Un automóvil de aire comprimido es un vehículo de aire comprimido que utiliza un motor impulsado por aire comprimido . El automóvil puede ser impulsado únicamente por aire, o combinado (como en un vehículo eléctrico híbrido) con gasolina , diesel , etanol o una planta eléctrica con frenado regenerativo .
Tecnología
Motores
Los carros de aire comprimido funcionan con motores impulsados por aire comprimido , que se almacena en un tanque a alta presión, como 31 M Pa (4500 psi o 310 bar). En lugar de accionar los pistones del motor con una mezcla de aire y combustible encendida, los carros de aire comprimido utilizan la expansión del aire comprimido, de manera similar a la expansión del vapor en una máquina de vapor .
Ha habido autos prototipo desde la década de 1920, con aire comprimido utilizado en la propulsión de torpedos .
Tanques de almacenaje
Los vagones están diseñados para ser llenados con una bomba de alta presión. En los vehículos de aire comprimido, los diseños de los tanques tienden a ser isotérmicos; un intercambiador de calor de algún tipo se utiliza para mantener la temperatura (y presión) del depósito como se extrae el aire.
Se informó en Beyond Tomorrow de Seven Network que, por sí sola, la fibra de carbono es frágil y puede romperse bajo suficiente tensión, pero no crea metralla cuando lo hace. [ cita requerida ] Los tanques de fibra de carbono retienen de forma segura el aire a una presión de alrededor de 31 MPa, lo que los hace comparables a los tanques de acero.
Densidad de energia
El aire comprimido tiene una densidad de energía relativamente baja . El aire a 30 MPa (aproximadamente 4350 psi) contiene aproximadamente 50 Wh de energía por litro (y normalmente pesa 372 g por litro). [ cita requerida ] A modo de comparación, una batería de plomo-ácido contiene 60-75 Wh / l. Una batería de iones de litio contiene aproximadamente 250-620 Wh / l. La EPA estima la densidad energética de la gasolina en 8.890 Wh / l; [1] sin embargo, un motor de gasolina típico con una eficiencia del 18% solo puede recuperar el equivalente a 1694 Wh / l. La densidad de energía de un sistema de aire comprimido puede duplicarse con creces si el aire se calienta antes de la expansión.
Para aumentar la densidad de energía, algunos sistemas pueden utilizar gases que pueden licuarse o solidificarse. "El CO 2 ofrece una compresibilidad mucho mayor que el aire cuando pasa de la forma gaseosa a la supercrítica". [2]
Emisiones
Los coches de aire comprimido podrían estar libres de emisiones en el escape. Dado que la fuente de energía de un automóvil de aire comprimido suele ser la electricidad, su impacto ambiental total depende de cuán limpia sea la fuente de esta electricidad. Sin embargo, la mayoría de los vehículos aéreos tienen motores de gasolina para diferentes tareas. La emisión se puede comparar con la mitad de la cantidad de dióxido de carbono producida por un Toyota Prius (alrededor de 0,34 libras por milla). Algunos motores pueden alimentarse de otro modo considerando que las diferentes regiones pueden tener fuentes de energía muy diferentes, que van desde fuentes de energía de altas emisiones como el carbón hasta fuentes de energía de cero emisiones. Una región determinada también puede cambiar sus fuentes de energía eléctrica con el tiempo, mejorando o empeorando las emisiones totales.
Sin embargo, un estudio de 2009 mostró que incluso con supuestos muy optimistas, el almacenamiento de energía en el aire es menos eficiente que el almacenamiento de productos químicos (baterías). [3]
Ventajas
Las principales ventajas de un motor neumático es
- No utiliza gasolina ni otros combustibles a base de biocarbono.
- El aire, por sí solo, no es inflamable, lo que reduce el peligro involucrado en choques de alto impacto en comparación con el hidrógeno o los combustibles líquidos.
- Se pueden lograr altos grados de recuperación de energía con sistemas que almacenan aire usando frenos y suspensión neumática.
- Los motores rotativos y todas las piezas mecánicas y neumáticas pueden fabricarse con termoendurecibles o termoplásticos reforzados con fibra, reduciendo considerablemente el peso y eliminando la dependencia de recursos metálicos.
- Facilita el uso de la suspensión neumática activa y la dirección neumática.
- El peso de la transmisión se puede reducir drásticamente utilizando motores rotativos en las ruedas.
- El reabastecimiento de combustible se puede hacer en casa, [4] pero llenar los tanques a presión máxima requeriría compresores para 250-300 bares, que normalmente no están disponibles para uso doméstico estándar, considerando el peligro inherente a estos niveles de presión. Al igual que con la gasolina, las estaciones de servicio tendrían que instalar las instalaciones de aire necesarias si dichos automóviles se volvieran lo suficientemente populares como para justificarlo.
- Los motores de aire comprimido reducen el costo de producción del vehículo, porque no es necesario construir un sistema de enfriamiento, bujías, motor de arranque o silenciadores.
- La tasa de autodescarga es muy baja a diferencia de las baterías que agotan su carga lentamente con el tiempo. Por tanto, es posible que el vehículo no se utilice durante más tiempo que los coches eléctricos.
- La expansión del aire comprimido reduce su temperatura; esto puede aprovecharse para su uso como aire acondicionado .
- Reducción o eliminación de productos químicos peligrosos como gasolina o ácidos / metales de batería
- La Universidad de Lund de Suecia informa que los autobuses podrían ver una mejora en la eficiencia del combustible de hasta un 60 por ciento utilizando un sistema híbrido de aire. [5] Pero esto solo se refiere a conceptos de aire híbrido (debido a la recuperación de energía durante el frenado), no a vehículos de solo aire comprimido.
- Las baterías de iones de litio utilizadas en los automóviles eléctricos tienen una alta huella de carbono en su proceso de producción, mientras que los tanques de aire comprimido requerirían una técnica de fabricación que consume menos energía, lo que conduce a un almacenamiento de energía más limpio.
Desventajas
Las principales desventajas son los pasos de conversión y transmisión de energía, porque cada uno tiene inherentemente pérdidas. En el caso de los automóviles con motor de combustión, la energía se pierde cuando el motor convierte la energía química de los combustibles fósiles en energía mecánica. En el caso de los automóviles eléctricos, la electricidad de una planta de energía (de cualquier fuente) se transmite a las baterías del automóvil, que luego transmite la electricidad al motor del automóvil, que la convierte en energía mecánica. Para los automóviles de aire comprimido, la electricidad de la planta de energía se transmite a un compresor, que comprime mecánicamente el aire en el tanque del automóvil. Luego, el motor del automóvil convierte el aire comprimido en energía mecánica.
Preocupaciones adicionales:
- Cuando el aire se expande en el motor, se enfría drásticamente y debe calentarse a temperatura ambiente mediante un intercambiador de calor. El calentamiento es necesario para obtener una fracción significativa de la producción de energía teórica. El intercambiador de calor puede ser problemático: aunque realiza una tarea similar a un intercooler para un motor de combustión interna, la diferencia de temperatura entre el aire entrante y el gas de trabajo es menor. Al calentar el aire almacenado, el dispositivo se enfría mucho y puede congelarse en climas fríos y húmedos.
- Esto también conduce a la necesidad de deshidratar completamente el aire comprimido. Si subsiste humedad en el aire comprimido, el motor se detendrá debido a la formación de hielo en el interior. Eliminar la humedad por completo requiere energía adicional que no se puede reutilizar y se pierde. (A 10 g de agua por m3 de aire -valor típico en verano- hay que sacar 900 g de agua en 90 m3; con una entalpía de vaporización de 2,26MJ / kg necesitarás teóricamente como mínimo 0,6 kWh; técnicamente, con secado en frío esta cifra debe multiplicarse por 3 - 4. Además, la deshidratación solo se puede hacer con compresores profesionales, por lo que una carga en el hogar será completamente imposible, o al menos no a un costo razonable).
- Por el contrario, cuando se comprime aire para llenar el tanque, su temperatura aumenta. Si el aire almacenado no se enfría mientras se llena el tanque, cuando el aire se enfría más tarde, su presión disminuye y la energía disponible disminuye.
Para mitigar esto, el tanque puede estar equipado con un intercambiador de calor interno para enfriar el aire de manera rápida y eficiente durante la carga.
Alternativamente, se puede usar un resorte para almacenar el trabajo del aire a medida que se inserta en el tanque, manteniendo así una baja diferencia de presión entre el tanque y el cargador, lo que da como resultado un aumento de temperatura más bajo para el aire transferido. [ cita requerida ] - El reabastecimiento de combustible del contenedor de aire comprimido con un compresor de aire convencional doméstico o de gama baja puede demorar hasta 4 horas, aunque el equipo especializado en las estaciones de servicio puede llenar los tanques en solo 3 minutos. [4] Para almacenar 2,5 kWh a 300 bar en depósitos de 300 litros (90 m3 de aire a 1 bar), se requieren unos 30 kWh de energía del compresor (con un compresor adiabático de una sola etapa ), o aprox. 21 kWh con una unidad multietapa estándar industrial. Eso significa que se necesita una potencia de compresor de 360 kW para llenar los depósitos en 5 minutos desde una unidad de una sola etapa, o 250 kW para una de varias etapas. [6] Sin embargo, el enfriamiento intermedio y la compresión isotérmica son mucho más eficaces y prácticos que la compresión adiabática, si se instalan intercambiadores de calor suficientemente grandes. Es posible que se logren eficiencias de hasta el 65%, [7] (mientras que la eficiencia actual para los grandes compresores industriales es de un máximo del 50%), sin embargo, es menor que la eficiencia de Coulomb con baterías de plomo-ácido.
- La eficiencia general de un vehículo que utiliza almacenamiento de energía de aire comprimido , utilizando las cifras de repostaje anteriores, es de alrededor del 5-7%. [8] A modo de comparación, la eficiencia de la rueda de un tren motriz de combustión interna convencional es de aproximadamente el 14%, [9]
- Las primeras pruebas han demostrado la limitada capacidad de almacenamiento de los tanques; la única prueba publicada de un vehículo que funciona únicamente con aire comprimido se limitó a una autonomía de 7,22 km. [10]
- Un estudio de 2005 demostró que los automóviles que funcionan con baterías de iones de litio superan en más de tres veces a los vehículos de celda de combustible y de aire comprimido a las mismas velocidades. [11] MDI afirmó en 2007 que un automóvil aéreo podrá viajar 140 km en conducción urbana y tendrá un alcance de 80 km con una velocidad máxima de 110 km / h (68 mph) en carreteras, [12] cuando esté en funcionamiento solo con aire comprimido, pero a agosto de 2017 aún no se ha producido un vehículo que coincida con este rendimiento.
- Un estudio de 2009 encontró que "Incluso bajo supuestos muy optimistas, el automóvil de aire comprimido es significativamente menos eficiente que un vehículo eléctrico de batería y produce más emisiones de gases de efecto invernadero que un automóvil convencional de gasolina con una combinación de energía intensiva en carbón". Sin embargo, también sugirieron que "un híbrido de combustión neumática es tecnológicamente factible, económico y eventualmente podría competir con los vehículos eléctricos híbridos". [13]
Seguridad contra choques
No se han verificado las afirmaciones de seguridad para los tanques de aire de vehículos livianos en colisiones severas. Las pruebas de choque en América del Norte aún no se han realizado, y los escépticos cuestionan la capacidad de un vehículo ultraligero ensamblado con adhesivos para producir resultados aceptables de seguridad en choques. Shiva Vencat, vicepresidente de MDI y director ejecutivo de Zero Pollution Motors, afirma que el vehículo pasaría las pruebas de choque y cumpliría con los estándares de seguridad de EE. UU. Insiste en que los millones de dólares invertidos en el AirCar no serían en vano. Hasta la fecha, nunca ha habido un automóvil liviano de más de 100 millas por galón que haya pasado las pruebas de choque de América del Norte. Los avances tecnológicos pueden hacer que esto sea posible pronto, pero el AirCar aún tiene que demostrar su valía y siguen existiendo cuestiones de seguridad en caso de colisión. [14]
La clave para lograr un rango aceptable con un automóvil aéreo es reducir la potencia requerida para conducir el automóvil, en la medida de lo posible. Esto empuja al diseño a minimizar el peso.
Según un informe de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras del Gobierno de los EE. UU . , Entre 10 clases diferentes de vehículos de pasajeros, los "automóviles muy pequeños" tienen la tasa de mortalidad más alta por milla conducida. Por ejemplo, una persona que maneje 12,000 millas por año durante 55 años tendría un 1% de probabilidad de verse involucrada en un accidente fatal. Esto es el doble de la tasa de mortalidad de la clase de vehículo más segura, un "automóvil grande". Según los datos de este informe, el número de choques fatales por milla está solo débilmente correlacionado con el peso del vehículo, con un coeficiente de correlación de solo (-0,45). Se observa una correlación más fuerte con el tamaño del vehículo dentro de su clase; por ejemplo, los automóviles, camionetas y SUV "grandes" tienen tasas de mortalidad más bajas que los automóviles, camionetas y SUV "pequeños". Este es el caso en 7 de las 10 clases, con la excepción de los vehículos medianos, donde las minivans y los autos medianos se encuentran entre las clases más seguras, mientras que los SUV medianos son los segundos más fatales después de los autos muy pequeños. Aunque los vehículos más pesados a veces son estadísticamente más seguros, no es necesariamente el peso extra lo que los hace más seguros. El informe de la NHTSA dice: "Históricamente, los vehículos más pesados han hecho un mejor trabajo protegiendo a sus ocupantes en choques. Sus capotas más largas y espacio adicional en el compartimiento de los ocupantes brindan una oportunidad para una desaceleración más gradual del vehículo y del ocupante dentro del vehículo. .. Si bien es concebible que los vehículos ligeros pudieran construirse con capós igualmente largos y pulsos de desaceleración suaves, probablemente requerirían cambios importantes en los materiales y el diseño y / o quitarle peso a sus motores, accesorios, etc. " [15]
Los vehículos aéreos pueden utilizar neumáticos de baja resistencia a la rodadura , que normalmente ofrecen menos agarre que los neumáticos normales. [16] [17] Además, el peso (y el precio) de los sistemas de seguridad como los airbags, ABS y ESC pueden disuadir a los fabricantes de incluirlos.
Desarrolladores y fabricantes
Varias empresas están invirtiendo en la investigación, desarrollo y despliegue de vehículos de aire comprimido . Los informes demasiado optimistas de una producción inminente se remontan al menos a mayo de 1999. Por ejemplo, el MDI Air Car hizo su debut público en Sudáfrica en 2002, [18] y se predijo que estaría en producción "dentro de seis meses" en enero de 2004. [ 19] En enero de 2009, el automóvil aéreo nunca entró en producción en Sudáfrica. La mayoría de los automóviles en desarrollo también se basan en el uso de tecnología similar a los vehículos de bajo consumo de energía para aumentar la autonomía y el rendimiento de sus automóviles. [ aclaración necesaria ]
MDI
MDI ha propuesto una gama de vehículos compuesta por AIRPod , OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir y MultiFlowAir. [20] Una de las principales innovaciones de esta empresa es la implementación de su "cámara activa", que es un compartimento que calienta el aire (mediante el uso de un combustible) para duplicar la producción de energía. [21] Esta "innovación" se utilizó por primera vez en torpedos en 1904.
Tata Motors
En enero de 2009[actualizar] Tata Motors de India había planeado lanzar un automóvil con un motor de aire comprimido MDI en 2011. [22] [23] En diciembre de 2009, el vicepresidente de sistemas de ingeniería de Tata confirmó que el rango limitado y las bajas temperaturas del motor estaban causando problemas.
Tata Motors anunció en mayo de 2012 [24] que habían evaluado el diseño pasando la fase 1, la "prueba del concepto técnico" hacia la producción total para el mercado indio. Tata ha pasado a la fase 2, "completando el desarrollo detallado del motor de aire comprimido en aplicaciones específicas para vehículos y estacionarias". [25]
En febrero de 2017, el Dr. Tim Leverton, presidente y director de Ingeniería Avanzada y de Producto en Tata reveló que estaba en un punto de "inicio de la industrialización" con los primeros vehículos disponibles para 2020. [26] Otros informes indican que Tata también está buscando revivir planes para una versión de aire comprimido del Tata Nano , [27] que previamente había estado bajo consideración como parte de su colaboración con MDI. [28]
Engineair Pty Ltd
Engineair es una empresa australiana que ha producido prototipos de una variedad de prototipos de vehículos pequeños utilizando un innovador motor de aire giratorio diseñado por Angelo Di Pietro . La empresa busca socios comerciales para utilizar su motor. [29]
Peugeot / Citroën
Peugeot y Citroën anunciaron que tenían la intención de construir un automóvil que utiliza aire comprimido como fuente de energía. Sin embargo, el automóvil que están diseñando usa un sistema híbrido que también usa un motor de gasolina (que se usa para propulsar el automóvil a más de 70 km / h, o cuando el tanque de aire comprimido se ha agotado). [30] [31] En enero de 2015, hubo "noticias decepcionantes de Francia: PSA Peugeot Citroen ha detenido indefinidamente el desarrollo de su prometedor sistema de propulsión Hybrid Air, aparentemente porque la compañía no ha podido encontrar un socio de desarrollo dispuesto a dividir los enormes costos de diseñar el sistema ". Los costes de desarrollo se estiman en 500 millones de euros para el sistema, que aparentemente tendría que instalarse en unos 500.000 coches al año para que tuviera sentido. [32] El jefe del proyecto dejó Peugeot en 2014. [33]
APUQ
APUQ (Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine) ha fabricado el APUQ Air Car, un coche propulsado por una quasiturbina . [34]
Ver también
- Motor de aire
- Estación de carga
- Almacenamiento de energía de aire comprimido
- Batería de aire comprimido
- Vehículos de aire comprimido
- Cambio de motor
- Híbrido enchufable
- Neumática
Referencias
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enlaces externos
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