Carro de aire comprimido

Un automóvil de aire comprimido es un vehículo de aire comprimido que utiliza un motor alimentado por aire comprimido. El automóvil puede ser accionado únicamente por aire, o combinado (como en un vehículo eléctrico híbrido) con gasolina, diesel, etanol o una planta eléctrica con frenado regenerativo.

Visión general
Los motores neumáticos estacionarios se pueden encontrar en una variedad de máquinas y herramientas.

Varias aplicaciones de nicho con unidades de aire comprimido, como tranvías en Berna y locomotoras neumáticas, por ejemplo. B. En la construcción del túnel de Gotthard o locomotoras mineras, se han realizado en el pasado. Muchas de estas aplicaciones especiales ahora han sido reemplazadas por sistemas de transmisión eléctrica que son más simples y también libres de emisiones.

Las locomotoras de vapor de almacenamiento industrial tienen un concepto y una tecnología similares.

Historia
En 1838, Adraud y Tessié du Motay construyeron un automóvil neumático en París, que se presentó en 1840. En el transporte ferroviario, este tipo de conducción fue la primera en 1879 en el tranvía de Nantes (Francia). Los sistemas fueron desarrollados por el ingeniero francés de origen polaco Louis Mékarski.
El fabricante estadounidense MacKenzie & McArthur en New Haven (Connecticut) y la Autocrat Manufacturing Company en Hartford (Connecticut) se ocuparon del automóvil de aire comprimido. El nombre American Pneumatic debe llevar un automóvil de aire comprimido, cuya planificación fue anunciada en febrero de 1900 por la American Vehicle Company. Tampoco se comercializaron aviones de las marcas Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir y Pneumatic. De acuerdo con la primera revista comercial de los EE. UU., The Hub estaba en 1899 en Delaware, la Compañía de Vehículos de los Estados Unidos con un enorme capital social de 25 millones de dólares estadounidenses. para el propósito de «desarrollo de invenciones de Stackpole y Francesco y para la producción de automóviles de tamaño medio con aire comprimido». La compañía se menciona en 1900 con la dirección 1129 Broadway en el libro Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles of Hiscox (Vehículos sin automóvil, automóviles y motocicletas de Hiscox) y aún se encuentra en 1911 en el Registro de la Ciudad de Nueva York, con sede en 52 Broadway. Lo que finalmente se logró con esta enorme inversión de capital no está claro.

Propiedades
El accionamiento de aire comprimido funciona sin procesos de combustión y sin riesgo de chispas, como existe en los sistemas eléctricos. Por lo tanto, se utiliza muy bien en entornos explosivos, tales. B. en la minería subterránea.

Por otro lado, existen restricciones que hablan en contra de su uso como un medio de transporte masivo. Para transportar una cantidad suficiente de energía de accionamiento, son necesarios grandes tanques de aire comprimido (pesado). La densidad de energía del sistema de accionamiento ya es desfavorable en comparación con las simples baterías de plomo-ácido.

El aire comprimido es una de las fuentes de energía más caras. Su producción está afligida energéticamente con grandes pérdidas. Si el calor generado durante la compresión no se puede utilizar, se pierde en el balance de energía. Un motor de aire comprimido eficiente requiere una expansión de varias etapas con calefacción intermedia y, por lo tanto, es costoso (concepto de motor). Al relajar el aire comprimido hay un enfriamiento del motor. Debe suministrarse calor del medio ambiente. Si esto no está suficientemente asegurado, el rendimiento del motor de expansión disminuirá. Este efecto se mejora a bajas temperaturas ambientales.

Tecnología

Los motores
Los vagones de aire comprimido funcionan con motores impulsados ​​por aire comprimido, que se almacenan en un tanque a alta presión, como 31 MPa (4500 psi o 310 bar). En lugar de conducir 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 prototipos de automóviles desde la década de 1920, con aire comprimido utilizado en la propulsión de torpedos.

Tanques de almacenamiento
En contraste con los problemas de daños y peligros que presenta el hidrógeno en los choques de alto impacto, el aire, por sí solo, no es inflamable, se informó en Beyond Tomorrow de Seven Network que su propia fibra de carbono es frágil y se puede dividir bajo suficiente estrés , pero no crea metralla cuando lo hace. Los tanques de fibra de carbono mantienen el aire a una presión de alrededor de 4500 psi, haciéndolos comparables a los tanques de acero. Los carros están diseñados para llenarse con una bomba de alta presión.

En los vehículos de aire comprimido, los diseños de tanques tienden a ser isotérmicos; Se utiliza un intercambiador de calor de algún tipo para mantener la temperatura (y la presión) del tanque a medida que se extrae el aire.

Densidad de energia
El aire comprimido tiene una densidad de energía relativamente baja. El aire a 30 MPa (4.500 psi) contiene aproximadamente 50 Wh de energía por litro (y normalmente pesa 372 g por litro). Para 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 de energía de la gasolina en 8,890 Wh / l; sin embargo, un motor de gasolina típico con 18% de eficiencia solo puede recuperar el equivalente a 1694 Wh / l. La densidad de energía de un sistema de aire comprimido puede ser más del doble si el aire se calienta antes de la expansión.

Para aumentar la densidad de energía, algunos sistemas pueden usar gases que pueden licuarse o solidificarse. «El CO2 ofrece una compresibilidad mucho mayor que el aire cuando pasa de forma gaseosa a supercrítica».

Las emisiones
Los carros de aire comprimido podrían estar libres de emisiones en el escape. Como la fuente de energía de un automóvil con aire comprimido suele ser la electricidad, su impacto ambiental total depende de qué tan limpia esté la fuente de esta electricidad. Sin embargo, la mayoría de los coches de aire tienen motores de gasolina para diferentes tareas. La emisión se puede comparar con la mitad de la cantidad de dióxido de carbono producido por un Toyota Prius (alrededor de 0.34 libras por milla). Algunos motores pueden ser alimentados de otra manera, considerando que diferentes regiones pueden tener fuentes de energía muy diferentes, que van desde fuentes de energía de alta emisión, como carbón, hasta fuentes de energía de cero emisiones. Una región dada también puede cambiar sus fuentes de energía eléctrica con el tiempo, lo que mejora o empeora las emisiones totales.

Sin embargo, un estudio de 2009 demostró que incluso con supuestos muy optimistas, el almacenamiento de energía en el aire es menos eficiente que el almacenamiento químico (batería).

Ventajas
Las principales ventajas de un motor neumático son:

No utiliza gasolina u otro combustible a base de biocarbono.
El reabastecimiento de combustible se puede hacer en el hogar, pero llenar los tanques a plena presión requeriría compresores de 250 a 300 bares, que normalmente no están disponibles para la utilización estándar del hogar, considerando el peligro inherente a estos niveles de presión. Al igual que con la gasolina, las estaciones de servicio tendrían que instalar las instalaciones aéreas necesarias si dichos autos se volvieran lo suficientemente populares como para justificarlo.
Los motores de aire comprimido reducen el costo de producción del vehículo, ya que no hay necesidad de construir un sistema de enfriamiento, bujías, motor de arranque o silenciadores.
La tasa de autodescarga es muy baja en comparación con las baterías que agotan su carga lentamente con el tiempo. Por lo tanto, el vehículo puede dejarse sin uso durante períodos de tiempo más prolongados que los automóviles eléctricos.
La expansión del aire comprimido baja su temperatura; Esto puede ser explotado para su uso como aire acondicionado.
Reducción o eliminación de sustancias químicas peligrosas como gasolina o ácidos / metales de baterías.
Algunas configuraciones mecánicas pueden permitir la recuperación de energía durante el frenado al comprimir y almacenar aire.
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 de aire híbrido. Pero esto solo se refiere a los conceptos de aire híbrido (debido a la recuperación de energía durante el frenado), no a los vehículos de aire comprimido solo.

Desventajas
Las principales desventajas son los pasos de conversión y transmisión de energía, porque cada uno tiene pérdidas inherentes. En los automóviles con motor de combustión, la energía se pierde cuando el motor convierte la energía química en combustibles fósiles en energía mecánica. Para los automóviles eléctricos, la electricidad de una central eléctrica (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 central eléctrica se transmite a un compresor, que comprime mecánicamente el aire en el tanque del automóvil. El motor del automóvil convierte el aire comprimido en energía mecánica.

Preocupaciones adicionales:

Cuando el aire se expande en el motor, se enfría dramáticamente y debe calentarse a temperatura ambiente utilizando 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: mientras 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 pone muy frío y puede enfriarse en climas fríos y húmedos.

Esto también lleva a la necesidad de deshidratar completamente el aire comprimido. Si alguna humedad subsiste en el aire comprimido, el motor se detendrá debido a la formación de hielo interior. Eliminar la humedad por completo requiere energía adicional que no se puede reutilizar y se pierde. (A 10 g de agua por m3, valor típico del aire en verano, debe sacar 900 g de agua en 90 m3; con una entalpía de vaporización de 2.26MJ / kg necesitará teóricamente un mínimo de 0,6 kWh; técnicamente, con secado en frío esta cifra debe multiplicarse por 3 – 4. Además, la deshidratación solo se puede realizar con compresores profesionales, por lo que la carga de una casa será completamente imposible, o al menos no a un costo razonable.)
Por el contrario, cuando el aire se comprime 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 mientras se carga.
Alternativamente, se puede usar un resorte para almacenar el trabajo del aire cuando se inserta en el tanque, manteniendo así una baja diferencia de presión entre el tanque y el recargador, lo que resulta en un aumento de temperatura más bajo para el aire transferido.

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. Para almacenar 2,5 kWh a 300 bar en depósitos de 300 litros (90 m3 de aire a 1 bar), se requieren aproximadamente 30 kWh de energía del compresor (con un compresor adiabático de una etapa), o aprox. 21 kWh con unidad estándar industrial multietapa. 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 unidad de varias etapas. Sin embargo, el interenfriamiento y la compresión isotérmica son mucho más eficientes y prácticos que la compresión adiabática, si se instalan intercambiadores de calor suficientemente grandes. Tal vez se puedan lograr eficiencias de hasta el 65% ((mientras que la eficiencia actual de los compresores industriales grandes es de un máximo del 50%), sin embargo, es inferior a 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 reabastecimiento de combustible anteriores, es de alrededor del 5-7%. A modo de comparación, la eficiencia entre la rueda y la rueda de un tren motriz de combustión interna convencional es de alrededor del 14%,

Las primeras pruebas han demostrado la limitada capacidad de almacenamiento de los tanques; La única prueba publicada de un vehículo que funcionaba solo con aire comprimido se limitó a un rango de 7.22 km.

Un estudio realizado en 2005 demostró que los autos que funcionan con baterías de iones de litio superan a los vehículos con aire comprimido y con celdas de combustible más de tres veces a la misma velocidad. MDI afirmó en 2007 que un automóvil aéreo podría viajar 140 km en conducción urbana y tener un alcance de 80 km con una velocidad máxima de 110 km / h (68 mph) en carreteras, cuando se opera solo con aire comprimido, pero como de agosto de 2017 aún no se ha producido un vehículo que coincida con este rendimiento.

Una carta de investigación de la Universidad de Berkeley de 2009 encontró que «Incluso bajo supuestos altamente optimistas, el automóvil con aire comprimido es significativamente menos eficiente que un vehículo eléctrico con batería y produce más emisiones de gases de efecto invernadero que un automóvil convencional a gas con una combinación de energía de carbón intensivo». Sin embargo, también sugirieron que «un híbrido de combustión neumática es tecnológicamente factible, económico y podría eventualmente competir con los vehículos eléctricos híbridos».

A menudo se acompaña de un pequeño motor de gasolina que lo ayuda con diversas tareas, como iniciar y mantener velocidades de trabajo. Este motor emite dióxido de carbono.

Seguridad de choque
No se han verificado las afirmaciones de seguridad para tanques de aire liviano para vehículos en colisiones severas. Aún no se han realizado pruebas de choque en América del Norte, y los escépticos cuestionan la capacidad de un vehículo ultraligero ensamblado con adhesivos para producir resultados de seguridad de choque aceptables. Shiva Vencat, vicepresidente de MDI y CEO de Zero Pollution Motors, afirma que el vehículo pasaría las pruebas de choque y cumpliría con las normas 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 coche ligero de más de 100 mpg que haya superado las pruebas de choque en América del Norte. Los avances tecnológicos pronto lo harán posible, pero el AirCar aún tiene que probarse a sí mismo, y las preguntas sobre seguridad en caso de colisión continúan.

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 el diseño hacia minimizar el peso.

Según un informe de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en 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 recorrida. Por ejemplo, una persona que conduce 12,000 millas por año durante 55 años tendría un 1% de probabilidad de estar involucrada en un accidente fatal. Esto es el doble de la tasa de mortalidad de la clase de vehículo más segura, un «automóvil grande». De acuerdo con los datos de este informe, el número de accidentes fatales por milla se correlaciona débilmente 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 autos «grandes», las pickups y los SUV tienen tasas de mortalidad más bajas que los autos «pequeños», las pickups y los SUV. Este es el caso en 7 de las 10 clases, con la excepción de los vehículos de tamaño mediano, donde las minivans y los autos de tamaño mediano se encuentran entre las clases más seguras, mientras que los SUV de tamaño mediano 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 adicional lo que hace que sean más seguros. El informe de la NHTSA dice: «Los vehículos más pesados ​​históricamente han hecho un mejor trabajo protegiendo a sus ocupantes en choques. Sus capuchas más largas y espacio adicional en el compartimiento para ocupantes brindan la oportunidad de una desaceleración más gradual del vehículo y del ocupante dentro del vehículo. .. Si bien es concebible que los vehículos ligeros puedan construirse con capuchas largas y pulsos de desaceleración similares, probablemente requeriría cambios importantes en los materiales y el diseño y / o en quitar el peso de sus motores, accesorios, etc. »

Los vehículos aéreos pueden usar neumáticos de baja resistencia a la rodadura, que generalmente ofrecen menos agarre que los neumáticos normales. Además, el peso (y el precio) de los sistemas de seguridad como las bolsas de aire, ABS y ESC pueden disuadir a los fabricantes de incluirlos.

Desarrolladores y fabricantes.
Varias compañías están invirtiendo en la investigación, desarrollo y despliegue de automóviles de aire comprimido. Los informes demasiado optimistas de producción inminente se remontan a por lo menos mayo de 1999. Por ejemplo, el MDI Air Car hizo su debut público en Sudáfrica en 2002, y se predijo que estaría en producción «dentro de seis meses» en enero de 2004. En enero de 2009 , el coche aéreo nunca entró en producción en Sudáfrica. La mayoría de los autos en desarrollo también confían en el uso de tecnología similar a los vehículos de bajo consumo de energía para aumentar el alcance y el rendimiento de sus automóviles.

MDI
MDI ha propuesto una gama de vehículos compuestos por AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir y MultiFlowAir. 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. Esta ‘innovación’ se utilizó por primera vez en torpedos en 1904.

Tata Motors
A partir de enero de 2009, Tata Motors de la India había planeado lanzar un automóvil con un motor de aire comprimido MDI en 2011. 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 que había evaluado el diseño pasando la fase 1, la «prueba del concepto técnico» hacia la plena producción para el mercado indio. Tata pasó a la fase 2, «completando el desarrollo detallado del motor de aire comprimido en aplicaciones específicas de vehículos y estacionarias».

En febrero de 2017, el Dr. Tim Leverton, presidente y jefe de Advanced and Product Engineering en Tata, reveló que estaba en un punto de «inicio de la industrialización» con los primeros vehículos disponibles para 2020. Otros informes indican que Tata también está buscando reactivar planes para una Versión de aire comprimido del Tata Nano, que anteriormente se había considerado como parte de su colaboración con MDI.

Engineair
Engineair es una empresa australiana que ha producido prototipos de una variedad de prototipos de vehículos pequeños utilizando un innovador motor de aire rotativo diseñado por Angelo Di Pietro. La compañía está buscando socios comerciales para utilizar su motor.

Peugeot / Citroën
Peugeot y Citroën anunciaron que tenían la intención de construir un automóvil que utilizara aire comprimido como fuente de energía. Sin embargo, el automóvil que están diseñando utiliza un sistema híbrido que también utiliza un motor de gasolina (que se utiliza para impulsar el automóvil a más de 70 km / h, o cuando el tanque de aire comprimido se ha agotado). En enero de 2015, hubo «Noticias decepcionantes de Francia: PSA Peugeot Citroen ha puesto un control indefinido en el desarrollo de su tren de potencia híbrido de sonido prometedor, aparentemente porque la compañía no ha podido encontrar un socio de desarrollo dispuesto a dividir los enormes costos de ingeniería del sistema «. Los costos de desarrollo se estiman en 500 millones de euros para el sistema, que al parecer tendría que ajustarse a unos 500.000 automóviles al año para que tenga sentido. El responsable del proyecto abandonó Peugeot en 2014.

APUQ
APUQ (Asociación de Promoción de Usos de la Quasiturbina) ha fabricado el APUQ Air Car, un automóvil propulsado por una Quasiturbina.

Crítica
En un estudio de la Universidad de California, Berkeley, se realizó una comparación entre el automóvil a gasolina, el eléctrico con batería y el neumático en términos de emisiones de gases de efecto invernadero, costos de combustible, consumo de energía primaria y volumen de tanques relacionados con el estado de California. Los objetos de comparación fueron un Smart Fortwo convencional, una batería eléctrica Fortwo ED y un hipotético auto neumático. Los parámetros técnicos del vehículo de aire comprimido, si se desconocen, se estimaron de manera optimista. En cuanto a las emisiones de gases de efecto invernadero, los costos de combustible y el volumen del tanque, el automóvil con motor de California tuvo un desempeño significativamente peor que el de la gasolina o el de batería. Solo en términos de consumo de energía primaria hubo una ventaja sobre el automóvil de gasolina, pero solo cuando se opera con energía renovable. El carro de batería funcionó significativamente mejor que el carro de aire comprimido en todos los aspectos.

Actualmente, los socios comerciales actuales y anteriores están haciendo más críticas a MDI, principalmente con respecto a los servicios prometidos y las transferencias de tecnología que nunca se han realizado.