F1 Power Unit
ARCHITETTURA DEI PROPULSORI ADOTTATI IN FORMULA 1 DAL 2014
I nuovi motori della F1, introdotti nel 2014, sono detti Power Unit, a sottolineare il fatto che il termine Motore (Engine) è diventato obsoleto. Si parla, infatti, di Power Unit turbo-ibride, pur sempre basate su motori termici sebbene differenti e più performanti. Le Power Unit utilizzano motori a combustione interna a V6 da 1.6 L (1600 cm3) che garantiscono un’efficienza termica migliore dei classici motori termici V8 utilizzati in passato; in questo modo la potenza è stata portata a oltre 1000 cavalli contro i circa 750 del V8. Le Power Unit, però, non sono solo costituite da un motore termico a combustione interna ma anche da due motori elettrici e da una complessa architettura di gestione atta a migliorare l’efficienza dell’intero sistema.
Figura 1 – Ferrari 312 T2 – 1977 – Niki Lauda
Certamente è una soluzione che non verrà adottata sui motori ibridi delle auto stradali, essendo molto complesse e costose.
I principali aspetti positivi ottenuti dalla rivoluzione ecologica in F1 sono:
- Il risparmio energetico.
- La riduzione delle emissioni di gas inquinanti (la CO2).
- La riduzione dei consumi di carburante. I nuovi motori da 1,6 litri, rispetto a quelli vecchi da 2,4 litri, consumano ben il 40% in meno di carburante (benzina). Grazie alle nuove tecnologie, le nuove vetture, per completare la gara consumano non più di 100 kg di benzina e, nello stesso tempo riescono a garantire prestazioni superiori (grazie ai moto-generatori elettrici in grado di sovralimentare la camera di combustione).
- La diminuzione di inquinamento acustico. Il rumore acustico, infatti, i nostalgici del V8 rimpiangono il caratteristico rumore emesso.
Ci sono, certamente, degli aspetti negativi:
- Le Power Unit sono macchine molto complesse che costringono i piloti a “gestire” l’energia a disposizione lungo tutto l’arco di una gara e le squadre ad allestire una specie di “rosa allargata” (e costosa) di tecnici, tutti dedicati ad analizzare i dati in tempo reale e supportare il pilota nell’utilizzo del motore ibrido.
- I costi sono decisamente più elevati.
FORME DI ENERGIA E RENDIMENTO DI UN MOTORE
Il motore è una macchina che produce energia meccanica e nel valutarne il rendimento (l’efficienza) occorre analizzare la forma di energia in ingresso. Nel caso delle automobili il motore è un motore termico, ovvero un motore a combustione interna alimentato con combustibile (benzina, gasolio, gas liquido, idrogeno da bruciare, etc.), l’energia in ingresso è di tipo chimico. Nel motore a scoppio, grazie alla combustione, l’energia chimica viene convertita in energia termica (calore). L’energia termica, a sua volta, fa aumentare la pressione dei gas sul pistone provocandone lo spostamento nel cilindro; il pistone mobile, infine, fa ruotare l’albero a gomiti, che alla fine aziona le ruote del veicolo attraverso il sistema di ingranaggi: avviene, quindi, la trasforma in energia meccanica, cioè in una forza per uno spostamento oppure in una coppia per numero di giri. In definitiva, un motore termico utilizza il calore come vettore energetico per la produzione di lavoro meccanico (eventualmente poi convertito in corrente elettrica).
En. Chimica 🡪 [combustione] 🡪En. Termica
En. Termica 🡪[espansione/compressione GAS] 🡪 En. Meccanica
Il rendimento di un motore termico è il rapporto tra l’energia meccanica prodotta L (energia che finisce alle ruote per muovere il veicolo, lavoro utile) e l’energia spesa Einput (energia consumata dalla combustione) in un trasferimento energetico:
η = < 1
Dove:
η (eta) è il rendimento
L è il lavoro
Einput è l’energia in ingresso
Il rendimento può assumere solo un valore positivo inferiore a all’unità in accordo con il Secondo Principio della Termodinamica. Tanto più alto è il rendimento, tanto maggiore è l’efficienza del motore e tanto minori sono gli sprechi (le perdite). In effetti, parte dell’energia in ingresso viene, inevitabilmente, persa, e quindi si può scrivere la seguente espressione, in accordo con il principio di conservazione dell’energia e il Primo Principio della Termodinamica:
L = Einput – Eoutput
Il lavoro è esprimibile come differenza tra energia fornita alla macchina e l’energia ceduta dalla macchina all’esterno, ossia quella andata persa durante il processo di combustione.
Possiamo, infine, scrivere la seguente espressione:
η =
Il rendimento di un motore termico tradizionale non supera il 30-35 %, il che vuol dire che di tutta l’energia resa disponibile dal combustibile solo un terzo va alle ruote motrici. Il resto va tutto in perdite dovute agli attriti interni, al raffreddamento e ai limiti di conversione dell’energia termica (inviolabili quanto il secondo principio della termodinamica).
Le moderne architetture delle Power Unit di F1, introdotte nel 2014, puntano a massimizzare l’efficienza migliorando le prestazioni dei propulsori avendo sempre un occhio di riguardo alla sostenibilità.
IL MOTORE IBRIDO
Un motore ibrido è un propulsore in cui al tradizionale motore a combustione interna si affianca un motore elettrico. I vantaggi che nascono da quest’affiancamento sono dovuti ai seguenti due importanti concetti:
- L’elevato rendimento del motore elettrico. Un motore di questo tipo può raggiunge rendimenti prossimi al 90% molto più elevati di un motore tradizionale. Utilizzare un motore a rendimento più elevato non è sufficiente a giustificare l’efficacia della soluzione ibrida, infatti, per ottenere dal motore elettrico una quantità di energia apprezzabile per una gara di un’ora e mezzo questo dovrebbe essere alimentato da batterie enormi.
- La reversibilità del motore elettrico (più importante del rendimento). Il motore elettrico, infatti, può funzionare anche all’inverso, cioè come generatore.
IL RECUPERO DELL’ENERGIA
La reversibilità del motore elettrico consente di utilizzare le batterie per alimentare il motore e fornire potenza alle ruote (durante la fase di accelerazione), mentre quando le ruote girano senza assorbire potenza, ovvero in fase di frenata, le batterie vengono ricaricate grazie all’energia elettrica prodotta dal motore. È questo il principio chiave che rende il motore elettrico un efficiente sistema per recuperare quell’energia (detta cinetica), che altrimenti andrebbe dispersa sotto forma di calore sviluppato tra pastiglie e dischi dei freni.
L’APPLICAZIONE DELLA SOLUZIONE IBRIDA IN FORMULA 1
Se la teoria è abbastanza complessa, l’applicazione pratica nei propulsori utilizzati sulle vetture risulta essere assai complessa. Intanto i motogeneratori (MGU, un acronimo divenuto familiare, volenti o nolenti) sono due, e non uno solo. Inoltre, la gestione dell’energia durante tutta la durata di un Gran Premio è diventata un fattore strategico fondamentale, controllato da un sistema software molto complesso.
Figura 2 – Motore V6 e batteria di Mercedes AMG
Figura 3 – FERRARI F1 2023 – SF 23
ARCHITETTURA E COMPONENTI DI UNA POWER UNIT
Le Power Unit introdotte nel 2014 sono state una delle più consistenti rivoluzioni che hanno investito la F1, e le loro continue evoluzioni rendono molto complesso lo studio del funzionamento del propulsore.
La Power Unit è un insieme di componenti elettromeccanici interconnessi che ha il compito di accumulare l’energia che altrimenti andrebbe dispersa, come purtroppo accade in tutti i motori termici tradizionali.
I dispositivi fondamentali di una moderna Power Unit (PU) ibrida sono i seguenti:
L’ICE – IL MOTORE TERMICO
L’ICE (Internal Combustion Engine, motore a combustione interna), è il tradizionale motore termico, la parte più “classica” di tutta l’unità propulsiva; il suo funzionamento è quello tipico dei motori a scoppio sovralimentati. Il propulsore turbo benzina è il componente principale in cui viene pompato il carburante e che produce la maggior parte della potenza. L’ICE trasforma l’energia termica in energia meccanica. Il movimento dei pistoni genera la rotazione dell’albero motore che di conseguenza trasmette il moto alle ruote. Una giusta miscela di aria e carburante viene inserita nel cilindro dove la compressione della camera di combustione fa esplodere la miscela che fornisce la spinta necessaria al pistone per proseguire il proprio moto. Nella fase di “scarico”, i gas caldi vengono espulsi dal cilindro e si dirigono verso lo scarico (Exhaust). La PU utilizza l’energia chimica immagazzinata nel serbatoio (sotto forma di combustibile).
Al motore termico ICE, sistema fondamentale della Power Unit, si affianca anche un turbo-compressore TC, per migliorarne l’efficienza, e gli scarichi (EX, Exaust).
IL TURBO-COMPRESSORE – TC
L’unità Turbo-Compressa TC (Turbo Charger, il turbocompressore), composta da una turbina (lato caldo o lato di scarico) e da un compressore (lato freddo o lato di aspirazione) cablati sullo stesso asse, è un sistema meccanico in grado di sovralimentare il motore a combustione interna.
I gas caldi, provenienti dallo scarico (exhaust gas), raggiungono la turbina mettendola in rotazione (il funzionamento è simile a quello di una pala eolica, ma molto più piccola e con regimi di rotazione molto più elevati): la turbina raccoglie l’energia dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica. La turbina, infine, essendo cablata sullo stesso asse del compressore (che ha esattamente il compito opposto), mette in rotazione anche quest’ultimo; l’aria esterna, in questo modo, viene aspirata e compressa dal compressore per poi essere spinta nelle camere di combustione con una pressione tanto elevata quanto richiesto dal regime di rotazione del motore. In questo modo si migliora l’efficienza della miscela (sovralimentazione) che esploderà in camera di combustione.
Per chi ricorda i turbo che hanno (splendidamente) caratterizzato gli anni ‘80 o per chi possiede una macchina turbodiesel anche questo è un amico di vecchia data. Stavolta ce n’è uno solo, montato sull’unico collettore di scarico consentito; trent’anni fa le “turbine” erano due.
ERS – IL MOTORE ELETTRICO
Accanto alla parte termica c’è l’ERS (acronimo di Energy Recovery System, sistema di recupero dell’energia), che verrà profondamente rivisto dal 2026 in avanti, quando verranno modificate in toto le Power Unit. Grazie all’aggiunta del sistema ERS, le moderne Power Unit di Formula 1 possono utilizzare meno carburante e fornire più potenza rispetto ai vecchi propulsori convenzionali. L’ERS è composto da due motogeneratori elettrici (MGU-H e MGU-K), da un pacco batteria (ESS) e da una logica di controllo (MGU Control Unit).
ESS – LA BATTERIA
Il pacco batteria, denominato ESS (Energy Storage System), è costituito da una serie di celle agli ioni di Litio ed è situato tipicamente nella parte bassa del telaio. Il suo compito è di immagazzinare l’energia elettrica generata dai motogeneratori e di rilasciarla per alimentare tutta la parte elettrica. La F1 spinge affinché le case costruttrici sviluppino batterie sempre più piccole e con capacità maggiore.
MGU-K – IL MOTOGENERATORE CINETICO
MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic, motogeneratore “cinetico”) è una evoluzione del sistema KERS (Kinetic Energy Recovery System) introdotto nel 2009 ed è montato sull’albero motore a benzina ed è in grado di fornire potenza direttamente alle ruote per un massimo di 120 kW, l’equivalente di circa 163 cavalli, pari approssimativamente al 16% della potenza totale della Power Unit.
L’MGU-K è un motogeneratore elettrico che durante la fase di frenata recupera energia cinetica convertendola in energia elettrica nell’accumulatore e, nelle fasi in cui è richiesta potenza, agisce da motore, ovvero, trasferisce l’energia accumulata nelle batterie alle ruote posteriori (grazie al fatto che è collegata all’albero del motore termico).
Tra le due unità elettriche, MGU-K e MGU-H, questa è quella più importante e più grande: è l’unità che più caratterizza un motore ibrido, è esattamente come l’elemento presente sulle vetture stradali. Con questo sistema, le monoposto di Formula 1 hanno virtualmente zero turbo-lag (ritardo con il quale il sistema è in grado di generare sovralimentazione; in pratica, è il tempo che trascorre da quando il pilota preme sul pedale acceleratore e quando il turbo riesce ad accelerare fino a generare pressione nel suo compressore centrifugo).
Figura 4 – F1, Motori Turbo Ibridi: MGU-K
MGU-H – IL MOTOREGENERATORE CALORICO
MGU-H (Motor Generator Unit-Heat, motogeneratore “calorico”), che andrà a sparire dal 2026, è l’altro motogeneratore, uno degli esperimenti peggio riusciti della “svolta ibrida” in quanto è costoso, complicato da controllare e finora solo la Mercedes ne ha proposto un utilizzo su vetture di serie.
L’MGU-H è un motogeneratore elettrico, cablato sullo stesso albero del TC (ruota alla stessa velocità della turbina), che recupera energia termica dai gas di scarico convertendola in energia elettrica nell’accumulatore o fornendola alla MGU-K (permettendo a quest’ultima di trasferire l’energia/coppia alle ruote posteriori) e, nelle fasi in cui è richiesta potenza, agisce da motore, ovvero, trasferisce l’energia accumulata nelle batterie all’albero del TC (sotto forma di coppia) per controllarne la velocità.
Come detto, l’MGU-H funziona anche da sistema di controllo del turbo, accelerandolo o rallentandolo a seconda delle richieste del pilota. Questo è utile, in quanto, il TC di un motore termico soffre di un problema molto difficile da risolvere che influenza in modo negativo le prestazioni, ovvero il turbo-lag, lentezza nella risposta ai transitori (variazioni di velocità: accelerazioni e decelerazioni). Tradotto letteralmente significa “ritardo del turbo”. Quando il pilota viaggia con l’acceleratore non azionato, il flusso di miscela in camera di combustione è minimo e questo genera una catena di eventi che portano al turbo-lag. Se il flusso di miscela è minimo, allora saranno minimi anche i gas caldi che alimentano la turbina, che di conseguenza avrà una rotazione più bassa. Una turbina con regimi di rotazione bassi implica che il compressore lavora a regimi molto inferiori rispetto a quelli ottimali e non comprime a dovere l’aria da inviare al motore. Quando il pilota aziona completamente il pedale dell’acceleratore, avrà una risposta meno pronta da parte del motore che dovrà prima raggiungere le condizioni ottimali per garantire il massimo delle prestazioni.
Per risolvere questo problema è stato aggiunto l’MGU-H, che ha il compito di prelevare energia elettrica dalle batterie e sfruttarla per aumentare il numero di giri della turbina (fornisce coppia al TC per riuscire a compensare il turbo lag) che di conseguenza porterà subito a regime ottimale il compressore garantendo una risposta pronta al comando dell’acceleratore.
Figura 5 – F1, Motori Turbo Ibridi – MGU-H
| Motore | Motore termico | MGU-K | MGU-H |
| Tipologia | A combustione interna da 1,6 litri con 6 cilindri a V (90° V6 1600cc) da | Elettrico | Elettrico |
| Velocità massima [rpm = Giri al minuto] | 15.000 (circa 650 CV – cavalli) | 50.000 | > 100.000 |
| Potenza [kW] | 478 | 120 | Nessun limite |
| Energia max fornibile alla batteria
[J/lap] to Battery |
// | 2 M | Nessun limite |
| Energia max che può trasmettere alle ruote
[J/lap] to Engine |
// | 4 M | Nessun limite |
NB: L’MGU-H, rispetto al MGU-K deve lavorare a regimi di rotazione molto più alti perché è collegato al TC e non ha limiti imposto dal regolamento sul giro.
| MGU | Energia Recupera |
| MGU K | Energia cinetica durante le frenate |
| MGU H | Energia termica dai gas di scarichi del TC |
MGU CONTROL UNIT – LA CENTRALINA DI CONTROLLO
MGU Control Unit, è la CE, è elettronica di controllo, la complessa centralina elettronica che ha il difficile compito di gestire tutte le azioni dell’intero sistema e che rende possibile lo scambio di energia tra i motori elettrici (tipicamente trifase sincroni), che utilizzano corrente di tipo alternata (AC), e il pacco batterie, che utilizza corrente di tipo continua (DC).
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA MODERNA POWER UNIT DI F1
UTILIZZO DELL’MGU-H
L’MGU-H ha due compiti fondamentali completamente diversi tra loro che entrano in funzione a seconda della situazione in cui si trova il gruppo Turbo Compressore.
Durante il normale funzionamento l’MGU-H funziona da generatore, ovvero recupera energia cinetica in eccesso del turbocompressore e l’accumulata nell’ESS.
Supponendo che il veicolo si trovi nel lungo rettilineo di Monza, con il motore a pieno regime; la turbina ruota al massimo e il compressore comprime aria da inviare al Motore a combustione interna. La rotazione della turbina però non viene sfruttata tutta dal compressore che ha regimi di rotazione leggermente inferiori ed è qui che entra in gioco l’MGU-H. L’energia cinetica in eccesso della turbina viene quindi presa dall’MGU-H che la trasforma in energia elettrica e la deposita all’interno della batteria per poi sfruttarla in un secondo momento.
Terminato il lungo rettilineo di Monza, il pilota si trova davanti alla prima variante, molto stretta e molto lenta. Il pilota frena, percorre la chicane e poi accelera ed è qui che entra in gioco la seconda funzione dell’MGU-H. Prima di spiegare qual è la seconda funzione del motogeneratore, dobbiamo fare un salto nel passato, quando negli anni ‘80 i motori turbo facevano il loro ingresso in Formula 1.
A livello di recupero di energia, il regolamento di Formula 1 non impone limiti.
UTILIZZO DELL’MGU-K
Proprio come il KERS, questo sistema sfrutta la fase di frenata per raccogliere l’energia cinetica (che altrimenti andrebbe persa), trasformarla in energia elettrica e accumularla nella batteria. Il suo compito però, durante la decelerazione, non è così semplice. Per consentirgli di recuperare energia è stato necessario introdurre il sistema “brake-by-wire”, un sistema di controllo elettronico che consente di gestire la giusta forza da applicare alle pinze del freno.
Proprio come l’MGU-H, anche l’MGU-K ha un altro compito, cioè quello di “motore”. In fase di accelerazione, l’MGU-K è in grado di aggiungere una potenza di circa 164 cavalli a quella erogata dal motore a combustione interna (calata durante la frenata) prelevando energia dalle batterie e agendo direttamente sull’albero motore. In questo modo si riduce il turbo –lag. Tuttavia, per gestire meglio la quantità di energia all’interno delle batterie, l’MGU-K è direttamente collegato all’MGU-H e da quest’ultimo può ricevere energia elettrica. A differenza dell’MGU-H, l’MGU-K ha dei limiti imposti per regolamento: non può inviare alle batterie un’energia maggiore di 2MJ/giro e non può erogare un’energia maggiore di 4MJ/giro.
Con il sistema ERS si possono implementare molteplici strategie a seconda delle varie fasi di gara e a seconda della sessione. Per esempio, durante i giri veloci si cerca di minimizzare il laptime, quindi l’energia erogata dalla MGU-K verrà massimizzata, soprattutto nelle prime fasi di accelerazione sui rettilinei. Invece, nei giri di gara si tende ad avere un profilo più bilanciato dove l’energia consumata è uguale all’energia recuperata in modo da mantenere lo State of Charge (SOC) del pacco batterie uguale tra l’inizio e la fine del giro.
In alcuni circuiti dove il recupero in frenata è particolarmente scarso, i team possono anche ricorrere al metodo del Lift and Coast, dove alla fine del rettilineo al pilota viene chiesto di togliere il piede dall’acceleratore per permettere al sistema ibrido di recuperare energia (oltre ad un risparmio di carburante). Questo è il metodo più efficiente di recupero, minimizzando la perdita di laptime.
Per la Formula 1 che verrà si sta pensando ad un’abolizione dell’MGU-H, mentre l’MGU-K avrà il difficile compito di svolgere entrambi i ruoli; tuttavia, non è ancora ufficiale e potrebbero restare entrambi.
Per comprendere meglio il comportamento della Power Unit si consideri il seguente schema equivalente di funzionamento:
Si consideri anche il seguente schema del circuito di Barcellona:
Ora è possibile analizzare il comportamento della Power Unit in quattro zone differenti del circuito.
ACCELERATION PHASE
Da metà del rettilineo fino alla fine la Power Unit si trova in una fase di massima velocità (> 300 Km/h). In questa fase dato che l’acceleratore (THROTTLE) è premuto al massimo e non c’è pressione sui freni (BRAKE), l’MGU-H funziona da generatore e la sua energia non viene fornita alla batteria ma alla MGU-K per fornire potenza alle ruote.
OVERTAKING PHASE
Nella fase di sorpasso, ci si trova nella stessa situazione della precedente fase di accelerazione (acceleratore premuto al massimo e nessuna potenza frenante) però essendo ad una velocità inferiore è necessaria tutta la potenza erogabile dalla Power Unit. In definitiva, l’MGU-H, funziona come nella fase di accelerazione, ma in più, anche la batteria fornisce energia elettrica alla MGU-K. La MGU-K, essendo alimentata sia dalla MGU-H che dalla batteria riesce a fornire una potenza più elevata alle ruote.
BRAKING PHASE
Durante la fase di frenata, i freni sono premuti al massimo, nessuna pressione sull’acceleratore, l’MGU-H non entra in funzione e la coppia, proveniente dalle ruote, viene trasmessa dalla MGU-K alla batteria. In questo modo la batteria viene ricaricata.
EXIT OF BRAKING ZONE PHASE
Durante la fase di uscita da una curva, l’acceleratore non è ancora premuto al massimo e non c’è pressione sui freni ed è la situazione in cui il TC soffre maggiormente del turbo-lag (lentezza di risposta). Per ovviare a questo problema l’MGU-H, collegato al TC, funziona da motore e assorbendo energia dalla batteria fornisce coppia al TC aumentandone la velocità di rotazione.
ESERCIZIO
Studiare il comportamento della Power Unit nel circuito di Monza:
IL SOFTWARE
Il software di gestione risolve varie problematiche sia agli ingegneri che ai piloti, ad esempio, controlla la quantità di energia che i due motogeneratori scambiano le batterie, ne riduce l’utilizzo nel caso in cui il pilota che si trova dietro ad un altro veicolo non riesce a superare (Lift and Coast) per poi riutilizzarla in caso di necessità verso fine gara.
IL “PROBLEMA” DELLA FRENATA
La frenata è ovviamente l’effetto dell’azione sui dischi freno, ma anche dell’inerzia del motore (il cosiddetto freno motore che tutti noi sperimentiamo quando scaliamo marcia prima di una curva) e adesso anche dall’inerzia dei motogeneratori. E quant’è l’inerzia dei motogeneratori? Dipende proprio da quanta energia stanno recuperando. Come si fa allora a far sì che un pilota che preme sul pedale sappia che coppia frenante effettiva aspettarsi? Anche qui: ci vuole un software, che in funzione dell’inerzia dei motogeneratori sia in grado di calcolare la giusta forza da dare alle pastiglie dei freni. Un po’ di forza in più e il pilota si gira in ingresso di curva, un po’ di forza in meno e fa un bel lungo in via di fuga.
E per gli scambi di energia (permessi) tra i due motogeneratori? Per la gestione della sovralimentazione del turbo? Ancora e sempre software.
IL REGOLAMENTO
I motori termici dei veicoli di F1 devono essere sovralimentati (cioè utilizzare il turbo), avere una cilindrata di 1600 cc frazionata su 6 cilindri con una V aperta di 90°. In più devono utilizzare sistemi di recupero dell’energia. Questa seconda parte del regolamento è quella che ha dato la possibilità agli ingegneri di progettare nuove idee per sopravanzare gli altri team dal punto di vista prestazionale.
Il regolamento attuale, di cui riportiamo uno schema di seguito, prevede che la batteria possa erogare al massimo 4 MJ per ogni giro all’MGU-K, che può erogare un massimo boost di potenza di ±120 kW (161 bHp) al motore. L’MGU-K però, può immagazzinare nell’ESS solo 2 MJ per giro, il che rende il sistema volutamente sbilanciato. Questo implica che le vetture non possono spingere sempre al massimo ma devono gestire l’energia elettrica disponibile a bordo a seconda delle fasi della gara.
L’energia che passa per l’MGU-H non è invece limitata dal regolamento (sia erogata che recuperata), quindi i costruttori di PU cercano di sfruttare al massimo questa componente dato che può introdurre una notevole quantità di energia aggiuntiva nel sistema.
Nel regolamento non si fa riferimento alla capacità massima della batteria. Di conseguenza i team possono installare batterie con capacità superiore ai 4MJ; almeno due motivi per farlo:
- Avere la possibilità di fare più Hot Lap consecutivi (dove il pilota può spingere al massimo)
- Sopperire al deterioramento del pacco batteria durante il corso del suo utilizzo nei vari gran premi, visto che ogni vettura dispone al massimo di 2 componenti per stagione senza dover incorrere in penalità.
La capacità extra è limitata sia per dal regolamento (il peso delle celle della batteria e delle sue connessioni deve essere in un range tra i 20 kg e i 25 kg), sia per motivi di handling. Infatti, il suo peso può influenzare la posizione del centro di massa. Da qui è compito degli ingegneri trovare il giusto dimensionamento del pacco batterie. Dato il limite in peso, il regolamento porta i costruttori a cercare le batterie con la migliore energia specifica (kWh/kg), senza compromettere la potenza specifica (kW/kg), viste le alte richieste di potenza erogata e recuperata nel corso di un giro.
Figura 6 – Regolamento Tecnico F1 2022
VERSO CARBURANTI BIOSOSTENIBILI: I BIOCARBURANTI
La Formula 1 è il punto di riferimento per lo sviluppo di nuove tecnologiche, infatti, spesso le invenzioni fatte in F1 vengono poi adottate nel campo commerciale.
Ad esempio, le normative del 2022 affermano che i carburanti di Formula 1 devono includere il 5,75% di biocomponenti (biofuel) e, l’anno prossimo verrà portata al 10% (E10 è la sigla della miscela composta al 10% da etanolo) il prossimo anno.
L’impegno della F1 non finisce di certo qui, infatti, a partire dal 2026 è previsto il lancio di un nuovo POWERTRAIN ibrido che sarà alimentato “da un avanzato carburante sostenibile” (carburante sintetico) e, entro il 2030 si arriverà a una miscela con emissioni neutre (Carbon Neutrality) ovvero con “zero emissioni”: l’obiettivo è quello di pareggiare l’anidride carbonica risparmiata o riassorbita nella produzione del carburante con quella emessa durante competizioni.
Lo smaltimento delle batterie
https://www.leaseplan.com/it-it/news-auto/sostenibilita/smaltimento-batterie-auto-elettriche/
Funzionamento delle batterie
https://insideevs.it/features/580047/batterie-auto-elettriche-i-segreti/
Tipologie di batterie
Il futuro
Elettrico o idrogeno?
La Formula E
Le macchine attualmente usate, dette Gen2 in quanto appartengono alla seconda generazione, pesano 900 kg, (385 dei quali dovuti alla batteria), arrivano a 280 km/h, e vanno da 0 a 100 in 2,8 secondi, grazie a una potenza massima di 250 kW (335 cavalli). Ma la caratteristica che maggiormente differenzia le nuove macchine dalle vecchie Gen1 è che la batteria, maggiorata di 65 kg, consente loro di effettuare un’intera gara senza dover cambiare veicolo a metà gran premio, come succedeva in precedenza.
Le auto elettriche inquinano più di benzina o diesel?
Occorre considerare intero ciclo di vita di un’automobile: produzione, utilizzo e smaltimento. In ognuna di queste fasi inquina più o meno. Si richiede, pertanto, un’analisi seria e dettagliata.
Per le auto elettriche il litio e il cobalto sono minerali fondamentali per questi beni, senza i quali non è possibile realizzare la produzione. Essendo prodotti materiali, concettualmente finiti, in quanto non inesauribili in natura, vanno anche incontro a politiche di prezzo e di mercato. Basta osservare l’andamento del prezzo del cobalto negli ultimi anni, con una quasi bolla speculativa appena scoppiata, per capire come questa tecnologia sia molto dipendente anche da questo aspetto. La parte legata al consumo di freni e pneumatici, attualmente non eliminabile, rimane purtroppo. Quello che però varia, ed è superiore ai benzina/diesel è la parte legata alla produzione e alla creazione di energia elettrica da fonti non rinnovabili, o per lo meno derivanti da un mix. Produrre e smaltire una vettura tradizionale, benzina o diesel, ha un impatto minore sull’ambiente, pari quasi alla metà rispetto alle vetture elettriche. In altre parole, produrre o smaltire un’elettrica ha un impatto doppio rispetto ad una tradizionale. Il motivo? Come abbiamo detto prima, il prezzo delle batterie è in funzione dei materiali di costruzione, attualmente in possesso di pochissime nazioni in grandi quantità, capaci quindi di creare una sorta di oligopolio per questi materiali. La Cina, inoltre, si sta dimostrando molto attenta a queste tematiche ed infatti sta sviluppando ingenti investimenti in Congo (60% delle riserve mondiali) e nel continente Africano. Oltre a questo aspetto, che possiamo definire iniziale, anche lo smaltimento è quantomeno fondamentale per non andare a inquinare il suolo, con mega discariche. Se è vero che esistono progetti piloti, ancora non c’è una comune direzione per questo problema.
IL REGOLAMENTO
I motori termici dei veicoli di F1 devono essere sovralimentati (cioè utilizzare il turbo), avere una cilindrata di 1600 cc frazionata su 6 cilindri con una V aperta di 90°. In più devono utilizzare sistemi di recupero dell’energia. Questa seconda parte del regolamento è quella che ha dato la possibilità agli ingegneri di progettare nuove idee per sopravanzare gli altri team dal punto di vista prestazionale.
Il regolamento attuale, di cui riportiamo uno schema di seguito, prevede che la batteria possa erogare al massimo 4 MJ per ogni giro all’MGU-K, che può erogare un massimo boost di potenza di ±120 kW (161 bHp) al motore. L’MGU-K però, può immagazzinare nell’ESS solo 2 MJ per giro, il che rende il sistema volutamente sbilanciato. Questo implica che le vetture non possono spingere sempre al massimo ma devono gestire l’energia elettrica disponibile a bordo a seconda delle fasi della gara.
L’energia che passa per l’MGU-H non è invece limitata dal regolamento (sia erogata che recuperata), quindi i costruttori di PU cercano di sfruttare al massimo questa componente dato che può introdurre una notevole quantità di energia aggiuntiva nel sistema.
Nel regolamento non si fa riferimento alla capacità massima della batteria. Di conseguenza i team possono installare batterie con capacità superiore ai 4MJ; almeno due motivi per farlo:
- Avere la possibilità di fare più Hot Lap consecutivi (dove il pilota può spingere al massimo)
- Sopperire al deterioramento del pacco batteria durante il corso del suo utilizzo nei vari gran premi, visto che ogni vettura dispone al massimo di 2 componenti per stagione senza dover incorrere in penalità.
La capacità extra è limitata sia per dal regolamento (il peso delle celle della batteria e delle sue connessioni deve essere in un range tra i 20 kg e i 25 kg), sia per motivi di handling. Infatti, il suo peso può influenzare la posizione del centro di massa. Da qui è compito degli ingegneri trovare il giusto dimensionamento del pacco batterie. Dato il limite in peso, il regolamento porta i costruttori a cercare le batterie con la migliore energia specifica (kWh/kg), senza compromettere la potenza specifica (kW/kg), viste le alte richieste di potenza erogata e recuperata nel corso di un giro.
Figura 6 – Regolamento Tecnico F1 2022
VERSO CARBURANTI BIOSOSTENIBILI: I BIOCARBURANTI
La Formula 1 è il punto di riferimento per lo sviluppo di nuove tecnologiche, infatti, spesso le invenzioni fatte in F1 vengono poi adottate nel campo commerciale.
Ad esempio, le normative del 2022 affermano che i carburanti di Formula 1 devono includere il 5,75% di biocomponenti (biofuel) e, l’anno prossimo verrà portata al 10% (E10 è la sigla della miscela composta al 10% da etanolo) il prossimo anno.
L’impegno della F1 non finisce di certo qui, infatti, a partire dal 2026 è previsto il lancio di un nuovo POWERTRAIN ibrido che sarà alimentato “da un avanzato carburante sostenibile” (carburante sintetico) e, entro il 2030 si arriverà a una miscela con emissioni neutre (Carbon Neutrality) ovvero con “zero emissioni”: l’obiettivo è quello di pareggiare l’anidride carbonica risparmiata o riassorbita nella produzione del carburante con quella emessa durante competizioni.
Lo smaltimento delle batterie
https://www.leaseplan.com/it-it/news-auto/sostenibilita/smaltimento-batterie-auto-elettriche/
Funzionamento delle batterie
https://insideevs.it/features/580047/batterie-auto-elettriche-i-segreti/
Tipologie di batterie
Il futuro
Elettrico o idrogeno?
La Formula E
Le macchine attualmente usate, dette Gen2 in quanto appartengono alla seconda generazione, pesano 900 kg, (385 dei quali dovuti alla batteria), arrivano a 280 km/h, e vanno da 0 a 100 in 2,8 secondi, grazie a una potenza massima di 250 kW (335 cavalli). Ma la caratteristica che maggiormente differenzia le nuove macchine dalle vecchie Gen1 è che la batteria, maggiorata di 65 kg, consente loro di effettuare un’intera gara senza dover cambiare veicolo a metà gran premio, come succedeva in precedenza.
Le auto elettriche inquinano più di benzina o diesel?
Occorre considerare intero ciclo di vita di un’automobile: produzione, utilizzo e smaltimento. In ognuna di queste fasi inquina più o meno. Si richiede, pertanto, un’analisi seria e dettagliata.
Per le auto elettriche il litio e il cobalto sono minerali fondamentali per questi beni, senza i quali non è possibile realizzare la produzione. Essendo prodotti materiali, concettualmente finiti, in quanto non inesauribili in natura, vanno anche incontro a politiche di prezzo e di mercato. Basta osservare l’andamento del prezzo del cobalto negli ultimi anni, con una quasi bolla speculativa appena scoppiata, per capire come questa tecnologia sia molto dipendente anche da questo aspetto. La parte legata al consumo di freni e pneumatici, attualmente non eliminabile, rimane purtroppo. Quello che però varia, ed è superiore ai benzina/diesel è la parte legata alla produzione e alla creazione di energia elettrica da fonti non rinnovabili, o per lo meno derivanti da un mix. Produrre e smaltire una vettura tradizionale, benzina o diesel, ha un impatto minore sull’ambiente, pari quasi alla metà rispetto alle vetture elettriche. In altre parole, produrre o smaltire un’elettrica ha un impatto doppio rispetto ad una tradizionale. Il motivo? Come abbiamo detto prima, il prezzo delle batterie è in funzione dei materiali di costruzione, attualmente in possesso di pochissime nazioni in grandi quantità, capaci quindi di creare una sorta di oligopolio per questi materiali. La Cina inoltre, si sta dimostrando molto attenta a queste tematiche ed infatti sta sviluppando ingenti investimenti in Congo (60% delle riserve mondiali) e nel continente Africano. Oltre a questo aspetto, che possiamo definire iniziale, anche lo smaltimento è quantomeno fondamentale per non andare a inquinare il suolo, con mega discariche. Se è vero che esistono progetti piloti, ancora non c’è una comune direzione per questo problema.