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.