Carro de ar comprimido

Um carro de ar comprimido é um veículo de ar comprimido que usa um motor movido a ar comprimido. O carro pode ser movido exclusivamente por ar ou combinado (como em um veículo elétrico híbrido) com gasolina, diesel, etanol ou uma planta elétrica com frenagem regenerativa.

Visão geral
Motores de ar estacionários podem ser encontrados em uma variedade de máquinas e ferramentas.

Várias aplicações de nicho com acionamento de ar comprimido, como bondes em Berna e locomotivas movidas a ar, por exemplo. B. na construção do túnel de Gotthard ou locomotivas de minas, foram realizadas no passado. Muitas dessas aplicações especiais foram substituídas por sistemas de acionamento elétrico mais simples e livres de emissões.

Locomotivas a vapor de armazenamento industrial têm conceito e tecnologia similares.

História
Já em 1838, um carro pneumático foi construído por Adraud e Tessié du Motay em Paris e apresentado em 1840. No transporte ferroviário, este tipo de unidade foi o primeiro em 1879 no bonde em Nantes usado (França). Os sistemas foram desenvolvidos pelo engenheiro francês de ascendência polaca Louis Mékarski.
O fabricante norte-americano MacKenzie & McArthur em New Haven (Connecticut) e a Autocrat Manufacturing Company em Hartford (Connecticut) lidaram com o carro a ar comprimido. O nome American Pneumatic deve ter um carro movido a ar comprimido, cujo planejamento foi anunciado em fevereiro de 1900 pela American Vehicle Company. Também não comercializados foram aeronaves das marcas Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir e Pneumatic, Segundo a antiga revista comercial norte-americana The Hub foi em 1899 em Delaware, a empresa de veículos dos Estados Unidos com um enorme capital social de 25 milhões US $ com a finalidade de “desenvolvimento de invenções de Stackpole e Francesco e para a produção de carros de tamanho médio com acionamento de ar comprimido”. A empresa é mencionada em 1900 com o endereço 1129 Broadway no livro Horseless Vehicles, Automobiles e Motorcycles of Hiscox e ainda está em 1911 no Registro da Cidade de Nova York, sediada na Broadway 52. O que foi finalmente alcançado com este enorme investimento de capital não é claro.

Propriedades
O acionamento de ar comprimido opera sem processos de combustão e sem o risco de faíscas, como existe nos sistemas elétricos. É, portanto, muito bem usado em ambientes explosivos, tais. B. na mineração subterrânea.

Por outro lado, existem restrições que falam contra o uso como meio de transporte de massa. Para transportar uma quantidade suficiente de energia de acionamento, são necessários tanques de ar comprimido grandes (pesados). A densidade de energia do sistema de acionamento já é desfavorável em comparação com as baterias simples de chumbo-ácido.

O ar comprimido é uma das fontes de energia mais caras. Sua produção é energicamente afetada por perdas muito grandes. Se o calor gerado durante a compressão não puder ser usado, ele será perdido no balanço de energia. Um motor de ar comprimido eficiente requer uma expansão de múltiplos estágios com aquecimento intermediário e, portanto, é caro (conceito do motor). Ao relaxar o ar comprimido, há um arrefecimento do motor. Deve ser fornecido calor do ambiente. Se isso não for suficientemente garantido, o desempenho do mecanismo de expansão diminuirá. Este efeito é aprimorado em baixas temperaturas ambientes.

Tech

Motores
Os carros de ar comprimido são alimentados por motores movidos a ar comprimido, que são armazenados em um tanque a alta pressão, como 31 MPa (4500 psi ou 310 bar). Em vez de dirigir os pistões do motor com uma mistura de combustível e ar inflamado, os carros a ar comprimido usam a expansão do ar comprimido, de maneira semelhante à expansão do vapor em uma máquina a vapor.

Há protótipos de carros desde a década de 1920, com ar comprimido usado na propulsão de torpedos.

Tanques de armazenamento
Em contraste com as questões de dano e perigo do hidrogênio envolvidas em colisões de alto impacto, o ar, por si só, não é inflamável, foi relatado no Seven Network’s Beyond Tomorrow que em sua própria fibra de carbono é frágil e pode se dividir sob estresse suficiente , mas não cria nenhum estilhaço quando isso acontece. Os tanques de fibra de carbono seguram o ar com uma pressão em torno de 4500 psi, tornando-os comparáveis ​​aos tanques de aço. Os carros são projetados para serem enchidos em uma bomba de alta pressão.

Em veículos a ar comprimido, os projetos de tanques tendem a ser isotérmicos; um trocador de calor de algum tipo é usado para manter a temperatura (e a pressão) do tanque à medida que o ar é extraído.

Densidade de energia
O ar comprimido tem densidade de energia relativamente baixa. Ar a 30 MPa (4.500 psi) contém cerca de 50 Wh de energia por litro (e normalmente pesa 372g por litro). Para comparação, uma bateria de chumbo-ácido contém 60-75 Wh / l. Uma bateria de iões de lítio contém cerca de 250-620 Wh / l. A EPA estima a densidade de energia da gasolina em 8.890 Wh / l; no entanto, um motor a gasolina típico com 18% de eficiência só pode recuperar o equivalente a 1694 Wh / l. A densidade de energia de um sistema de ar comprimido pode ser mais do que duplicada se o ar for aquecido antes da expansão.

Para aumentar a densidade de energia, alguns sistemas podem usar gases que podem ser liquefeitos ou solidificados. “O CO2 oferece uma compressibilidade muito maior que o ar quando transita da forma gasosa para a supercrítica”.

Emissões
Os carros de ar comprimido podem ser livres de emissões no escape. Como a fonte de energia de um carro a ar comprimido é normalmente eletricidade, seu impacto ambiental total depende de quão limpa a fonte dessa eletricidade é. No entanto, a maioria dos carros tem motores a gasolina para tarefas diferentes. A emissão pode ser comparada a metade da quantidade de dióxido de carbono produzida por um Toyota Prius (cerca de 0,34 libras por milha). Alguns motores podem ser alimentados de outra forma, considerando que diferentes regiões podem ter fontes de energia muito diferentes, variando de fontes de energia de alta emissão, como fontes de energia com emissão de carbono até zero. Uma determinada região também pode alterar suas fontes de energia elétrica ao longo do tempo, melhorando ou piorando as emissões totais.

No entanto, um estudo de 2009 mostrou que, mesmo com suposições muito otimistas, o armazenamento de energia no ar é menos eficiente do que o armazenamento de produtos químicos (bateria).

Vantagens
As principais vantagens de um motor a ar são

Não usa gasolina ou outro combustível à base de bio-carbono.
O reabastecimento pode ser feito em casa, mas encher os tanques até a pressão máxima exigiria compressores para 250-300 bar, que normalmente não estão disponíveis para uso padrão doméstico, considerando o perigo inerente a esses níveis de pressão. Tal como acontece com a gasolina, as estações de serviço teriam que instalar as instalações aéreas necessárias se tais carros se tornassem suficientemente populares para garantir isso.
Os motores a ar comprimido reduzem o custo de produção do veículo, porque não há necessidade de construir um sistema de refrigeração, velas de ignição, motor de partida ou silenciadores.
A taxa de auto-descarga é muito baixa, em oposição às baterias que esgotam sua carga lentamente ao longo do tempo. Portanto, o veículo pode ser deixado sem uso por longos períodos de tempo do que carros elétricos.
A expansão do ar comprimido reduz sua temperatura; isso pode ser explorado para uso como ar condicionado.
Redução ou eliminação de produtos químicos perigosos, como gasolina ou ácidos de bateria / metais
Algumas configurações mecânicas podem permitir a recuperação de energia durante a frenagem, comprimindo e armazenando ar.
A Universidade de Lund, na Suécia, informa que os ônibus poderiam ver uma melhora na eficiência de combustível de até 60% usando um sistema híbrido de ar. Mas isso se refere apenas aos conceitos de ar híbrido (devido à recuperação de energia durante a frenagem), e não aos veículos somente a ar comprimido.

Desvantagens
As principais desvantagens são as etapas de conversão e transmissão de energia, porque cada uma delas possui perda inerente. Para carros com motores a combustão, a energia é perdida quando a energia química dos combustíveis fósseis é convertida pelo motor em energia mecânica. Para carros elétricos, a eletricidade de uma usina (de qualquer fonte) é transmitida para as baterias do carro, que então transmite a eletricidade para o motor do carro, o que a converte em energia mecânica. Para carros a ar comprimido, a eletricidade da usina é transmitida para um compressor, que comprime mecanicamente o ar no tanque do carro. O motor do carro, então, converte o ar comprimido em energia mecânica.

Preocupações adicionais:

Quando o ar se expande no motor, ele resfria drasticamente e deve ser aquecido à temperatura ambiente usando um trocador de calor. O aquecimento é necessário para obter uma fração significativa da produção teórica de energia. O trocador de calor pode ser problemático: enquanto ele executa uma tarefa semelhante a um intercooler para um motor de combustão interna, a diferença de temperatura entre o ar que entra e o gás de trabalho é menor. Ao aquecer o ar armazenado, o dispositivo fica muito frio e pode congelar em climas frios e úmidos.

Isso também leva à necessidade de desidratar completamente o ar comprimido. Se qualquer umidade subsistir no ar comprimido, o motor irá parar devido a congelamento interno. Remover a umidade completamente requer energia adicional que não pode ser reutilizada e é perdida. (Com 10g de água por m3 de ar – valor típico no verão – você tem que extrair 900g de água em 90m3; com uma entalpia de vaporização de 2,26MJ / kg você precisará teoricamente de no mínimo 0,6 kWh; tecnicamente, com secagem a frio este número deve ser multiplicado por 3-4. Além disso, a desidratação só pode ser feita com compressores profissionais, de modo que uma carga doméstica será completamente impossível, ou pelo menos não a um custo razoável.
Por outro lado, quando o ar é comprimido para encher o tanque, sua temperatura aumenta. Se o ar armazenado não é resfriado enquanto o tanque está sendo enchido, então quando o ar esfria mais tarde, sua pressão diminui e a energia disponível diminui.

Para atenuar isso, o tanque pode ser equipado com um trocador de calor interno, a fim de resfriar o ar de forma rápida e eficiente durante o carregamento.
Alternativamente, uma mola pode ser usada para armazenar o trabalho do ar à medida que ele é inserido no tanque, mantendo assim uma baixa diferença de pressão entre o tanque e o carregador, o que resulta em um menor aumento de temperatura para o ar transferido.

O reabastecimento do recipiente de ar comprimido usando um compressor de ar convencional ou convencional pode levar até 4 horas, embora equipamentos especializados nas estações de serviço possam encher os tanques em apenas 3 minutos. Para armazenar 2,5 kWh @ 300 bar em reservatórios de 300 litros (90 m3 de ar @ 1 bar), são necessários cerca de 30 kWh de energia do compressor (com um compressor adiabático de estágio único) ou aprox. 21 kWh com uma unidade multiestágio padrão industrial. Isso significa que uma potência de compressor de 360 ​​kW é necessária para encher os reservatórios em 5 minutos a partir de uma unidade de estágio único, ou 250 kW para uma de estágio múltiplo. Entretanto, o resfriamento por intercooler e a compressão isotérmica são muito mais eficientes e mais práticos do que a compressão adiabática, se trocadores de calor suficientemente grandes forem instalados. Podem ser alcançadas eficiências de até 65% (enquanto a eficiência atual para grandes compressores industriais é de no máximo 50%), no entanto, isso é menor do que a eficiência da Coulomb com baterias de chumbo-ácido.

A eficiência global de um veículo que utiliza armazenamento de energia de ar comprimido, usando os números de reabastecimento acima, é de cerca de 5-7%. Para comparação, a eficiência da roda de um sistema convencional de combustão interna é de cerca de 14%,

Testes iniciais demonstraram a capacidade de armazenamento limitada dos tanques; o único teste publicado de um veículo rodando somente com ar comprimido foi limitado a um alcance de 7,22 km.

Um estudo de 2005 demonstrou que os carros que funcionam com baterias de íons de lítio superam os veículos de ar comprimido e de célula de combustível mais de três vezes nas mesmas velocidades. A MDI afirmou em 2007 que um carro aéreo será capaz de viajar 140 km em direção urbana, e terá um alcance de 80 km com uma velocidade máxima de 110 km / h (68 mph) em rodovias, quando operando somente com ar comprimido, mas como de agosto de 2017 ainda não produziram um veículo que corresponda a esse desempenho.

Uma Carta de Pesquisa da Universidade de Berkeley de 2009 revelou que “Mesmo sob premissas altamente otimistas, o carro a ar comprimido é significativamente menos eficiente do que um veículo elétrico a bateria e produz mais emissões de gases de efeito estufa do que um carro movido a gás convencional com um mix de energia intensivo de carvão”. No entanto, eles também sugeriram, “um híbrido de combustão pneumática é tecnologicamente viável, barato e pode eventualmente competir com veículos elétricos híbridos”.

É frequentemente acompanhado por um pequeno motor a gasolina que o ajuda com várias tarefas, como iniciar e manter velocidades de trabalho. Este motor emite dióxido de carbono.

Segurança de colisão
As reclamações de segurança para tanques leves de veículos em colisões severas não foram verificadas. Os testes de impacto na América do Norte ainda não foram conduzidos, e os céticos questionam a capacidade de um veículo ultraleve montado com adesivos para produzir resultados aceitáveis ​​de segurança contra colisões. Shiva Vencat, vice-presidente da MDI e CEO da Zero Pollution Motors, afirma que o veículo passará por testes de colisão e atenderá aos padrões de segurança dos EUA. Ele insiste que os milhões de dólares investidos no AirCar não seriam em vão. Até hoje, nunca houve um carro leve, com mais de 100 mpg, que passou nos testes de colisão da América do Norte. Avanços tecnológicos podem em breve tornar isso possível, mas o AirCar ainda precisa se provar, e questões de segurança de colisão permanecem.

A chave para alcançar uma faixa aceitável com um carro aéreo é reduzir a potência necessária para dirigir o carro, tanto quanto for prático. Isso empurra o design para minimizar o peso.

De acordo com um relatório da Administração Nacional de Segurança no Trânsito nas Estradas do Governo dos EUA, entre 10 classes diferentes de veículos de passageiros, “carros muito pequenos” têm a maior taxa de mortalidade por quilômetro rodado. Por exemplo, uma pessoa dirigindo 12.000 milhas por ano por 55 anos teria 1% de chance de se envolver em um acidente fatal. Isso é o dobro da taxa de fatalidade da classe de veículos mais segura, um “carro grande”. De acordo com os dados deste relatório, o número de colisões fatais por milha é apenas fracamente correlacionado com o peso do veículo, tendo um coeficiente de correlação de apenas (-0,45). Uma correlação mais forte é vista com o tamanho do veículo dentro de sua classe; por exemplo, carros “grandes”, pickups e SUVs, têm taxas de fatalidade mais baixas do que os carros “pequenos”, pickups e SUVs. Este é o caso em 7 das 10 classes, com a exceção de veículos de tamanho médio, onde minivans e carros de tamanho médio estão entre as classes mais seguras, enquanto SUVs de tamanho médio são o segundo mais fatal depois de carros muito pequenos. Embora veículos mais pesados ​​às vezes sejam estatisticamente mais seguros, não é necessariamente o peso extra que os torna mais seguros. O relatório da NHTSA afirma: “Veículos mais pesados ​​têm historicamente feito um melhor trabalho amortecendo seus ocupantes em acidentes. Seus capôes mais longos e espaço extra no compartimento do ocupante proporcionam uma oportunidade para uma desaceleração mais gradual do veículo e do ocupante dentro do veículo. .. Embora seja concebível que os veículos leves pudessem ser construídos com capôs ​​similares e pulsos de desaceleração suaves, provavelmente exigiriam grandes mudanças nos materiais e no design e / ou tirariam peso de seus motores, acessórios, etc. ”

Os carros aéreos podem usar pneus de baixa resistência ao rolamento, que normalmente oferecem menos aderência do que os pneus normais. Além disso, o peso (e preço) dos sistemas de segurança, como airbags, ABS e ESC, pode desencorajar os fabricantes de incluí-los.

Desenvolvedores e fabricantes
Várias empresas estão investindo na pesquisa, desenvolvimento e implantação de carros a ar comprimido. Relatórios super otimistas de produção iminente datam de pelo menos maio de 1999. Por exemplo, a MDI Air Car fez sua estréia pública na África do Sul em 2002, e estava previsto para estar em produção “dentro de seis meses” em janeiro de 2004. A partir de janeiro de 2009 , o carro aéreo nunca entrou em produção na África do Sul. A maioria dos carros em desenvolvimento também se baseia no uso de tecnologia similar para veículos de baixa energia, a fim de aumentar o alcance e o desempenho de seus carros. [Esclarecimentos]

MDI
A MDI propôs uma gama de veículos compostos por AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir e MultiFlowAir. Uma das principais inovações desta empresa é a implementação da sua “câmara ativa”, que é um compartimento que aquece o ar (através do uso de um combustível) para duplicar a produção de energia. Esta “inovação” foi usada pela primeira vez em torpedos em 1904.

Tata Motors
Em janeiro de 2009, a Tata Motors da Índia planejava lançar um carro com um motor de ar comprimido MDI em 2011. Em dezembro de 2009, o vice-presidente de sistemas de engenharia da Tata confirmou que a faixa limitada e as baixas temperaturas do motor estavam causando problemas.

A Tata Motors anunciou em maio de 2012 que avaliou o projeto passando a fase 1, a “prova do conceito técnico” para a produção plena para o mercado indiano. A Tata passou para a fase 2, “completando o desenvolvimento detalhado do motor de ar comprimido em aplicações específicas de veículo e estacionárias”.

Em fevereiro de 2017, o Dr. Tim Leverton, presidente e chefe de Engenharia Avançada e de Produtos da Tata revelou estar em um ponto de “iniciar a industrialização” com os primeiros veículos disponíveis até 2020. Outros relatórios indicam que a Tata também está olhando para reviver planos para uma versão de ar comprimido do Tata Nano, que anteriormente estava sob consideração como parte de sua colaboração com o MDI.

Engineair
A Engineair é uma empresa australiana que produziu protótipos de uma variedade de protótipos de veículos pequenos usando um inovador motor a ar rotativo projetado por Angelo Di Pietro. A empresa está procurando parceiros comerciais para utilizar seu motor.

Peugeot / Citroën
A Peugeot e a Citroën anunciaram que pretendiam construir um carro que usa ar comprimido como fonte de energia. No entanto, o carro que eles estão projetando usa um sistema híbrido que também usa um motor a gasolina (que é usado para impulsionar o carro a mais de 70 km / h, ou quando o tanque de ar comprimido foi esgotado). Em janeiro de 2015, houve “notícias decepcionantes da França: a PSA Peugeot Citroën tem uma influência indefinida no desenvolvimento do seu promissor sistema de transmissão Hybrid Air, aparentemente porque a empresa não conseguiu encontrar um parceiro de desenvolvimento disposto a dividir os enormes custos de engenharia do sistema “. Os custos de desenvolvimento são estimados em 500 milhões de euros para o sistema, o que aparentemente teria que ser ajustado para cerca de 500.000 carros por ano para fazer sentido. O chefe do projeto deixou a Peugeot em 2014.

APUQ
A APUQ (Associação de Promoção de Uso da Quasiturbina) fez o APUQ Air Car, um carro movido por um Quasiturbine.

Crítica
Em um estudo da Universidade da Califórnia, Berkeley, foi feita uma comparação entre carro a gasolina, carro elétrico com bateria e carro pneumático em termos de emissões de gases do efeito estufa, custos de combustível, consumo de energia primária e volume de tanques relacionados ao estado da Califórnia. Os objetos de comparação eram um Smart Fortwo convencional, uma bateria elétrica Smart Fortwo ED e um carro pneumático hipotético. Os parâmetros técnicos do veículo de ar comprimido, se desconhecido, foram estimados de forma otimista. Em termos de emissões de gases de efeito estufa, custos de combustível e volume do tanque, o carro movido a ar da Califórnia apresentou desempenho significativamente pior do que a gasolina ou o carro da bateria. Apenas em termos de consumo de energia primária houve uma vantagem sobre o carro a gasolina, mas apenas quando operando com energia renovável. O carro de bateria executou significativamente melhor que o carro de ar comprimido em todos os aspectos.

Outras críticas ao MDI estão sendo feitas atualmente pelos atuais e antigos parceiros de negócios, principalmente no que diz respeito aos serviços prometidos e às transferências de tecnologia que nunca foram realizadas.