UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA C.D.L.S. INGEGNERIA MECCANICA STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA BICICLETTA IBRIDA AD EMISSIONI ZERO CANDIDATO: LORENZO FABBRI RELATORE: PROF. LUCA PIANCASTELLI SESSIONE III 19 03-2012
OBIETTIVO INTEGRARE UN'UNITÀ DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA A BORDO DI UNA BICICLETTA A PEDALATA ASSISTITA PER LA RICARICA DELLE BATTERIE IN MARCIA
CONSIDERAZIONI PER LA SCELTA DEL GENERATORE La direttiva europea 2002/24/CE (articolo 1, punto h) definisce la bicicletta a pedalata assistita come una bicicletta dotata di motore elettrico ausiliario e con le seguenti caratteristiche: potenza nominale massima continua del motore elettrico: 250 W alimentazione del motore progressivamente ridotta e quindi interrotta al raggiungimento dei 25 km/h alimentazione del motore interrotta prima dei 25 km/h se il ciclista smette di pedalare
LA POWER UNIT In passato hanno avuto discreto successo veicoli ibridi propulsione umana MCI. Negli ultimi anni si è avuto un boom nel mercato dei pedelec, ovvero le biciclette a pedalata assistita
LA POWER UNIT Adottare sistemi a basse o nulle emissioni inquinanti in un contesto di riduzione dell'impatto ambientale CELLE A COMBUSTIBILE Potenza nominale Tensione nominale Corrente nominale Consumo di combustibile [ml/h] Temperatura massima di funzionamento [ C] Temperatura minima di funzionamento [ C] 350 W 21 28,5 V 16 A a 21 V 440 40 Altezza [mm] 279 Larghezza [mm] 204 Lunghezza [mm] 595 Peso [kg] 13,5 0
CONSIDERAZIONI PER LA SCELTA DEL GENERATORE PESO E INGOMBRI DELLA POWER UNIT RICHIEDONO: Disposizione appropriata che non intralci i movimenti del ciclista Posizionamento il più possibile vicino a terra per mantenere basso il centro di massa
INGOMBRI E PESO In una bicicletta con telaio a diamante lo spazio nella zona inferiore è occupato dai pedali e dalla trasmissione e pertanto non sfruttabile. In una bicicletta reclinata i pedali sono nella zona frontale, al di sopra della ruota anteriore, liberando lo spazio necessario nella parte inferiore
ERGONOMIA La posizione tradizionale del ciclista schiaccia le vertebre lombari e consente solo ai professionisti di percorrere lunghe distanze, peraltro con uno sforzo notevole La posizione reclinata mantiene la colonna vertebrale in una posizione più naturale, ma richiede un profilo del sedile capace di assecondare la lordosi della zona lombare
TELAIO Le reclinate si dividono in: Bici a passo lungo (pedali disposti tra la ruota anteriore e il ciclista) Bici a passo corto (la ruota anteriore sta tra i pedali e il ciclista) In ogni caso, occorre prevedere gli alloggi per: Power unit Motore elettrico Batterie
TELAIO Telaio a passo corto Materiale: Lega di alluminio 5086 Peso (comprensivo di P.U., motore, batteria, elettronica): 30 kg L L= 1424 mm H= 478 mm Sezione: 646 mm 2 H
TELAIO Carichi considerati: Peso del ciclista Spinta sui pedali Peso del generatore Tensione massima concentrata nella zona d'attacco della forcella posteriore Spostamento massimo nella zona posteriore su cui grava il peso del ciclista
TRASMISSIONE La trasmissione deve garantire: Coppia adeguata al peso maggiorato dalla presenza di motore, batterie ed APU Possibilità di cambiata anche a veicolo fermo Variazione continua del rapporto di trasmissione CVT Planetario = CVP
TRASMISSIONE R IN >R OUT Τ<1 R IN =R 0UT Τ=1 R IN <R OUT Τ>1 INCLINANDO IL PERNO DELLA SFERA, ANELLO MOTORE E CONDOTTO SI TROVANO SU RAGGI DIVERSI RISPETTO ALL'ASSE DEL PERNO. CAMPO DI VARIAZIONE RAPPORTO DI TRASMISSIONE: 360% (0,5 1,8) IL CONTATTO (MEDIATO) TRA DISCHI E SFERETTE È ASSICURATO DA DUE MOLLE A TAZZA. FORZA min = 615 N
TECNOLOGIA DI TRANSIZIONE: produzione on board tramite reforming di combustibili tradizionali per sfruttare l'attuale rete di distribuzione CONSIDERAZIONI TECNOLOGICHE CELLE A COMBUSTIBILE IDROGENO Tecnologie per lo stoccaggio ancora in fase di sviluppo ed attualmente poco efficienti Mancanza di fatto di una rete di distribuzione e rifornimento
CONSIDERAZIONI ECONOMICHE I costi delle tecnologie dell'idrogeno sono dovuti solo in parte alla natura chimico - fisica dell elemento. Si è stimata una riduzione dei costi di oltre 10 volte nel caso di sviluppo di un'economia di scala paragonabile al mercato dell'auto (milioni di pezzi/anno). Il continuo aumento dei prezzi dei prodotti petroliferi potrebbe portare alla competitività economica dei dispositivi a fuel cell nel medio breve termine (8 10 anni).
CONSIDERAZIONI ECONOMICHE Costo medio di una bicicletta reclinata tradizionale: 1800 2000 Costo stimato della P.U. fuel cell in caso di produzione di massa: 1200 No imposte di bollo, assicurazione. Costi di manutenzione molto bassi Mercato di riferimento: uso cicloturistico su lunghe distanze o pendolare su medie distanze Esempio: Power Unit a GPL sul tragitto Bologna Imola (andata e ritorno circa 70 km) il costo annuo di rifornimento del veicolo è di circa 50,00 ( 44,60)
CONCLUSIONI Dal punto di vista della sostenibilità ambientale, un veicolo ibrido propulsione umana fuel cell è certamente efficace per ridurre le emissioni inquinanti sulle medie distanze, seppure in ambiti applicativi limitati. Il successo sul mercato di un veicolo di questo tipo dipende dallo sviluppo di un'economia di scala sufficientemente ampia delle tecnologie dell'idrogeno. Tale circostanza è peraltro altamente probabile alla luce delle scelte politiche intraprese in ambito europeo e dei continui rincari dei carburanti
GRAZIE PER L'ATTENZIONE