Un vagón de aire comprimido es un vehículo de aire comprimido propulsado por recipientes a presión llenos de aire comprimido . Es propulsado por la liberación y expansión del aire dentro de un motor adaptado al aire comprimido . El coche podría funcionar únicamente con aire, o combinarse (como en un vehículo eléctrico híbrido) con otros combustibles como gasolina , diésel o una planta eléctrica con frenado regenerativo .
Los coches de aire comprimido utilizan un proceso termodinámico . El aire se enfría al expandirse y se calienta al comprimirse. Las pérdidas de energía térmica en el compresor y el tanque reducen el factor de capacidad de los sistemas de aire comprimido .
En 2020, el Dr. Reza Alizade Evrin de la Universidad Tecnológica de Ontario desarrolló un vehículo de aire comprimido isotérmico . [1] [2] Este prototipo utilizó tanques de aire de baja presión y recuperación de aire de escape para alimentar un sistema intercambiador de calor de parafina . Su eficiencia energética alcanzó el 74%. Esto representa hasta el 90% de la eficiencia de los coches eléctricos de iones de litio . Tenía una autonomía de 140 km. La eficiencia y el alcance podrían aumentar mediante una serie de mejoras prácticas. Por ejemplo, combinar el tanque de almacenamiento en el chasis del automóvil, tanques de mayor presión, nuevos motores rotativos y un intercambiador de calor más eficiente. Además, el peso y el coste de los tanques y las piezas neumáticas podrían reducirse mediante el uso de termoplásticos reciclados y de origen biológico .
Esta tecnología podría convertirse en una tecnología de transporte limpia y económica. La energía, los vehículos y los compresores podrían producirse fácilmente mediante métodos descentralizados, incluso mediante la industria circular . El uso de plástico podría permitir la fabricación de código abierto mediante control numérico , incluida la fabricación aditiva . El aire comprimido para estos vehículos podría producirse fácilmente mediante tipos comunes de energía renovable . Por ejemplo, se pueden conectar compresores de aire multietapa e intercoolers o bombas hidráulicas directamente a trompes , energía hidroeléctrica , turbinas eólicas VAWT o motores Stirling utilizando un concentrador solar . La compresión mecánica directa evita las ineficiencias de Carnot de los motores térmicos. El almacenamiento aislado de aire comprimido evita la conversión de energía y el almacenamiento en batería. Los sistemas basados en calor podrían utilizar tanques de sales fundidas calentadas por energía solar que accionan un intercambiador de calor en lugar de un sistema de recuperación de calor a bordo . Se podrían evitar la energía eléctrica, las redes eléctricas y sus problemas.
Ha habido varias afirmaciones dudosas con información no divulgada. El motor "di pietro" ha sido probado parcialmente con CAD y programas de análisis de elementos finitos . Los resultados fueron publicados por Jarosław Zwierzchowski de la Universidad Tecnológica de Lodz en 2017. [3] Este motor es un motor de paletas con eje excéntrico que utiliza baja presión de aire. [ se necesita aclaración ]
Los tanques deben diseñarse según los estándares de seguridad para un recipiente a presión . ISO 11439 es una norma similar para tanques de gas natural comprimido. [5]
Los tanques de almacenamiento de aire que se pueden utilizar en los vagones de aire comprimido pueden ser de baja presión (9 atm) o de alta presión (240+ atm). Por lo tanto, pueden estar hechos de materiales compuestos como termoplásticos y termoplásticos reforzados con fibra, [4] [6] Esto podría permitir un transporte en tanque a bajo precio. Podría fabricarse mediante moldeo rotacional . Estos tanques pueden ser mucho más livianos que las baterías de litio y hierro y un 70% más livianos que los tanques de acero. Resisten la oxidación del aire, el agua y la condensación. Duran más con menos mantenimiento.
Para reducir aún más el peso del vehículo, se pueden utilizar recipientes a presión como partes estructurales del chasis . Se han desarrollado recipientes avanzados a presión de 700 atmósferas para automóviles de hidrógeno . Las pruebas de choque mostraron una buena seguridad. Los tanques de termoplástico reforzado con fibra sólo se rompen en caso de colisión. No se rompen ni explotan. [7]
Los tanques de hidrógeno requieren "alta resistencia" para evitar roturas y "alta rigidez" para mayor durabilidad. La fuerza resiste una fuerza externa. La rigidez mantiene una forma. Los tanques de combustible de hidrógeno de fibra de carbono son tan livianos como el plástico pero seis veces más resistentes que el acero y cuatro veces más rígidos. “Cuando una bala atraviesa un tanque de hidrógeno, no explota. En cambio, el hidrógeno se escapa a través del agujero de la bala. En una prueba de colisión estándar, no se detectó ni siquiera una pequeña cantidad de hidrógeno porque no se había filtrado nada." [7]
El aire comprimido también se puede producir conectando un compresor de aire o una bomba hidráulica a una turbina eólica [8] [9] o utilizando una turbina hidroeléctrica de río, de marea o de olas . Todos estos convierten directamente de energía mecánica a neumática. Eliminar la electricidad del ciclo proporciona una mayor eficiencia general. También es posible utilizar energía solar térmica con un concentrador solar parabólico o de lentes de Fresnel para alimentar un motor Stirling térmico . Esto puede mover el compresor o la bomba. Solar Stirling es más eficiente que la energía solar de vapor o la fotovoltaica.
Los coches de aire comprimido no producen emisiones. Tampoco requieren conexión a la red eléctrica. Una turbina eólica u otra fuente de energía renovable puede impulsar directamente un compresor de aire o una bomba hidráulica . Los coches de aire comprimido no dependen de gasolineras ni de red eléctrica . Si bien es posible que no sea necesaria una infraestructura centralizada, es una opción. El tanque se puede enviar directamente o se puede utilizar una tubería. El aire comprimido normalmente se filtra para proteger la maquinaria del compresor. Por lo tanto, el aire de descarga tiene muy poco polvo en suspensión. Es posible que algunos sistemas emitan algunos lubricantes, pero un mayor desarrollo podría reducir esto con compresores e intercoolers sin aceite.
Los recipientes a presión compuestos y los componentes neumáticos podrían permitir que los vehículos de aire comprimido sean una industria circular . Los materiales tendrían que ser de base biológica o reciclados . No se utiliza energía eléctrica, por lo que no se necesitan metales como cobre, hierro en imanes, etc.
Puede haber una única conversión de energía mecánica en energía neumática o hidráulica. [9] Por lo tanto, el aire comprimido puede tener una alta eficiencia energética cuando se utiliza energía renovable mecánica como turbinas eólicas o energía hidroeléctrica. La conversión de energía térmica a energía mecánica es posible, pero menos eficiente debido a las ineficiencias de la conversión de Carnot. El almacenamiento térmico de calor procedente de una fuente solar renovable también es posible utilizando un material de cambio de fase como una sal fundida .
La eficiencia energética del prototipo de vehículo isotérmico de 2020 fue del 59,4% de la de un vehículo de iones de litio . [1] [2]
La tecnología de aire comprimido se adapta a las energías renovables y posiblemente a una economía circular , si se pueden utilizar compuestos de base biológica o reciclados. Por tanto, es más sostenible que los coches eléctricos . Por ejemplo, se utilizan mucho menos metales o productos químicos tóxicos para las baterías . Una red eléctrica y de fabricación centralizada podría ser menos necesaria.
La eficiencia también se ve favorecida por el bajo peso de los recipientes a presión compuestos en comparación con los tanques de acero o las baterías de iones de litio . [6] El peso podría reducirse aún más si los tanques soportan el chasis del automóvil. Los motores neumáticos también tienen pesos más bajos que los motores eléctricos.
Repostar combustible es posible en muchos lugares utilizando únicamente energía eólica, solar o hidroeléctrica para mover un compresor de aire , una bomba hidráulica o un motor Stirling .
La energía neumática tiene sinergia energética porque se adapta bien a la mecatrónica del automóvil . Muchos sistemas de automóviles pueden funcionar con pequeños motores neumáticos. Por ejemplo, suspensión neumática activa , dirección neumática o amortiguadores neumáticos. [10] La expansión del aire comprimido crea temperaturas frías y puede proporcionar directamente aire acondicionado o control climático.
Los sistemas de recuperación de energía con suspensión regenerativa y frenado regenerativo producen aire comprimido a baja presión. Esto se puede almacenar en un recipiente a presión .
Los motores sin pistones que utilizan aire comprimido son muy silenciosos. [11]
No existe riesgo de incendio después de un accidente, a diferencia de los sistemas que utilizan combustibles de combustión o baterías de alta potencia.
Los motores de aire comprimido reducen el coste de producción de automóviles, porque no es necesario construir un sistema de refrigeración, bujías, motor de arranque o silenciadores.
La tasa de autodescarga es muy baja en comparación con las baterías. Un vehículo propulsado por aire comprimido puede permanecer sin uso durante más tiempo que un coche eléctrico.
Reducen o eliminan productos químicos peligrosos como la gasolina, los ácidos de las baterías y los metales relacionados como el plomo.
Los coches de aire comprimido son más seguros en más situaciones:
El aire comprimido tiene una densidad energética menor que el nitrógeno líquido o el hidrógeno .
Mientras que las baterías mantienen en cierta medida su voltaje durante su descarga y los tanques de combustible químico proporcionan la misma densidad de energía desde el primer hasta el último litro, la presión de los tanques de aire comprimido cae a medida que se extrae el aire. Existen métodos mecánicos (por ejemplo, transmisiones continuamente variables o motores auxiliares) para reducir este efecto, pero añaden gastos.
Varias empresas están invirtiendo en la investigación, el desarrollo y la implantación de vehículos de aire comprimido. El MDI Air Car hizo su debut público en Sudáfrica en 2002. [12] Se predijo que estaría en producción "dentro de seis meses" en enero de 2004. [13] A partir de 2022, no estaba en producción.
MDI ha propuesto una gama de vehículos compuesta por AIRPod , OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir y MultiFlowAir. [14] 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. [15] Esta 'innovación' se utilizó por primera vez en torpedos en 1904.
En enero de 2009 [actualizar], Tata Motors de India había planeado lanzar un automóvil con un motor de aire comprimido MDI en 2011. [16] [17] En diciembre de 2009, el vicepresidente de sistemas de ingeniería de Tata confirmó que la autonomía limitada y las bajas temperaturas del motor estaban causando problemas.
Tata Motors anunció en mayo de 2012 [18] que habían evaluado el diseño más allá de la fase 1, la "prueba del concepto técnico", y estaban procediendo a la producción completa para el mercado indio. Tata pasó a la fase 2, "completando el desarrollo detallado del motor de aire comprimido en aplicaciones estacionarias y de vehículos específicos". [19] [ ¿ fuente poco confiable? ]
En febrero de 2017, el Dr. Tim Leverton, presidente y director de Ingeniería Avanzada y de Producto de Tata, reveló que el proyecto estaba "iniciando la industrialización" con los primeros vehículos que estarían disponibles en 2020. [20] Otros informes indican que Tata también está reviviendo planes para una versión de aire comprimido del Tata Nano , [21] Esto había sido considerado previamente como parte de su colaboración con MDI. [22]
Engineair es una empresa australiana. Produjo prototipos de vehículos pequeños que utilizaban un motor neumático rotativo diseñado por Angelo Di Pietro . La empresa está buscando socios comerciales para utilizar su motor. [23]
Peugeot y Citroën anunciaron su intención de construir un automóvil utilizando aire comprimido como fuente de energía. Sin embargo, utiliza un sistema híbrido. Un motor de gasolina impulsa el coche a más de 70 km/h o cuando el depósito de aire comprimido está vacío. [24] [25]
En enero de 2015, llegaron noticias decepcionantes desde Francia: PSA Peugeot Citroën ha retrasado indefinidamente el desarrollo de su aparentemente prometedor sistema de propulsión Hybrid Air, aparentemente porque la compañía no ha podido encontrar un socio de desarrollo dispuesto a compartir los enormes costes de ingeniería del sistema. . Los costes de desarrollo se estiman en 500 millones de euros. Los volúmenes de producción tendrían que ser de más de 500.000 coches al año para cubrir estos costes. [26] El responsable del proyecto abandonó Peugeot en 2014. [27]
La APUQ (Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine) ha fabricado el APUQ Air Car, un coche propulsado por una Quasiturbine . [28] [ ¿ fuente poco confiable? ]
