Auto ad aria compressa

Un’auto ad aria compressa è un veicolo ad aria compressa che utilizza un motore alimentato ad aria compressa. L’auto può essere alimentata esclusivamente da aria, o combinata (come in un veicolo elettrico ibrido) con benzina, diesel, etanolo o un impianto elettrico con frenata rigenerativa.

Panoramica
I motori pneumatici stazionari possono essere trovati in una varietà di macchine e strumenti.

Varie applicazioni di nicchia con trasmissione ad aria compressa, come i tram a Berna e le locomotive ad aria compressa, ad es. B. nella costruzione del tunnel del Gottardo o delle locomotive minerarie, sono state realizzate in passato. Molte di queste applicazioni speciali sono state ora sostituite da sistemi di azionamento elettrici più semplici e privi di emissioni.

Le locomotive a vapore per lo stoccaggio industriale hanno un concetto e una tecnologia simili.

Storia
Già nel 1838, una macchina pneumatica fu costruita da Adraud e Tessié du Motay a Parigi e presentata nel 1840. Nel trasporto ferroviario, questo tipo di guida fu prima nel 1879 al tram di Nantes usato (Francia). I sistemi furono sviluppati dall’ingegnere francese di origini polacche Louis Mékarski.
Il produttore statunitense MacKenzie & McArthur di New Haven (Connecticut) e l’Autocrat Manufacturing Company di Hartford (Connecticut) si sono occupati dell’auto ad aria compressa. Il nome American Pneumatic dovrebbe trasportare un’automobile alimentata ad aria compressa, la cui progettazione fu annunciata nel febbraio 1900 dalla American Vehicle Company. Inoltre, non erano commercializzati aeromobili dei marchi Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir e Pneumatic, secondo la prima rivista di settore statunitense The Hub era nel 1899 in Delaware, la compagnia di veicoli degli Stati Uniti con un capitale sociale enorme di 25 milioni di Stati Uniti. ai fini dello “sviluppo delle invenzioni di Stackpole e Francesco e per la produzione di auto di medie dimensioni con trasmissione ad aria compressa”. La compagnia è menzionata nel 1900 con l’indirizzo 1129 Broadway nel libro Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles of Hiscox ed è ancora nel 1911 nel Registro della città di New York, con sede a 52 Broadway. Ciò che alla fine è stato raggiunto con questo enorme investimento di capitale non è chiaro.

Proprietà
La trasmissione ad aria compressa funziona senza processi di combustione e senza il rischio di scintille, poiché esiste sui sistemi elettrici. È quindi molto ben utilizzato in ambienti esplosivi, come ad esempio. B. nel settore minerario sotterraneo.

D’altra parte, ci sono restrizioni che parlano contro l’utilizzo come mezzo di trasporto di massa. Per trasportare una quantità sufficiente di energia motrice, sono necessari grandi (pesanti) serbatoi d’aria compressa. La densità di energia del sistema di azionamento è già sfavorevole rispetto alle semplici batterie piombo-acido.

L’aria compressa è una delle fonti di energia più costose. La loro produzione è energeticamente afflitta da perdite molto grandi. Se il calore generato durante la compressione non può essere utilizzato, viene perso nel bilancio energetico. Un efficiente motore ad aria compressa richiede un’espansione a più stadi con riscaldamento intermedio ed è quindi costoso (concetto di motore). Rilassando l’aria compressa c’è un raffreddamento del motore. Deve essere fornito calore dall’ambiente. Se questo non è sufficientemente garantito, le prestazioni del motore di espansione diminuiranno. Questo effetto è migliorato a basse temperature ambientali.

Tech

motori
Le macchine ad aria compressa sono azionate da motori azionati da aria compressa, che viene immagazzinata in un serbatoio ad alta pressione, ad esempio 31 MPa (4500 psi o 310 bar). Invece di guidare i pistoni del motore con una miscela di aria e combustibile, le auto ad aria compressa utilizzano l’espansione dell’aria compressa, in modo simile all’espansione del vapore in un motore a vapore.

Ci sono stati prototipi di automobili sin dagli anni ’20, con l’aria compressa utilizzata nella propulsione a siluro.

Serbatoi di stoccaggio
Contrariamente ai problemi di idrogeno di danni e di pericolo coinvolti in incidenti di grande impatto, l’aria, da sola, non è infiammabile, è stata segnalata su Beyond Tomorrow di Seven Network che la sua fibra di carbonio è fragile e può dividere sotto stress sufficiente , ma non crea shrapnel quando lo fa. I serbatoi in fibra di carbonio trattengono in modo sicuro l’aria a una pressione di circa 4500 psi, rendendoli simili ai serbatoi di acciaio. Le auto sono progettate per essere riempite con una pompa ad alta pressione.

Nei veicoli ad aria compressa i disegni tendono ad essere isotermici; uno scambiatore di calore di qualche tipo viene utilizzato per mantenere la temperatura (e la pressione) del serbatoio quando viene estratta l’aria.

Densita ‘energia
L’aria compressa ha una densità di energia relativamente bassa. L’aria a 30 MPa (4.500 psi) contiene circa 50 Wh di energia per litro (e normalmente pesa 372g per litro). Per confronto, una batteria al piombo contiene 60-75 Wh / l. Una batteria agli ioni di litio contiene circa 250-620 Wh / l. L’EPA stima la densità energetica della benzina a 8.890 Wh / l; tuttavia, un tipico motore a benzina con il 18% di efficienza può recuperare solo l’equivalente di 1694 Wh / l. La densità di energia di un sistema di aria compressa può essere più che raddoppiata se l’aria viene riscaldata prima dell’espansione.

Al fine di aumentare la densità di energia, alcuni sistemi possono utilizzare gas che possono essere liquefatti o solidificati. “La CO2 offre una compressibilità molto maggiore rispetto all’aria quando passa dalla forma gassosa a quella supercritica”.

emissioni
Le auto ad aria compressa potrebbero essere prive di emissioni allo scarico. Poiché la fonte di energia di un’auto ad aria compressa è solitamente l’elettricità, il suo impatto ambientale totale dipende dalla pulizia della fonte di questa elettricità. Tuttavia, la maggior parte delle auto aeree hanno motori a benzina per compiti diversi. L’emissione può essere confrontata con la metà della quantità di anidride carbonica prodotta da una Toyota Prius (essendo circa 0,34 libbre per miglio). Alcuni motori possono essere alimentati altrimenti, considerando che diverse regioni possono avere fonti di energia molto diverse, che vanno da fonti di energia ad alta emissione come il carbone a fonti di energia a emissioni zero. Una determinata regione può anche modificare le sue fonti di energia elettrica nel tempo, migliorando o peggiorando le emissioni totali.

Tuttavia, uno studio del 2009 ha dimostrato che anche con ipotesi molto ottimistiche, lo stoccaggio di energia nell’aria è meno efficiente dello stoccaggio chimico (a batteria).

vantaggi
I principali vantaggi di un motore pneumatico sono

Non usa benzina o altro carburante a base di biocarburanti.
Il rifornimento di carburante può essere fatto a casa, ma il riempimento dei serbatoi a piena pressione richiederebbe compressori per 250-300 bar, che non sono normalmente disponibili per l’utilizzo domestico standard, considerando il pericolo inerente a questi livelli di pressione. Come per la benzina, le stazioni di servizio dovrebbero installare le strutture aeree necessarie se tali veicoli sono diventati sufficientemente popolari da meritarsi.
I motori ad aria compressa riducono il costo della produzione del veicolo, perché non è necessario costruire un sistema di raffreddamento, candele, motorini di avviamento o marmitte.
Il tasso di autoscarica è molto basso rispetto alle batterie che riducono lentamente la carica nel tempo. Pertanto, il veicolo può essere lasciato inutilizzato per lunghi periodi di tempo rispetto alle auto elettriche.
L’espansione dell’aria compressa riduce la sua temperatura; questo può essere sfruttato per l’uso come aria condizionata.
Riduzione o eliminazione di sostanze chimiche pericolose come benzina o acidi / metalli della batteria
Alcune configurazioni meccaniche possono consentire il recupero di energia durante la frenata comprimendo e immagazzinando aria.
La svedese Lund University riporta che gli autobus potrebbero vedere un miglioramento dell’efficienza dei consumi fino al 60% utilizzando un sistema ibrido aereo. Ma questo si riferisce solo ai concetti di aria ibrida (dovuti al recupero di energia durante la frenata), non ai veicoli ad aria compressa.

svantaggi
I principali svantaggi sono i passaggi di conversione e trasmissione dell’energia, poiché ciascuno ha intrinsecamente una perdita. Per le auto a motore a combustione, l’energia viene persa quando l’energia chimica nei combustibili fossili viene convertita dal motore in energia meccanica. Per le auto elettriche, l’elettricità di una centrale elettrica (da qualsiasi fonte) viene trasmessa alle batterie dell’auto, che quindi trasmette l’elettricità al motore dell’automobile, che la converte in energia meccanica. Per le auto ad aria compressa, l’elettricità della centrale elettrica viene trasmessa a un compressore, che comprime meccanicamente l’aria nel serbatoio dell’auto. Il motore dell’auto converte quindi l’aria compressa in energia meccanica.

Ulteriori preoccupazioni:

Quando l’aria si espande nel motore, si raffredda notevolmente e deve essere riscaldata a temperatura ambiente utilizzando uno scambiatore di calore. Il riscaldamento è necessario per ottenere una frazione significativa della produzione di energia teorica. Lo scambiatore di calore può essere problematico: mentre svolge un compito simile a un intercooler per un motore a combustione interna, la differenza di temperatura tra l’aria in entrata e il gas di lavoro è minore. Nel riscaldamento dell’aria immagazzinata, il dispositivo diventa molto freddo e può ghiacciare in climi freschi e umidi.

Ciò porta anche alla necessità di disidratare completamente l’aria compressa. Se l’umidità dell’aria sussiste nell’aria compressa, il motore si fermerà a causa della formazione di ghiaccio all’interno. La rimozione completa dell’umidità richiede energia aggiuntiva che non può essere riutilizzata e viene persa. (A 10 g di acqua per m3 di aria-valore tipico in estate- devi estrarre 900 g di acqua in 90 m3, con un’entalpia di vaporizzazione di 2,26 MJ / kg occorrerà teoricamente un minimo di 0,6 kWh, tecnicamente, con essiccazione a freddo questa cifra deve essere moltiplicata per 3 – 4. Inoltre, la disidratazione può essere effettuata solo con compressori professionali, in modo che una ricarica domestica sia completamente impossibile, o almeno non ad un costo ragionevole.)
Al contrario, quando l’aria viene compressa per riempire il serbatoio, la sua temperatura aumenta. Se l’aria immagazzinata non viene raffreddata durante il riempimento del serbatoio, quando l’aria si raffredda in seguito, la sua pressione diminuisce e l’energia disponibile diminuisce.

Per mitigare questo, il serbatoio può essere dotato di uno scambiatore di calore interno per raffreddare l’aria in modo rapido ed efficiente durante la ricarica.
In alternativa, è possibile utilizzare una molla per immagazzinare il lavoro dall’aria quando viene inserito nel serbatoio, mantenendo così una bassa differenza di pressione tra il serbatoio e il caricabatterie, che si traduce in un aumento di temperatura più basso per l’aria trasferita.

Il rifornimento di carburante del contenitore dell’aria compressa con un compressore d’aria convenzionale casalingo o di fascia bassa può richiedere fino a 4 ore, anche se le apparecchiature specializzate nelle stazioni di servizio possono riempire i serbatoi in soli 3 minuti. Per conservare 2,5 kWh @ 300 bar in serbatoi da 300 litri (90 m3 di aria a 1 bar), sono necessari circa 30 kWh di energia del compressore (con un compressore adiabatico monostadio) o ca. 21 kWh con un’unità multistadio standard industriale. Ciò significa che è necessaria una potenza del compressore di 360 kW per riempire i serbatoi in 5 minuti da un’unità monostadio, o 250 kW per una multistadio. Tuttavia, l’intercooling e la compressione isotermica sono molto più efficienti e più pratici della compressione adiabatica, se sono installati scambiatori di calore sufficientemente grandi. Potrebbero forse essere raggiunte efficienze fino al 65% (considerando che l’efficienza attuale dei compressori industriali di grandi dimensioni è pari al 50% massimo), tuttavia questo è inferiore all’efficienza di Coulomb con le batterie al piombo acido.

L’efficienza complessiva di un veicolo che utilizza l’accumulo di energia ad aria compressa, utilizzando i dati sopra riportati, è di circa il 5-7%. Per confronto, bene a efficienza di ruota di un drivetrain di combustione interna convenzionale è circa il 14%,

I primi test hanno dimostrato la limitata capacità di stoccaggio dei serbatoi; l’unico test pubblicato su un veicolo funzionante solo con aria compressa era limitato a un intervallo di 7,22 km.

Uno studio del 2005 ha dimostrato che le auto che funzionano con batterie agli ioni di litio superano di oltre tre volte le vetture ad aria compressa e quelle a celle a combustibile alla stessa velocità. Nel 2007 MDI ha affermato che un’aeromobile sarà in grado di percorrere 140 km nella guida urbana e di percorrere un’autonomia di 80 km con una velocità massima di 110 km / h (68 mph) sulle autostrade, operando solo con aria compressa ma come di agosto 2017 devono ancora produrre un veicolo che corrisponda a questa prestazione.

Una lettera di ricerca dell’Università di Berkeley del 2009 ha rilevato che “Anche in ipotesi altamente ottimistiche, l’auto ad aria compressa è significativamente meno efficiente di un veicolo elettrico a batteria e produce più emissioni di gas serra rispetto a una convenzionale auto a gas con un mix di potenza ad alta intensità di carbone.” Tuttavia, hanno anche suggerito, “un ibrido a combustione pneumatica è tecnicamente fattibile, poco costoso e potrebbe eventualmente competere con veicoli elettrici ibridi”.

Spesso è accompagnato da un piccolo motore a benzina che lo aiuta con varie attività come l’avvio e il mantenimento della velocità di lavoro. Questo motore emette biossido di carbonio.

Crash di sicurezza
Non sono state verificate le indicazioni di sicurezza per i serbatoi d’aria leggeri dei veicoli in caso di gravi collisioni. I crash test nordamericani non sono ancora stati condotti e gli scettici mettono in discussione la capacità di un veicolo ultraleggero assemblato con adesivi per produrre risultati accettabili di sicurezza in caso di incidente. Shiva Vencat, vice presidente di MDI e CEO di Zero Pollution Motors, afferma che il veicolo supererà i crash test e soddisferà gli standard di sicurezza degli Stati Uniti. Insiste sul fatto che i milioni di dollari investiti nell’AirCar non sarebbero inutili. Fino ad oggi, non c’è mai stata una leggera mpg da oltre 100 auto che abbia superato i crash test nordamericani. I progressi tecnologici potrebbero presto renderlo possibile, ma l’AirCar deve ancora dimostrare la sua validità e le questioni relative alla sicurezza delle collisioni rimangono.

La chiave per raggiungere una gamma accettabile con un’auto aerea sta riducendo la potenza necessaria per guidare l’auto, per quanto è pratico. Questo spinge il design verso la riduzione al minimo del peso.

Secondo un rapporto del National Highway Traffic Safety Administration del governo degli Stati Uniti, tra 10 diverse classi di veicoli passeggeri, le “auto molto piccole” hanno il più alto tasso di mortalità per chilometro percorso. Ad esempio, una persona che percorre 12.000 miglia all’anno per 55 anni avrebbe una probabilità dell’1% di essere coinvolta in un incidente mortale. Questo è il doppio del tasso di mortalità della classe di veicoli più sicura, una “macchina grande”. Secondo i dati di questo rapporto, il numero di incidenti mortali per miglio è solo debolmente correlato al peso del veicolo, con un coefficiente di correlazione di appena (-0,45). Una correlazione più forte è vista con le dimensioni del veicolo nella sua classe; ad esempio, auto “grandi”, pickup e SUV, hanno tassi di mortalità più bassi rispetto a “piccole” automobili, pickup e SUV. Questo è il caso in 7 delle 10 classi, con l’eccezione dei veicoli di medie dimensioni, dove i minivan e le auto di media grandezza sono tra le classi più sicure, mentre i SUV di media taglia sono la seconda più fatale dopo auto molto piccole. Anche se a volte i veicoli più pesanti sono statisticamente più sicuri, non è necessariamente il peso aggiuntivo che li rende più sicuri. Il rapporto NHTSA afferma: “I veicoli più pesanti hanno storicamente svolto un lavoro migliore ammortizzando i loro occupanti in caso di incidente: cappucci più lunghi e spazio extra nel vano occupante offrono l’opportunità di una decelerazione più graduale del veicolo e degli occupanti all’interno del veicolo. .. Mentre è concepibile che i veicoli leggeri possano essere costruiti con cappucci altrettanto lunghi e leggeri impulsi di decelerazione, probabilmente richiederebbero grandi cambiamenti nei materiali e nella progettazione e / o prendere peso dai loro motori, accessori, ecc. ”

Le auto aeree possono utilizzare pneumatici a bassa resistenza al rotolamento, che in genere offrono meno grip rispetto ai pneumatici normali. Inoltre, il peso (e il prezzo) dei sistemi di sicurezza come gli airbag, l’ABS e l’ESC potrebbero scoraggiare i produttori dall’includerli.

Sviluppatori e produttori
Diverse compagnie stanno investendo nella ricerca, nello sviluppo e nella distribuzione di auto ad aria compressa. Rapporti eccessivi di produzione imminente risalgono almeno al maggio 1999. Ad esempio, la MDI Air Car ha fatto il suo debutto pubblico in Sud Africa nel 2002 e si prevede che sarà in produzione “entro sei mesi” nel gennaio 2004. A partire da gennaio 2009 , la macchina aerea non è mai stata messa in produzione in Sud Africa. La maggior parte delle auto in fase di sviluppo si basa anche sull’utilizzo di tecnologie simili a veicoli a basso consumo energetico per aumentare la portata e le prestazioni delle loro vetture.

MDI
MDI ha proposto una gamma di veicoli composta da AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir e MultiFlowAir. Una delle principali innovazioni di questa azienda è la sua implementazione della “camera attiva”, che è un compartimento che riscalda l’aria (attraverso l’uso di un combustibile) per raddoppiare la produzione di energia. Questa “innovazione” fu usata per la prima volta nei siluri nel 1904.

Tata Motors
A partire dal gennaio 2009, Tata Motors of India aveva programmato di lanciare un’automobile con un motore ad aria compressa MDI nel 2011. Nel dicembre 2009 il vicepresidente dei sistemi di ingegneria di Tata ha confermato che la gamma limitata e le basse temperature del motore stavano causando problemi.

Tata Motors ha annunciato nel maggio 2012 di aver valutato il passaggio di progettazione fase 1, la “prova del concetto tecnico” verso la piena produzione per il mercato indiano. Tata è passata alla fase 2, “completando lo sviluppo dettagliato del motore ad aria compressa in specifici veicoli e applicazioni stazionarie”.

Nel febbraio 2017, il dott. Tim Leverton, presidente e direttore di Advanced and Product Engineering di Tata, ha dichiarato di “iniziare l’industrializzazione” con i primi veicoli disponibili entro il 2020. Altri rapporti indicano che Tata sta anche valutando piani di rilancio per un versione ad aria compressa della Tata Nano, che era stata precedentemente considerata come parte della loro collaborazione con MDI.

engineAIR
Engineair è un’azienda australiana che ha prodotto prototipi di una varietà di prototipi di piccoli veicoli utilizzando un innovativo motore ad aria rotante progettato da Angelo Di Pietro. La società sta cercando partner commerciali per utilizzare il suo motore.

Peugeot / Citroën
Peugeot e Citroën hanno annunciato che intendevano costruire un’auto che utilizza l’aria compressa come fonte di energia. Tuttavia, l’auto che stanno progettando utilizza un sistema ibrido che utilizza anche un motore a benzina (che viene utilizzato per spingere l’auto oltre 70 km / h, o quando il serbatoio dell’aria compressa è stato esaurito). A gennaio 2015 ci sono state “notizie deludenti dalla Francia: la PSA Peugeot Citroen ha messo una tenuta indefinita sullo sviluppo del suo promettente propulsore Hybrid Air, apparentemente perché la compagnia non è stata in grado di trovare un partner di sviluppo disposto a dividere gli enormi costi di ingegneria del sistema. ” I costi di sviluppo sono stimati a 500 milioni di euro per il sistema, che a quanto pare dovrebbe essere adattato a circa 500.000 auto all’anno per avere un senso. Il capo del progetto ha lasciato Peugeot nel 2014 ..

APUQ
APUQ (Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine) ha realizzato la APUQ Air Car, una macchina alimentata da una Quasiturbina.

Critica
In uno studio dell’Università della California, a Berkeley, è stato fatto un confronto tra auto a benzina, auto elettrica a batteria e auto pneumatica in termini di emissioni di gas serra, costi del carburante, consumo di energia primaria e volume del serbatoio relativo allo stato della California. Gli oggetti di confronto erano una Smart Fortwo convenzionale, una Smart elettrica Smart Fortwo e un’ipotetica macchina pneumatica. I parametri tecnici del veicolo ad aria compressa, se sconosciuti, sono stati stimati ottimisticamente. In termini di emissioni di gas serra, costi del carburante e volume del serbatoio, l’auto ad aria compressa della California si è comportata significativamente peggio della benzina o della batteria. Solo in termini di consumo di energia primaria c’era un vantaggio rispetto all’auto a benzina, ma solo quando si utilizzava energia rinnovabile. L’auto batteria ha funzionato in modo significativamente migliore rispetto all’auto ad aria compressa a tutti gli effetti.

Ulteriori critiche a MDI sono attualmente in corso da parte di attuali ed ex partner commerciali, principalmente per quanto riguarda i servizi promessi e i trasferimenti di tecnologia che non sono mai stati eseguiti.