Ein Druckluftfahrzeug ist ein Druckluftfahrzeug, das einen motorbetriebenen Motor verwendet. Das Auto kann allein mit Luft oder kombiniert (wie in einem Hybrid-Elektrofahrzeug) mit Benzin, Diesel, Ethanol oder einer elektrischen Anlage mit regenerativem Bremsen betrieben werden.

Überblick
Stationäre Druckluftmotoren sind in einer Vielzahl von Maschinen und Werkzeugen zu finden.

Verschiedene Nischenanwendungen mit Druckluftantrieb, wie z. B. Straßenbahnen in Bern und luftbetriebene Lokomotiven, z. B. beim Bau des Gotthard-Tunnels oder der Grubenlokomotiven, wurden in der Vergangenheit realisiert. Viele dieser speziellen Anwendungen wurden inzwischen durch einfachere und auch emissionsfreie elektrische Antriebssysteme ersetzt.

Dampflokomotiven für die industrielle Lagerung haben ein ähnliches Konzept und eine ähnliche Technologie.

Geschichte
Bereits 1838 wurde ein Druckluftauto von Adraud und Tessié du Motay in Paris konstruiert und 1840 vorgestellt. Im Bahnverkehr wurde diese Art von Antrieb zuerst 1879 bei der Straßenbahn in Nantes eingesetzt (Frankreich). Die Systeme wurden von dem französischen Ingenieur polnischer Abstammung Louis Mékarski entwickelt.
Der amerikanische Hersteller MacKenzie & McArthur in New Haven (Connecticut) und die Autocrat Manufacturing Company in Hartford (Connecticut) haben sich mit dem Druckluftfahrzeug beschäftigt. Der Name American Pneumatic sollte ein druckluftbetriebenes Automobil führen, dessen Planung im Februar 1900 von der American Vehicle Company angekündigt wurde. Auch nicht vermarktet wurden Flugzeuge der Marken Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir und Pneumatic. Laut der frühen US-Fachzeitschrift The Hub wurde 1899 in Delaware die United States Vehicle Company mit einem enormen Aktienkapital von 25 Millionen US $ gegründet zum Zweck der „Entwicklung von Erfindungen von Stackpole und Francesco und für die Produktion von Mittelklassewagen mit Druckluftantrieb“. Die Firma wird 1900 mit der Adresse 1129 Broadway in dem Buch Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles of Hiscox erwähnt und befindet sich noch 1911 im Register der Stadt New York, basierend auf 52 Broadway. Was letztlich mit dieser enormen Kapitalinvestition erreicht wurde, ist unklar.

Eigenschaften
Der Druckluftantrieb arbeitet ohne Verbrennungsprozesse und ohne das Risiko von Funkenbildung, wie es bei elektrischen Systemen auftritt. Es wird daher sehr gut in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt, z. B. im Bergbau unter Tage.

Auf der anderen Seite sprechen Einschränkungen gegen eine Nutzung als Massentransportmittel. Um eine ausreichende Antriebsenergie zu übertragen, sind große (schwere) Druckluftbehälter erforderlich. Die Energiedichte des Antriebssystems ist bereits ungünstig im Vergleich zu einfachen Blei-Säure-Batterien.

Druckluft ist eine der teuersten Energiequellen. Ihre Produktion ist energetisch mit sehr großen Verlusten behaftet. Wenn die bei der Kompression entstehende Wärme nicht genutzt werden kann, geht diese Energiebilanz verloren. Ein effizienter Druckluftmotor benötigt eine mehrstufige Expansion mit Zwischenerwärmung und ist daher teuer (Motorkonzept). Durch Entspannen der Druckluft erfolgt eine Kühlung des Motors. Es muss Wärme aus der Umgebung zugeführt werden. Wenn dies nicht ausreichend gewährleistet ist, wird die Leistung der Expansionsmaschine abnehmen. Dieser Effekt wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen verstärkt.

Technik

Motoren
Druckluftautos werden von Motoren angetrieben, die mit Druckluft betrieben werden, die in einem Tank mit hohem Druck wie 31 MPa (4500 psi oder 310 bar) gespeichert ist. Ottomotoren fahren nicht mit einem entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisch, sondern nutzen die Expansion von Druckluft, ähnlich wie die Dampfentwicklung in einer Dampfmaschine.

Seit den 1920er Jahren gibt es Prototypen mit komprimierter Luft, die im Torpedoantrieb verwendet wird.

Lagertanks
Im Gegensatz zu den Problemen des Wasserstoffs mit Schäden und Gefahren, die mit schweren Stürzen verbunden sind, ist Luft alleine nicht brennbar, berichtete Seven Network’s Beyond Tomorrow, dass Kohlefaser allein spröde ist und sich unter ausreichender Spannung spalten kann , aber schafft keine Splitter, wenn es so ist. Kohlefaser-Tanks halten die Luft sicher bei einem Druck von etwa 4500 psi und sind damit vergleichbar mit Stahltanks. Die Autos sind so konzipiert, dass sie an einer Hochdruckpumpe aufgefüllt werden können.

In Druckluftfahrzeugen sind Tankentwürfe tendenziell isotherm; ein Wärmeaustauscher irgendeiner Art wird verwendet, um die Temperatur (und den Druck) des Tanks aufrechtzuerhalten, wenn die Luft extrahiert wird.

Energiedichte
Druckluft hat eine relativ niedrige Energiedichte. Luft mit 30 MPa (4.500 psi) enthält etwa 50 Wh Energie pro Liter (und wiegt normalerweise 372 g pro Liter). Zum Vergleich enthält eine Bleibatterie 60-75 Wh / l. Ein Lithium-Ionen-Akku enthält etwa 250-620 Wh / l. Die EPA schätzt die Energiedichte von Benzin bei 8.890 Wh / l; Ein typischer Benzinmotor mit 18% Wirkungsgrad kann jedoch nur den Wert von 1694 Wh / l erreichen. Die Energiedichte eines Druckluftsystems kann mehr als verdoppelt werden, wenn die Luft vor der Expansion erwärmt wird.

Um die Energiedichte zu erhöhen, können einige Systeme Gase verwenden, die verflüssigt oder verfestigt werden können. „CO2 bietet eine viel größere Kompressibilität als Luft, wenn es von der gasförmigen in die überkritische Form übergeht.“

Emissionen
Druckluftfahrzeuge könnten am Auspuff emissionsfrei sein. Da die Energiequelle eines Druckluftfahrzeugs üblicherweise Elektrizität ist, hängt seine gesamte Umweltbelastung davon ab, wie sauber die Quelle dieses Stroms ist. Die meisten Luftfahrzeuge haben jedoch Benzinmotoren für verschiedene Aufgaben. Die Emission kann mit der Hälfte der Menge an Kohlendioxid verglichen werden, die von einem Toyota Prius produziert wird (etwa 0,34 Pfund pro Meile). Einige Motoren können anderweitig betrieben werden, wenn man bedenkt, dass unterschiedliche Regionen sehr unterschiedliche Energiequellen haben können, die von emissionsintensiven Energiequellen wie Kohle bis zu emissionsfreien Energiequellen reichen. Eine gegebene Region kann auch ihre elektrischen Energiequellen im Laufe der Zeit ändern, wodurch die Gesamtemissionen verbessert oder verschlechtert werden.

Eine Studie aus dem Jahr 2009 zeigte jedoch, dass selbst bei sehr optimistischen Annahmen die Luftspeicherung von Energie weniger effizient ist als die Speicherung von Chemikalien (Batterien).

Vorteile
Die Hauptvorteile eines luftbetriebenen Motors sind

Es verwendet kein Benzin oder anderen Biokohlenstoff basierten Kraftstoff.
Das Betanken kann zu Hause durchgeführt werden, aber das Füllen der Tanks auf vollen Druck würde Kompressoren für 250-300 Bar erfordern, die normalerweise nicht für die Verwendung zu Hause verfügbar sind, unter Berücksichtigung der Gefahr, die diesen Druckniveaus innewohnt. Wie bei Benzin müssten die Tankstellen die notwendigen Luftanlagen installieren, wenn solche Autos ausreichend populär werden, um dies zu rechtfertigen.
Druckluftmotoren reduzieren die Kosten der Fahrzeugproduktion, da kein Kühlsystem, Zündkerzen, Anlasser oder Schalldämpfer gebaut werden müssen.
Die Selbstentladungsrate ist sehr niedrig im Gegensatz zu Batterien, die ihre Ladung im Laufe der Zeit langsam entladen. Daher kann das Fahrzeug längere Zeit nicht benutzt werden als Elektroautos.
Die Ausdehnung der Druckluft senkt ihre Temperatur; Dies kann zur Verwendung als Klimaanlage ausgenutzt werden.
Reduzierung oder Beseitigung von gefährlichen Chemikalien wie Benzin oder Batteriesäuren / Metallen
Einige mechanische Konfigurationen können eine Energierückgewinnung während des Bremsens durch Komprimieren und Speichern von Luft ermöglichen.
Die schwedische Universität Lund berichtet, dass Busse mit einem Luft-Hybrid-System eine Verbesserung der Treibstoffeffizienz von bis zu 60 Prozent erreichen könnten. Dies bezieht sich jedoch nur auf hybride Luftkonzepte (aufgrund der Energierückgewinnung beim Bremsen) und nicht nur auf Druckluftfahrzeuge.

Nachteile
Die Hauptnachteile sind die Schritte der Energieumwandlung und -übertragung, weil jeder von Natur aus Verlust hat. Bei Verbrennungsmotoren geht die Energie verloren, wenn chemische Energie in fossilen Brennstoffen vom Motor in mechanische Energie umgewandelt wird. Bei Elektroautos wird der Strom eines Kraftwerks (aus welcher Quelle auch immer) an die Autobatterien übertragen, die dann den Strom an den Motor des Autos übertragen, der ihn in mechanische Energie umwandelt. Bei Druckluftfahrzeugen wird der Strom des Kraftwerks auf einen Kompressor übertragen, der die Luft mechanisch in den Tank des Kraftfahrzeuges drückt. Der Motor des Autos wandelt dann die komprimierte Luft in mechanische Energie um.

Zusätzliche Bedenken:

Wenn sich Luft im Motor ausbreitet, kühlt sie stark ab und muss mit einem Wärmetauscher auf Umgebungstemperatur erwärmt werden. Die Erwärmung ist notwendig, um einen signifikanten Anteil der theoretischen Energieabgabe zu erhalten. Der Wärmetauscher kann problematisch sein: Während er eine ähnliche Aufgabe wie ein Ladeluftkühler für einen Verbrennungsmotor erfüllt, ist der Temperaturunterschied zwischen der einströmenden Luft und dem Arbeitsgas geringer. Beim Erwärmen der gespeicherten Luft wird das Gerät sehr kalt und kann in kühlen, feuchten Klimazonen vereisen.

Dies führt auch dazu, dass die Druckluft vollständig entwässert werden muss. Wenn in der Druckluft Feuchtigkeit vorhanden ist, stoppt der Motor aufgrund der inneren Vereisung. Das vollständige Entfernen der Feuchtigkeit erfordert zusätzliche Energie, die nicht wiederverwendet werden kann und verloren geht. (Bei 10 g Wasser pro m3 lufttypischem Wert im Sommer) müssen 900 g Wasser in 90 m3 entnommen werden, bei einer Verdampfungsenthalpie von 2,26 MJ / kg werden theoretisch minimal 0,6 kWh benötigt, technisch bei kalter Trocknung diese Zahl muss mit 3 – 4 multipliziert werden. Darüber hinaus kann Dehydrierung nur mit professionellen Kompressoren durchgeführt werden, so dass eine Aufladung zu Hause völlig unmöglich ist, oder zumindest nicht zu vernünftigen Kosten.
Umgekehrt erhöht sich die Temperatur, wenn Luft komprimiert wird, um den Tank zu füllen. Wird die gelagerte Luft beim Befüllen des Tanks nicht gekühlt, verringert sich bei später Abkühlung der Luft der Druck und die verfügbare Energie sinkt.

Um dies zu verringern, kann der Tank mit einem internen Wärmetauscher ausgestattet sein, um die Luft während des Ladevorgangs schnell und effizient zu kühlen.
Alternativ kann eine Feder verwendet werden, um Arbeit aus der Luft zu speichern, wenn sie in den Tank eingeführt wird, wodurch eine geringe Druckdifferenz zwischen dem Tank und dem Ladegerät aufrechterhalten wird, was zu einer niedrigeren Temperaturerhöhung für die übertragene Luft führt.

Die Betankung des Druckluftbehälters mit einem konventionellen Druckluftkompressor kann bis zu 4 Stunden dauern, obwohl spezielle Geräte an Tankstellen die Tanks in nur 3 Minuten füllen können. Für die Speicherung von 2,5 kWh @ 300 bar in 300-Liter-Behältern (90 m3 Luft bei 1 bar) werden ca. 30 kWh Kompressor-Energie benötigt (mit einem einstufigen adiabatischen Kompressor) oder ca. 30 kWh. 21 kWh mit einem mehrstufigen Industriestandard. Das bedeutet, dass eine Kompressorleistung von 360 kW benötigt wird, um die Reservoirs in 5 Minuten von einer einstufigen Einheit oder 250 kW für eine mehrstufige Einheit zu füllen. Jedoch sind die Zwischenkühlung und die isothermische Kompression viel effizienter und praktischer als die adiabatische Kompression, wenn ausreichend große Wärmetauscher eingebaut sind. Es können möglicherweise Wirkungsgrade von bis zu 65% erreicht werden (wobei die Stromausbeute für große Industriekompressoren maximal 50% beträgt), jedoch ist dies niedriger als die Effizienz des Coulomb bei Bleibatterien.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Fahrzeugs, das einen Druckluftspeicher verwendet, unter Verwendung der obigen Betankungszahlen, beträgt ungefähr 5-7%. Zum Vergleich beträgt der Wirkungsgrad eines konventionellen Verbrennungsmotorantriebs gut 14%,

Frühe Tests haben die begrenzte Speicherkapazität der Tanks gezeigt; Der einzige veröffentlichte Test eines Fahrzeugs, das nur mit Druckluft betrieben wurde, war auf eine Strecke von 7,22 km begrenzt.

Eine Studie aus dem Jahr 2005 hat gezeigt, dass mit Lithium-Ionen-Batterien betriebene Autos sowohl Druckluft- als auch Brennstoffzellenfahrzeuge bei gleicher Geschwindigkeit mehr als verdreifachen. MDI behauptete 2007, dass ein Luftfahrzeug im Stadtverkehr 140 km fahren kann und eine Reichweite von 80 km mit einer Höchstgeschwindigkeit von 110 km / h auf Autobahnen hat, wenn es nur mit Druckluft betrieben wird August 2017 muss noch ein Fahrzeug produzieren, das dieser Leistung entspricht.

Ein 2009 Berkeley Research Letter der University of Berkeley fand heraus: „Selbst unter sehr optimistischen Annahmen ist das Auto mit komprimierter Luft deutlich weniger effizient als ein batterieelektrisches Fahrzeug und produziert mehr Treibhausgasemissionen als ein konventionelles Gasauto mit einem kohleintensiven Energiemix.“ Sie schlugen aber auch vor: „Ein Hybrid mit pneumatischer Verbrennung ist technologisch machbar, kostengünstig und könnte schließlich mit Hybrid-Elektrofahrzeugen konkurrieren.“

Es wird oft von einem kleinen Benzinmotor begleitet, der es bei verschiedenen Aufgaben wie Starten und Beibehalten der Arbeitsgeschwindigkeit unterstützt. Dieser Motor emittiert Kohlendioxid.

Absturzsicherheit
Sicherheitsanforderungen für leichte Luftfahrzeug-Tanks in schweren Kollisionen wurden nicht überprüft. Nordamerikanische Crashtests wurden noch nicht durchgeführt, und Skeptiker bezweifeln die Fähigkeit eines ultraleichten Fahrzeugs, das mit Klebstoffen ausgestattet ist, akzeptable Crashsicherheitsergebnisse zu erzielen. Shiva Vencat, Vizepräsident von MDI und CEO von Zero Pollution Motors, behauptet, dass das Fahrzeug Crashtests bestehen und die US-Sicherheitsstandards erfüllen würde. Er besteht darauf, dass die Millionen von Dollar, die in das AirCar investiert werden, nicht vergeblich sein würden. Bis heute gab es noch nie ein leichtes, mehr als 100-mpg-Auto, das die nordamerikanischen Crashtests bestanden hat. Technologische Fortschritte könnten dies bald möglich machen, aber das AirCar muss sich noch beweisen, und Kollisionsschutzfragen bleiben bestehen.

Der Schlüssel zum Erreichen einer akzeptablen Reichweite bei einem Luftfahrzeug ist die Reduzierung der für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlichen Leistung, soweit dies praktisch ist. Dies treibt das Design in Richtung Gewichtsminimierung.

Laut einem Bericht der National Highway Traffic Safety Administration der US-Regierung haben „sehr kleine Autos“ unter 10 verschiedenen Klassen von Personenkraftwagen die höchste Todesrate pro Meile. Zum Beispiel hätte eine Person, die für 55 Jahre 12.000 Meilen pro Jahr fährt, eine Chance von 1%, an einem tödlichen Unfall beteiligt zu sein. Das ist doppelt so viel wie in der sichersten Fahrzeugklasse, einem „großen Auto“. Laut den Daten in diesem Bericht korreliert die Anzahl der tödlichen Unfälle pro Meile nur schwach mit dem Fahrzeuggewicht und weist einen Korrelationskoeffizienten von nur (-0,45) auf. Eine stärkere Korrelation wird mit der Fahrzeuggröße innerhalb seiner Klasse gesehen; zum Beispiel haben „große“ Autos, Pickups und SUVs niedrigere Todesraten als „kleine“ Autos, Pickups und SUVs. Dies ist in 7 der 10 Klassen der Fall, mit Ausnahme von Mittelklassefahrzeugen, wo Minivans und mittelgroße Autos zu den sichersten Klassen gehören, während mittelgroße SUVs nach sehr kleinen Autos die zweitschwersten sind. Obwohl schwerere Fahrzeuge manchmal statistisch sicherer sind, ist es nicht unbedingt das zusätzliche Gewicht, das sie sicherer macht. Der NHTSA-Bericht stellt fest: „Schwerere Fahrzeuge haben in der Vergangenheit ihre Insassen besser bei Unfällen gepolstert. Ihre längeren Hauben und zusätzlicher Platz im Fahrgastraum bieten eine Gelegenheit für eine langsamere Verzögerung des Fahrzeugs und des Insassen im Fahrzeug. .. Während es denkbar ist, dass Leichtfahrzeuge mit ähnlich langen Motorhauben und milden Verzögerungsimpulsen gebaut werden könnten, würde es wahrscheinlich große Änderungen in Material und Design und / oder Gewichtsentlastung von Motoren, Zubehör usw. erfordern. “

Air Cars können rollwiderstandsarme Reifen verwenden, die normalerweise weniger Grip bieten als normale Reifen. Darüber hinaus kann das Gewicht (und der Preis) von Sicherheitssystemen wie Airbags, ABS und ESC die Hersteller davon abhalten, sie einzubeziehen.

Entwickler und Hersteller
Verschiedene Unternehmen investieren in die Forschung, Entwicklung und den Einsatz von Druckluftfahrzeugen. Überoptimistische Berichte über die bevorstehende Produktion stammen aus mindestens Mai 1999. Zum Beispiel gab das MDI Air Car im Jahr 2002 sein öffentliches Debüt in Südafrika, und es wurde vorausgesagt, dass es im Januar 2004 „innerhalb von sechs Monaten“ produziert. Ab Januar 2009 In Südafrika wurde das Flugzeug nie in Produktion genommen. Die meisten in der Entwicklung befindlichen Fahrzeuge sind auch auf die Verwendung einer ähnlichen Technologie wie Fahrzeuge mit niedriger Energie angewiesen, um die Reichweite und Leistung ihrer Fahrzeuge zu erhöhen.

MDI
MDI hat eine Reihe von Fahrzeugen vorgeschlagen, die aus AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir und MultiFlowAir bestehen. Eine der Hauptinnovationen dieses Unternehmens ist die Realisierung seiner „aktiven Kammer“, einem Raum, der die Luft (durch den Einsatz eines Brennstoffs) erwärmt, um die Energieabgabe zu verdoppeln. Diese „Innovation“ wurde erstmals 1904 bei Torpedos eingesetzt.

Tata Motoren
Ab Januar 2009 plante Tata Motors aus Indien, 2011 ein Auto mit einem MDI-Druckluftmotor auf den Markt zu bringen. Im Dezember 2009 bestätigte Tatas Vice President Engineering Systems, dass die begrenzte Reichweite und niedrige Motortemperaturen Probleme verursachten.

Tata Motors gab im Mai 2012 bekannt, dass sie die Design-Passing-Phase 1, den „Beweis des technischen Konzepts“, zur vollen Produktion für den indischen Markt bewertet haben. Tata ist in Phase 2 übergegangen und hat „die detaillierte Entwicklung des Druckluftmotors für spezifische Fahrzeug- und stationäre Anwendungen abgeschlossen“.

Im Februar 2017 war Dr. Tim Leverton, Präsident und Leiter von Advanced und Product Engineering bei Tata, bekannt, dass „die Industrialisierung beginnen“ wird mit den ersten Fahrzeugen, die bis 2020 verfügbar sein werden. Andere Berichte deuten darauf hin, dass Tata auch Pläne für eine Wiederbelebung verfolgt Druckluftversion des Tata Nano, die zuvor im Rahmen der Zusammenarbeit mit MDI in Betracht gezogen wurde.

Motor Luft
Engineair ist ein australisches Unternehmen, das Prototypen einer Vielzahl von Prototyp-Kleinfahrzeugen mit einem innovativen Rotationsluftmotor von Angelo Di Pietro hergestellt hat. Das Unternehmen sucht nach kommerziellen Partnern, um seinen Motor zu nutzen.

Peugeot / Citroën
Peugeot und Citroën gaben bekannt, dass sie ein Auto bauen wollten, das Druckluft als Energiequelle nutzt. Das von ihnen entworfene Fahrzeug verwendet jedoch ein Hybridsystem, das auch einen Benzinmotor verwendet (der dazu verwendet wird, das Fahrzeug über 70 km / h zu befördern, oder wenn der Drucklufttank leer ist). Im Januar 2015 gab es „Enttäuschende Nachrichten aus Frankreich: PSA Peugeot Citroen hat die Entwicklung seines vielversprechend klingenden Hybrid Air-Antriebsstrangs unbestimmt festgehalten, offenbar weil das Unternehmen keinen Entwicklungspartner finden konnte, der die enormen Kosten aufteilen wollte das System zu entwickeln. “ Die Entwicklungskosten werden auf 500 Millionen Euro für das System veranschlagt, das offenbar für rund 500.000 Autos pro Jahr sinnvoll sein müsste. Der Leiter des Projekts verließ Peugeot im Jahr 2014.

APUQ
APUQ (Association de Promotion de la Quasiturbine) hat das APUQ Air Car, ein von einer Quasiturbine angetriebenes Auto, gebaut.

Kritik
In einer Studie der University of California in Berkeley wurde ein Vergleich zwischen Benzin-, Batterie- und Druckluftautos in Bezug auf Treibhausgasemissionen, Kraftstoffkosten, Primärenergieverbrauch und Tankvolumen im Zusammenhang mit dem Bundesstaat Kalifornien durchgeführt. Die Vergleichsobjekte waren ein konventioneller Smart Fortwo, ein batterieelektrischer Smart Fortwo ED und ein hypothetisches Druckluftfahrzeug. Die technischen Parameter des Druckluftfahrzeugs wurden, sofern sie nicht bekannt sind, optimistisch geschätzt. In Bezug auf Treibhausgasemissionen, Treibstoffkosten und Tankvolumen schnitt das kalifornische Luftfahrzeug deutlich schlechter ab als das Benzin- oder Batterieauto. Lediglich beim Primärenergieverbrauch gab es einen Vorteil gegenüber dem Benzinauto, allerdings nur bei Betrieb mit erneuerbarer Energie. Das Batterieauto schnitt in allen Belangen deutlich besser ab als das Druckluftauto.

Weitere Kritik an MDI wird derzeit von aktuellen und ehemaligen Geschäftspartnern geübt, vor allem im Hinblick auf zugesagte Dienstleistungen und Technologietransfers, die noch nie durchgeführt wurden.