Un vehículo de aire comprimido ( CAV ) es un mecanismo de transporte alimentado por tanques de gas atmosférico presurizado y propulsado por la liberación y expansión del gas dentro de un motor neumático .
Los CAV han encontrado aplicación en torpedos , locomotoras utilizadas en situaciones donde las locomotoras estándar son un peligro y en los primeros prototipos de submarinos .
Los vehículos de aire comprimido funcionan según un proceso termodinámico donde el aire se enfría al expandirse y se calienta al comprimirse y esas son pérdidas de energía térmica que drenan el factor de capacidad , sin embargo, con los recientes desarrollos en plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido isotérmico ICAES, el almacenamiento de aire comprimido ha alcanzado 4 veces el factor de capacidad de las baterías de iones de litio con 2,7 MJ/kg o 3,6 MJ/m3 [ 3] y en 2020 ha habido desarrollos en el coche ICAV o vehículo de aire comprimido isotérmico publicado por el Dr. Reza Alizade Evrin de la Universidad Tecnológica de Ontario [1] [2] con un primer prototipo que utiliza tanques de aire de baja presión y recuperación de aire de escape para alimentar un sistema intercambiador de calor de parafina con una eficiencia energética global del 74% (alcanzando el 73-90% de eficiencia de los coches eléctricos de iones de litio ) con una autonomía de conducción de 140 km (87 mi). Esta eficiencia y autonomía se pueden incrementar utilizando un tanque de almacenamiento como estructura del chasis del vehículo, tanques de alta presión, nuevos motores rotativos y un intercambiador de calor más eficiente.
Este avance, junto con la disponibilidad de termoplásticos reciclados y de origen biológico para tanques, componentes neumáticos y energía renovable , significa que esta tecnología puede ser la base de una revolución de transporte verde libre con descentralización energética e industrial circular con fabricación de máquinas de control numérico de código abierto, incluida la fabricación aditiva , mientras que los compresores de aire multietapa y los enfriadores o las bombas hidráulicas se pueden conectar directamente a turbinas eólicas VAWT , motor Stirling con un concentrador solar de lente parabólica o Fresnel o turbina hidroeléctrica de río, mareas o olas sin necesidad de energía eléctrica o red eléctrica ni ineficiencias de conversión de energía o almacenamiento de energía adicional, también en lugar de un sistema de recuperación de calor a bordo, se puede utilizar un depósito de sal fundida rellenable (de lente Fresnel o energía solar concentrada parabólica ) en un sistema de intercambiador de calor .
La propulsión por aire comprimido también se puede incorporar en sistemas híbridos, como la propulsión eléctrica por batería . Este tipo de sistema se denomina propulsión eléctrica híbrida neumática. Además, también se puede utilizar el frenado regenerativo junto con este sistema.
En principio, cualquier motor neumático puede utilizarse para un vehículo de aire comprimido, pero algunos motores fueron desarrollados específicamente para esta aplicación y/o tienen ventajas específicas.
Se han hecho varias afirmaciones dudosas con información no revelada. Sin embargo, el motor "Di Pietro" ha sido probado parcialmente con un programa de CAD y análisis de elementos finitos y publicado en artículos científicos por Jarosław Zwierzchowski de la Universidad Tecnológica de Lodz en 2017, [4] que es un motor de álabes de eje excéntrico que utiliza baja presión de aire.
Otro motor reciente que podría adaptarse al aire comprimido es el motor rotativo Liquidpiston . [5]
Los tanques deben estar diseñados según estándares de seguridad apropiados para un recipiente a presión , como ISO 11439. [7]
Los recipientes a presión o tanques de almacenamiento de aire que se pueden utilizar en vehículos de aire comprimido pueden estar hechos de baja presión (9 atm (130 psi)) o alta presión (más de 240 atm (3500 psi)), y pueden estar hechos de materiales compuestos como termoplásticos y termoplásticos reforzados con fibra, [6] [8] eso significa que el precio puede bajar al usar termoplásticos reciclados o de base biológica mediante moldeo rotacional y son mucho más livianos que las baterías de litio-hierro y un 70% más livianos en comparación con los tanques de acero, también tienen más vida útil y no necesitan mucho mantenimiento.
Para reducir aún más el peso del vehículo, los tanques de aire se pueden utilizar como almacenamiento estructural, de modo que el tanque sea la parte principal del chasis del vehículo mientras se utiliza un aislamiento de impacto adecuado; sin embargo, los tanques termoplásticos reforzados con fibra solo tienen rupturas en caso de colisión y no explotan. Se han desarrollado algunos avances en los recipientes a presión para vehículos de hidrógeno con recipientes a presión de alta compresión. El diseñador de automóviles Hyundai afirma: [9]
Los tanques de hidrógeno requieren "alta resistencia" para evitar la ruptura y "alta rigidez" para la durabilidad. La resistencia se define como el nivel de resistencia a la influencia de una fuerza externa. La rigidez es el nivel de resistencia a mantener su forma original. Los materiales de fibra de carbono utilizados en la fabricación de tanques de combustible de hidrógeno son tan ligeros como un plástico, pero tienen seis y cuatro veces la resistencia y rigidez del acero, respectivamente. "Cuando una bala penetra en un tanque de hidrógeno, no explota. En cambio, el hidrógeno se filtra a través del orificio de la bala. En una prueba de colisión estándar, no se detectó ni una pequeña cantidad de hidrógeno porque no se había filtrado nada.
El aire comprimido tiene una baja densidad energética , sin embargo, el almacenamiento de aire comprimido isotérmico cercano al ICAES tiene casi 4 veces la capacidad de las baterías de iones de litio con 2,7 MJ/kg o 3,6 MJ/m 3 . [3]
El aire comprimido se puede producir conectando un compresor de aire o una bomba hidráulica a una turbina eólica [10] [11] o utilizando una turbina hidroeléctrica de río, mareas o olas con solo una conversión de energía mecánica a neumática, eliminando la electricidad del circuito, lo que brinda una mayor eficiencia general.
Además, existe la posibilidad de utilizar energía térmica con un concentrador solar de lentes parabólicas o de Fresnel para alimentar un motor Stirling térmico para mover el compresor o la bomba, ya que los motores Stirling alimentados con energía solar son más eficientes que los de vapor solar y fotovoltaicos. [ cita requerida ]
Dado que el aire comprimido se filtra para proteger la maquinaria del compresor, el aire que se descarga contiene menos polvo en suspensión, aunque puede haber restos de lubricantes utilizados en el compresor o el motor. Esto se puede mitigar utilizando compresores de aire sin aceite.
Los recientes avances en recipientes a presión y componentes neumáticos compuestos significan que los vehículos de aire comprimido pueden ser parte de la industria circular con componentes de origen biológico o reciclados . Además, al eliminar la energía eléctrica del circuito, no es necesario contar con una red eléctrica ni con los metales utilizados, como el cobre, el hierro en los imanes, etc.
El aire comprimido se ha utilizado desde el siglo XIX para impulsar locomotoras de minas y tranvías en ciudades como París (a través de un sistema de distribución de energía de aire comprimido central a nivel de ciudad ) y anteriormente era la base de la propulsión de torpedos navales .
Durante la construcción del Gotthardbahn , entre los años 1872 y 1882, se utilizaron locomotoras neumáticas en la construcción del túnel ferroviario del Gotthard y otros túneles del Gotthardbahn.
En 1903, la Liquid Air Company, con sede en Londres (Reino Unido), fabricó varios automóviles de aire comprimido y de aire licuado. El principal problema de estos automóviles y de todos los automóviles de aire comprimido es la falta de par motor producido por los "motores" y el coste de comprimir el aire. [13]
Desde 2010, varias empresas han comenzado a desarrollar automóviles con aire comprimido, incluidos modelos híbridos que también incluyen un motor de gasolina; ninguno de ellos ha sido lanzado al público ni ha sido probado por terceros. [ cita requerida ]
Con la eficiencia de utilizar turbinas eólicas para alimentar compresores o bombas, hay una única conversión de energía mecánica a neumática o hidráulica. [11] Además, al alimentar el compresor con un motor Stirling utilizando un concentrador solar de lente parabólica o de Fresnel , hay una conversión de energía térmica a mecánica . Por último, al utilizar un material de cambio de fase en el intercambiador de calor calentado con energía solar concentrada , solo hay energía solar térmica involucrada.
El vehículo de aire comprimido más eficiente a partir de 2020 es un prototipo isotérmico con un 74%, [1] [2] que es similar al 73-90% de los vehículos eléctricos que utilizan baterías de iones de litio .
En comparación con los iones de litio, el almacenamiento de energía de aire comprimido isotérmico (ICAES) puede ser de al menos 2,7 MJ/kg o 3,6 MJ/m3 , 4 veces [3] que las baterías de iones de litio, lo que se puede mejorar con recipientes de alta presión y sistemas de intercambiadores de calor.
Los recursos y la tecnología del aire comprimido se pueden adaptar a las energías renovables y a la industria circular con compuestos de base biológica o reciclados y, por lo tanto, en comparación con los vehículos eléctricos, pueden estar exentos de los recursos minerales finitos o de los procesos tóxicos utilizados en la fabricación de baterías y motores eléctricos y también del uso de la red eléctrica. [6]
Peso estructural, el bajo peso de los recipientes a presión compuestos en relación con la batería de iones de litio y también en comparación con los tanques de acero (70% más livianos), [8] que se puede reducir utilizando los tanques como estructuras de chasis de vehículos con un aislamiento de impacto adecuado, también el bajo peso de los motores rotativos con motor de cubo de rueda .
La recarga es posible en casi cualquier lugar o con equipos de a bordo porque lo único necesario es la energía eólica, solar o fluvial, maremotriz o undimotriz para mover un compresor de aire , una bomba hidráulica o un motor Stirling .
Sinergia energética con la energía neumática disponible, de modo que todos los sistemas mecatrónicos del vehículo pueden ser accionados por pequeños motores neumáticos, y además el vehículo puede utilizar suspensión neumática activa, dirección neumática o parachoques con absorción de impactos neumáticos, [14] también se puede proporcionar aire acondicionado o control de climatización con el uso de la baja temperatura creada durante la expansión del aire.
Sistemas de recuperación de energía con suspensión regenerativa y frenado regenerativo que producen aire comprimido a baja presión que se almacena en un recipiente a presión adicional .
Bajo nivel de ruido de los motores rotativos sin pistones al utilizar aire comprimido, que además pueden ser insonorizados debido a la baja temperatura en la que trabajan.
Riesgo cero de incendio , lo que lo convierte en uno de los pocos sistemas de transporte que no puede producir incendios o explosiones espontáneas o posteriores a una colisión como en el caso de los vehículos de gasolina, etanol, hidrógeno y también de batería.
La densidad energética del aire comprimido es baja en comparación con el nitrógeno líquido o el hidrógeno , y la eficiencia energética del motor de aire comprimido en comparación con la microturbina de gas con una insonorización adecuada que se puede utilizar en vehículos híbridos de turbina de gas y motor eléctrico con una mezcla de aire comprimido, nitrógeno líquido o hidrógeno (los vehículos de turbina de gas anteriores han utilizado una configuración para la velocidad, en lugar de la eficiencia que consiste en una gran turbina de gas de ruido conectada a la transmisión) ya que la turbina de gas (que se utiliza en las plantas de energía térmica debido a su eficiencia ) supera a los motores rotativos sin pistones , sin embargo, la producción de aire comprimido es más eficiente energéticamente y, por lo tanto, requiere menos energía eólica e infraestructura y también hay una pérdida de eficiencia de la turbina de gas al generador y al motor eléctrico .
Si bien las baterías pueden mantener en cierta medida su voltaje durante su descarga y los tanques de combustible químico proporcionan las mismas densidades de potencia desde el primer hasta el último litro, la presión de los tanques de aire comprimido disminuye a medida que se extrae el aire, lo que reduce la potencia disponible.
Es posible almacenar aire comprimido a menor presión utilizando un material de absorción dentro del tanque. Se utilizan materiales de absorción como carbón activado [15] o una estructura orgánica de metal [16] para almacenar gas natural comprimido a 500 psi (34 atm) en lugar de 4500 psi (310 atm), lo que supone un gran ahorro de energía.
Varias empresas están investigando y produciendo prototipos , incluidos vehículos híbridos de combustión de aire comprimido y gasolina. A fecha de agosto de 2017, ninguno de los desarrolladores ha iniciado aún la producción, aunque Tata ha indicado que comenzarán a vender vehículos a partir de 2020 [17] y el distribuidor estadounidense de MDI, Zero Pollution Motors, afirma que la producción del AIRPod comenzará en Europa en 2018. [18]
En 2008, un vehículo propulsado por aire comprimido y gas natural diseñado por estudiantes de ingeniería de la Universidad Deakin en Australia fue el ganador conjunto del concurso T2 de Ford Motor Company para producir un automóvil con una autonomía de 200 km (120 mi) y un costo estimado de menos de $7000. [19] [20]
La empresa australiana Engineair ha producido varios tipos de vehículos (ciclomotores, coches pequeños, pequeños transportistas, karts) alrededor del motor de aire comprimido rotativo creado por Angelo Di Pietro .
Edwin Yi Yuan fabricó una motocicleta impulsada por aire comprimido, llamada Green Speed Air Powered Motorcycle, basada en la Suzuki GP100 y utilizando el motor de aire comprimido de Angelo Di Pietro. [21]
Tres estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad Estatal de San José , Daniel Mekis, Dennis Schaaf y Andrew Merovich, diseñaron y construyeron una bicicleta que funciona con aire comprimido. El costo total del prototipo fue de menos de $1000 y fue patrocinado por Sunshops (en el Boardwalk en Santa Cruz, California ) y NO DIG NO RIDE (de Aptos, California ). La velocidad máxima del viaje inaugural en mayo de 2009 fue de 23 mph (37 km/h). Si bien su diseño era simple, estos tres pioneros de los vehículos propulsados por aire comprimido ayudaron a allanar el camino [ cita requerida ] para que el fabricante de automóviles francés Peugeot Citroën inventara un nuevo híbrido propulsado por aire. El sistema "Hybrid Air" utiliza aire comprimido para mover las ruedas del automóvil cuando se conduce a menos de 43 mph (69 km/h). Peugeot dijo que el nuevo sistema híbrido debería alcanzar hasta 141 millas por galón de gasolina. Se afirmó que los modelos comenzarían a implementarse a principios de 2016 [1]. Sin embargo, el jefe del proyecto dejó Peugeot en 2014, y en 2015 la compañía dijo que no había podido encontrar un socio para compartir los costos de desarrollo, poniendo fin efectivamente al proyecto. [22]
El vehículo de tres ruedas con motor de aire comprimido, llamado "Ku:Rin", fue creado por Toyota en 2011. La especialidad de este vehículo es que ha alcanzado una velocidad récord de 129,2 km/h (80,3 mph), a pesar de tener un motor que utiliza únicamente aire comprimido. Este vehículo fue desarrollado por el "taller de coches de ensueño" de la empresa. Este vehículo recibe el apodo de "cohete elegante" o "cohete con forma de lápiz". [23]
Como parte del programa de televisión Planet Mechanics , Jem Stansfield y Dick Strawbridge convirtieron un scooter normal en un ciclomotor de aire comprimido. [24] Esto se ha logrado equipando el scooter con un motor de aire comprimido y un tanque de aire. [25]
En 2010, Honda presentó el concept car Honda Air en el Salón del Automóvil de Los Ángeles. [26]
Desde 2008, la antigua Bosch Rexroth, ahora Emerson, organiza la Competición Internacional de Neumóviles AVENTICS de Emerson en Eger, Hungría. Se trata de una competición para estudiantes de educación superior en la que tienen que construir vehículos de carreras propulsados por aire comprimido. [27]
Se está celebrando una conferencia internacional relacionada con el evento organizada por la Universidad de Óbuda, Departamento de Ingeniería Mecánica y de Seguridad de Bánki Donát. [28]
Las locomotoras de aire comprimido son un tipo de locomotoras sin fuego y se han utilizado en minería [29] y en la perforación de túneles. [30]
A partir de 1876 se realizaron pruebas con varios tranvías propulsados por aire comprimido. En Nantes y París, los tranvías del sistema Mekarski funcionaron en servicio regular durante más de 30 años. [31] Véase también Tranvía de Nantes#Tranvías de aire comprimido (1879-1917) .
Actualmente no existen vehículos acuáticos ni aéreos que utilicen motores de aire comprimido. Históricamente, algunos torpedos eran propulsados por motores de aire comprimido.
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