. Thanks to the great variety of the fuels and the broad freedom in the technical rules Shell Eco-marathon has a incredibly huge range of technical and stylish solutions, put on track by future designers, technicians and engineers.

IDRA (left) and XAM (right) at Shell Eco-marathon

The competition format aims at raying to simulate everyday conditions a vehicle might find itself while being used in a big city, so the average speed around the track is generally around 25 km/h. This average is due to the fact that rules oblige participants to cover the distance of 16,117 km of the track in less than 39 minutes (exceeding that time invalidates the achieved result).

In these terms thinking of a race strategy becomes a must. Our Team Members constantly communicate during the race with the driver in order to provide him or her the necessary information in order to use as less fuel as possible. The most efficient vehicle in its category wins by achieving that goal.

Don’t think that, due to the low speed and the apparently worse performances, with all due respect to motorsport vehicles, Shell Eco-marathon might feel a boring or not fascinating race. Participants live every single run (4 attempts during 3 racing sessions) feeling their hearts pounding. Those will be the longest 39 minutes  that they will ever experience.

Deep differences but a common goal, work together for a sustainable mobility, against pollution and the growing congestion of our cities, building in new generations the idea of a cleaner world even though following different paths.

Team H₂politO is involved, with Shell Eco-marathon, as Formula E to accelerate this change. Are you?

Team H2politO at Shell Eco-marathon 2014

La Formula E come la Shell Eco-marathon: la competizione come base per il futuro della mobilità

Può un campionato mondiale FIA essere paragonato ad una competizione internazionale di studenti? Possono essere messi sullo stesso piano “bolidi” da oltre 270 CV e “veicoletti” da 1 kW pensati per  consumare meno possibile? La risposta è: sì è possibile, e no, non siamo completamente pazzi: parliamo di Formula E e della Shell Eco-Marathon.

Formula E (sinistra) e Shell Eco-marathon (destra)

Ma occorre procedere con ordine.

La Shell Eco-marathon, a cui il Team H₂politO partecipa orgogliosamente dal 2008, è una competizione, destinata a studenti dell’Università e delle Scuole Superiori, il cui obiettivo è progettare veicoli, sia prototipi che “urban concept” (quasi auto da città), la cui prestazione in gara è valutata in termini di minor consumo in termini energetici e non della sola posizione in classifica raggiunta grazie alla velocità. Questa competizione, per ovvi motivi logistici e di budget dei partecipanti, esiste in tre differenti continenti: in Europa, che quest’anno arriva al traguardo della 30^a edizione, Asia ed America, queste ultime due storicamente più giovani. Il Team H₂politO prende parte alla Shell Eco-marathon Europe che si svolge da quattro anni nel circuito cittadino realizzato attorno all’Ahoy Arena di Rotterdam (Paesi Bassi) con i suoi veicoli IDRA e XAM, presentati le scorse settimane all’interno di questo blog.

La Formula E, neonata nell’elenco dei campionati FIA, è la prima competizione di velocità per monoposto totalmente elettriche che, introdotta nel settembre di quest’anno, correrà nel “cuore” di alcune delle più grandi città del mondo tra cui: Londra, Pechino e Miami. L’obiettivo di questa gara è, come da tradizione nelle competizioni motoristiche, stimolare lo sviluppo di nuove soluzioni per auto stradali partendo dall’esperienza della pista. Nello specifico, trattandosi di auto elettriche, la Formula E si prefigge di stimolare l’interesse e la ricerca in questo particolare ambito, sensibilizzando il grande pubblico alle tematiche della mobilità sostenibile.

Ed è proprio questo obiettivo che, secondo il Team H₂politO, lega profondamente le due competizioni. Anche la Shell Eco-marathon, infatti, si propone di “continuare ad alimentare il dibattito sul futuro della mobilità e ispirare gli studenti a spingere sempre più lontano i confini dell’efficienza energetica. E uno dei nostri contributi è la continua revisione e aggiornamento delle regole della competizione, che riflette le nuove tendenze sia nel settore automobilistico che in quello delle compagnie energetiche”. Inoltre, oltre alla competizione, la Shell e le aziende partner della Shell Eco-marathon organizzano, nei luoghi e nei giorni dell’evento, un’esposizione denominata Shell Energy Lab, in cui visitatori di ogni età vengono coinvolti in attività che rappresentano un viaggio educativo nel futuro dell’energia, tecnologia e mobilità.

Il confronto tra il video di lancio della Formula E e quello del Team H2politO 

usato per la candidatura al Communication Award della Shell Eco-marathon 2014

Le differenze nei contenuti tecnici con cui le due competizioni  si prefiggono di arrivare al comune obiettivo sono, ovviamente, completamente differenti.

La Formula E, per il suo primo anno di competizioni, ha infatti scelto una macchina unica,  la Spark-Renault SRT_01E, con cui i diversi concorrenti si metteranno alla prova. Una monoposto spinta da due motori elettrici McLaren Electronics Systems, leader nel settore del motorsport, che insieme alle batterie fornite da Williams Advanced Engineering, parte del gruppo Williams che include anche il prestigioso team di F1, forniscono una potenza massima di 200 kW (270 CV) in qualifica, mentre in gara la potenza viene ridotta a 150 kW (202.5 CV) per garantire la massima durata in gara e che può essere portata a 180 kW (243 CV) per 5 secondi  al giro per mezzo di un’innovativa interazione con i social networks, che permette al pubblico di interagire con la gara votando per il proprio pilota preferito. Nonostante questa riduzione di potenza il pilota è obbligato dal regolamento a fermarsi ai box per cambiare auto durante la gara, creando quindi interessanti spunti sulla strategia di gara e sulla gestione dei motori elettrici, capaci di prestazioni di tutto rispetto: accelerazione 0-100 km/h in 3 secondi e velocità di punta di 225 km/h, e tutto senza emettere un grammo di CO₂. Grande attenzione è stata anche dedicata all’aerodinamica, studiata ad hoc per favorire i sorpassi, al telaio e alla carrozzeria. Questi ultimi, progettati dalla celebre azienda italiana Dallara, sono conformi agli stessi standard di sicurezza della Formula 1 e realizzati in alluminio, fibra di carbonio e kevlar, garantendo eccezionali risultati in materia di riduzione di peso.

La Spark-Renault SRT_01E

Come anticipato questa è stata la scelta per il primo anno di attività, dalla prossima stagione il “circus” della Formula E potrà aprirsi a nuove scelte progettuali  volte maggiormente alla competizione ingegneristica. Non si è che all’inizio di una nuova specie di competizioni di velocità.

La Formula E a Londra

Le vetture impegnate alla Shell Eco-marathon sono invece sono profondamente diverse. Innanzitutto alla competizione prendono parte due diverse categorie di vetture: prototipi, vetture estreme come la nostra IDRA, e Urban Concept simili a XAM, ed entrambe le categorie si suddividono ulteriormente in base all’alimentazione. Vi sono infatti : motori a combustione interna,  ibridi e non di cui per combustibile Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) ovvero veicoli a benzina, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% Bio-Etanolo di seconda generazione, ovvero di derivazione da scarti di produzioni alimentari, Shell Gas to Liquid, CNG, gas naturale simile al metano, e veicoli elettrici alimentati a batterie o ad idrogeno. Data la grande varietà di possibili motorizzazioni e la libertà regolamentare data dal regolamento della Shell Eco-marathon si ha un’incredibile varietà di soluzioni stilistiche e tecniche, messe in campo dai futuri progettisti, ingegneri e tecnici che partecipano in qualità di studenti alla gara.

IDRA (sinistra) e XAM (destra) alla Shell Eco-marathon

Il format della competizione gara è fatto per essere rappresentativo per un veicolo in marcia in una grande città, dunque la velocità media è di circa 25 km/h, tipica di un grande centro urbano. Questa velocità impone il tempo massimo di gara, i partecipanti devono infatti percorrere i 16,117 km del tracciato in meno di 39 minuti, pena cancellazione del risultato. E attenzione, qui non si parla di chi taglia per primo il traguardo o di chi raggiunge la maggiore velocità, il risultato in classifica è dato dal consumo energetico equivalente misurato in km per litro di benzina, oppure in km/kWh,in modo da confrontare anche diverse categorie. Diventa dunque di fondamentale importanza la strategia di gara, oltre alla validità del progetto, curata come ogni aspetto tecnico dai ragazzi del nostro Team, che comunicano costantemente con il pilota per fornirgli le indicazioni necessarie, proprio come succede in un Team di Formula E.  Il più efficiente vince, con un premio dedicato ad ogni fonte di energia e categoria. Non si pensi che, data la bassa velocità e le “prestazioni” apparentemente  inferiori rispetto a veicoli da competizioni velocistiche, sia una gara poco appassionante. I partecipanti vivono ogni singolo run di gara (4 i tentativi disponibili in 3 sessioni di gara) con il cuore in gola, e sono i 39 minuti più lunghi che abbiano mai vissuto.

Profonde differenze ma un obiettivo in comune dunque, lavorare insieme per una mobilità sostenibile, contro l’inquinamento e il congestionamento delle nostre città, verso un mondo migliore e più pulito, anche se con metodi diversi. Il Team H₂politO è impegnato, con la Shell Eco-marathon, come  la Formula E per accelerare questo cambiamento. E voi?

Il Team H2politO alla Shell Eco-marathon 2014

Race on the track dreaming the road: XAM, the 120 km/l urban concept

eXtreme Automotive Mobility or, in other words, XAM. This is the name of ours Urban Concept, designed and built in 2011 that in May 2015 will blow out its fifth candle, reaching one lustrum of activity. As the name suggests XAM is a very particular vehicle, in fact it has been designed to join, in conformity with the rules of the competition, features of urban vehicles and innovative solutions with the aim of reaching the best result in race, i.e. the best fuel efficiency. For this reason XAM is for sure the vehicle, among the participants to Shell Eco-marathon (SEM), that is closer to a real city car and, as many box visitors suggest, probably the best-looking one.

XAM in action on the track at the Shell Eco-marathon 2014

Let us take a closer look. First of all XAM, as IDRA, takes part to Shell Eco-marathon. But, unlike the prototype presented last week on this blog, it competes in Alternative Fuels Urban Concept category, i.e. hybrid vehicles fueled with second generation bio-ethanol (E100). This category has been introduced to induce Shell Eco-marathon Teams to design and put on the track vehicles more similar to the ones that we see every day in our cities. In fact the race format too reflects this will to get closer the competition to what happens on the roads. So the competing vehicles must run the 1.6117 km long street circuit for a total of 10 laps, at the end of which must execute a start & stop procedure, as it was a traffic light. This distance must be covered in a maximum of 39 minutes, i.e. with an average speed of 25 km/h, that represents a typical value of average speed in the downtown of a big city.

The track surrounding the Ahoy Arena (Rotterdam, Nederland)

where is run the Shell Eco-marathon

From the technical point of view XAM is a parallel hybrid vehicle (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), i.e. it has an electric engine that takes charge of the acceleration phase, while a 50cc Honda scooter adapted internal combustion engine is dedicated to the maintenance of the cruise speed and to the regeneration of supercaps. This latters aren’t conventional batteries but capacitors with very high capacitance. This because, despite of the apparent drawback of having very little discharge time, they have a higher specific power with respect to a traditional battery stack and minimum recharge time, fundamental during the race as for the regulation the accumulators must have the same state of charge at the beginning and at the end of the run, for this reason having little recharge time means less work by the engine and, obviously, better fuel efficiency. The two engines are coupled to the same fixed transmission ratio transmission, designed and optimized as a whole in the Team. By the way, the most critical component for the performance in the competition, i.e. the fuel efficiency, is the thermal engine for its relatively low efficiency. A standard thermal engine has an efficiency (the ratio between the useful energy output and the energy spent for the operation) around 30 % indeed, while an electric motor is between 85% and 90% of efficiency.

For this reason is fundamental to optimize every aspect of XAM’s bio-ethanol engine, done through experimental test on both fuel efficiency and ECU mapping on our Engine Test Bench in the Dipartimento di Energia’s Lab by the Powertrain area Members of Team H2politO. This tests give the data for the dimensioning of intake and exhaust too.

For the optimization of the powertrain in the 2013/2014 campaign XAM has been object of a complete revolution in its “heart”. In fact the older 35 cm3 Honda engine, adapted from a mower, has been substituted by the actual unit: a 50 cm3 engine coming from the Honda Vision scooter, tuned to be mounted on the test bench and on the car and to improve its performance during the race.
Moreover XAM is equipped with special Michelin tires, capable of a very low rolling resistance coefficient, a very important contribution to the breakdown of the consumption.

In May 2014 we had some problems and malfunctions but we made a satisfying result: 120 km/l and new fuel efficiency record for XAM on the street circuit of Rotterdam. But the new engine didn’t performed at its whole potential, Team’s will to improve is huge and we hope that, with the new updates for the 2015 season we’ll go far and we hope that the dreamed 200 km/l achievement would be attained.

Correre in pista sognando la strada: XAM, l'urban concept da 120 km/L

eXtreme Automotive Mobility o, in altre parole, XAM. E’ questo il nome del nostro Urban Concept progettato e costruito nel 2011 e che a maggio 2015 spegnerà la sua quinta candelina, sancendo un lustro di attività. Come suggerisce il nome si tratta di un veicolo molto particolare, in quanto è stato concepito per unire, nel rispetto del regolamento della competizione, caratteristiche direttamente confrontabili con auto cittadine e soluzioni innovative ma con l’obiettivo di raggiungere un ottimo risultato in gara, ovvero avere la massima efficienza. Infatti, tra i partecipanti alla Shell Eco-Marathon (SEM), XAM è senza ombra di dubbio il veicolo che più si avvicina ad una vera citycar e, come suggeriscono i molti visitatori del box del Team, probabilmente la più bella.

XAM in azione sul tracciato della Shell Eco-Marathon 2014

Ma vediamola più da vicino. Innanzitutto XAM, come IDRA, partecipa alla Shell Eco-Marathon. Ma, a differenza del prototipo, già presentato su questo blog la settimana scorsa, concorre nella categoria Alternative Fuels Urban Concept, ovvero veicoli ibridi alimentati da bioetanolo di seconda generazione. La categoria è stata ideata per far presentare ai Team impegnati nella competizione veicoli più vicini a vere city car, infatti  anche la gara ricalca questa volontà di avvicinare la competizione a quello che accade sulle nostre strade cittadine, infatti i veicoli partecipanti devono percorrere il tracciato cittadino di 1,6117 km per un totale di 10 giri, eseguendo al termine di ognuno una procedura di start & stop, proprio come se si trattasse di una fermata ad un semaforo. Questa distanza va inoltre percorsa in meno di 39 minuti, ovvero mantenendo una velocità media di circa 25 km/h, che rappresenta la velocità media tipica di un grande centro urbano.

Il tracciato dell'Ahoy Arena sul quale si corre la Shell Eco-Marathon

Dal punto di vista tecnico XAM è un veicolo ibrido parallelo (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), ovvero un motore elettrico si occupa della trazione in fase di accelerazione, mentre un motore a combustione interna (derivato da uno scooter 50 cc e fornito da Honda Italia) è dedicato al mantenimento della velocità di crociera e alla ricarica dei supercap. In particolare questi ultimi non sono, ovviamente, delle convenzionali batterie ma dei condensatori di capacità molto elevata, questo perché, nonostante l’apparente svantaggio di avere tempi di scarica molto ridotti, consentono di avere una potenza specifica molto maggiore di un pacco batterie convenzionale e tempi di carica minimi, aspetto fondamentale per la competizione in quanto gli accumulatori devono, per regolamento, possedere lo stesso livello di carica alla partenza e all’arrivo e tempi di carica minori significa meno lavoro del motore termico e, ovviamente, minori consumi. I due motori sono accoppiati alla stessa trasmissione a rapporto fisso, progettata ed ottimizzata interamente dal Team. Ovviamente il componente che maggiormente influenza il risultato di gara è il motore termico, per via della sua bassa efficienza, infatti  basta pensare che un motore termico standard ha un rendimento (cioè il rapporto tra energia utile sviluppata ed energia spesa per il funzionamento) di circa il 30%, mentre per un motore elettrico è del 85-90% . Per questo motivo è di fondamentale ottimizzare ogni aspetto del motore a bio-etanolo di XAM, obiettivo che viene raggiunto grazie a prove di consumo e mappature della centralina controllo motore effettuate sul nostro banco prova presente nel Laboratorio del Dipartimento di Energia e condotte dai ragazzi dell’area Powertrain del Team. Le prove forniscono anche i dati per il dimensionamento dei sistemi di aspirazione e scarico ma anche della trasmissione.

E’ anche per l’ottimizzazione del powertrain che, nella stagione 2013/14, XAM ha subito una profonda rivoluzione per quanto riguarda il suo “cuore” passando da un motore 35 cm3 derivato da un tosaerba ad un’unità 50 cm3 proveniente dallo scooter Honda Vision, adattato per essere montato a banco e a bordo veicolo per migliorarla le performance del veicolo alla competizione.

XAM inoltre è equipaggiata da speciali pneumatici, forniti da Michelin, a bassissimo coefficiente di resistenza al rotolamento che danno un importante contributo all'abbattimento dei consumi.

A maggio 2014 non sono mancati i problemi e i malfunzionamenti, ma il risultato è stato soddisfacente: 120 km/L e nuovo record di consumi per XAM sul circuito cittadino di Rotterdam. Ma il nuovo motore non ha ancora avuto occasione di dimostrare completamente il suo potenziale, la voglia di migliorare del Team è tanta e, speriamo che, con gli aggiornamenti previsti per il 2015 si riesca ad andare lontano e si possa raggiungere i tanto sognati 200 km/L.

Da Torino a Mosca: 3023 km con un litro di benzina. Impossibile? No, IDRApegasus!

Iniziamo a raccontare i nostri veicoli, e partiamo da  IDRA.

Proprio in questi giorni, infatti, IDRApegasus ha ceduto il testimone alla sua “mamma” IDRA11 in quanto non più conforme al regolamento tecnico della SEM del 2015 ed è andata in esposizione al Museo dell’Automobile di Torino. Ci piace l’idea di “celebrarla” cercando di fare conoscere cosa si nasconde “dentro” un prototipo ad alto contenuto tecnologico.

IDRApegasus e IDRA11 Si passano il testimone al Museo dell'Automobile di Torino

IDRApegasus ha partecipato alla SEM nella categoria prototype, dedicata a veicoli molto spinti a livello di progettazione, soprattutto in termini di ingombri e alleggerimenti, e, in particolare, nella categoria “a idrogeno”, il che vuol dire utilizzare una Fuel Cell.  

IDRApegasus ha infatti una fuel cell da 1 kW alimentata da idrogeno gassoso, la cui corrente elettrica prodotta alimenta un motore elettrico da soli 200 W ed è stata capace di ottenere un consumo di 3023 km con l’equivalente energetico di un litro di benzina. I risultati della competizione vengono infatti convertiti da km/kWh a km/L in modo da essere più comprensibili a tutti. 

L’elettronica di controllo del motore elettrico e della fuel cell è stata sviluppata all’interno del Team, con una scheda di attuazione che gestisce il flusso di corrente dalla cella al motore elettrico, ventola di reazione e raffreddamento e una scheda di sicurezza che è in grado di monitorare il livello di idrogeno, ai fini della sicurezza, eventualmente presente nel vano motore e, in condizioni di emergenza, è in grado di spegnere il veicolo. A questo si aggiunge un’interfaccia HMI (Human Machine Interface) montata nell'abitacolo che è in grado di fornisce al pilota le informazioni necessarie durante la competizione e un sistema di telemetria.

La strategia di gara è una componente molto importante ai fini del risultato e proprio per ridurre i consumi è stato sviluppato un sistema che permette di disaccoppiare il motore e la ruota motrice per ridurre gli attriti durante delle fase di Coast-Down, in cui si spegne il motore e si procede grazie alle azioni di inerzia. Sempre per la riduzione degli attriti, e quindi avere un’elevata efficienza del veicolo, i cuscinetti e tutti i componenti rotanti sono ottimizzati.

IDRApegasus nella sua ultima apparizione alla SEM 2014

La massa complessiva di IDRApegasus è di soli 33 kg, traguardo raggiunto grazie alla realizzazione di una monoscocca portante in fibra di carbonio sulla quale sono integrati i diversi sottosistemi del veicolo. La scocca è divisa in tre parti, una centrale e due coperture, anteriore e posteriore, che permettono di accedere alle ruote e al vano posteriore dove è posizionato il powertrain. Naturalmente sono presenti superfici “vetrate” in grado di assicurare una buona visibilità al pilota,  richiesta per superare i check tecnici prima della competizione.

L’aerodinamica esterna è stata concepita per minimizzare il Cx e la sezione frontale e cercando di generare una deportanza nulla E proprio in quest’ottica le ruote anteriori sono state carenate all'interno del corpo vettura e montate con un angolo di camber di -8°.

La ruota sterzante è posteriore e il pilota controlla il veicolo attraverso uno sterzo ad asse verticale. Il regolamento SEM 2015 prevede tuttavia un sistema sterzante sulle ruote anteriori, rendendo appunto non più conforme IDRApegasus.

Si riparte quindi da qui per cercare di migliorarsi ancora come Team e sviluppare un altro veicolo per il 2015 altrettanto competitivo, implementando il know-how acquisito fino ad adesso e ponendoci nuove sfide e obbiettivi, ma per iniziare abbiamo riportato a “casa” dal Museo IDRA11, la “mamma” di IDRApegasus.

IDRA11 da Lausitz vuole gareggiare a Rotterdam

On your marks, get set, go!

We were talking about it for monts. We understood that, after 6 years of activity, a blog would represent another way to tell our story.

No more constrained by the shortness of Facebook, and by the officiality of our website, but free to express creatively who we are and what we want to do.

Along these years we’ve been defined in many ways: madmen, inventors, recommended, loiterers and who knows how many others. No one, or maybe a few, gave the correct definition, because is really complicated to find the right one. First of all, we are students of Politecnico di Torino. We always begin from the premise that we do not know anything, and this consciousness pushes ourselves to carry out the most noble act as human being: learn.

The learning and growing path it’s seldom easy, but the opposite. Mistakes are always present, sometimes they are preparatory and make us grow up and fill our “backpack” with experience.

Second, we are in our own small way engineers. We are lucky to implement in practice what our professors of Poli teach us every day in the lectures. But it’s not only this: we have the wonderful possibility to directly and constantly match with high level enterprises and professionals. These opportunities trains every single Team member both in the professional point of view and in the personal one.

Last but not least we are dreamers. A celebrated Formula One driver used to say “It’s necessary to dream, but in the dream must be catch a glimpse of reality”: this it’s what we do. We dream about giving our personal contribution to the future of automotive and we do dream to participate to that historic change that will lead at a totally different way to conceive the automotive world. We do not want to be spectators anymore, but directors of a new sustainable mobility.

This is Team H₂politO, this is our essence.

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