Регистрация Войти
Вопрос

Почему мы не используем автомобили на сжатом воздухе?

Сегодня автомобили в основном оснащаются двигателями внутреннего сгорания, работающими на жидком топливе, электрическими аккумуляторами или и тем, и другим. В нишевых автомобилях может использоваться сжатый метан или водород.


Электромобили требуют дорогостоящих аккумуляторов и силовой электроники. Они сильно отличаются от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, но если удастся снизить стоимость аккумуляторов, это может стать гигантским прорывом в области мобильности.


Однако есть способ, который позволяет питать автомобили от электросети без серьёзных изменений в трансмиссии, как в случае с электромобилями. Двигатель внутреннего сгорания может работать на сжатом воздухе. Топливный бак заменяется баллоном со сжатым воздухом, который приводит в действие двигатель, не требующий свечей зажигания или деталей выхлопной системы.


Насколько я понимаю, автомобили, работающие на сжатом воздухе, уже прошли испытания. Эта технология не так уж сложна. Но мы пока не видим ни одного коммерческого автомобиля, использующего эту технологию. Почему? Почему автомобили, работающие на сжатом воздухе, — это такая плохая идея, что они не доступны в той же мере, что и нишевые автомобили, например на водородных топливных элементах?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/98010/why-arent-we-using-compressed-air-cars
1
+ Читать

15 Комментариев

  1. Я знаю две причины, по которым сжатый воздух не является эффективным источником движущей силы.


    Потеря давления.

    Когда воздух выходит из баллона, резервуар охлаждается и давление снижается. Таким образом, производительность падает даже без потери давления из-за опустошения баллона. В то время как производительность ДВС остаётся неизменной вплоть до «опустошения».


    Плотность энергии.

    Плотность энергии сжатого воздуха составляет лишь малую часть от плотности энергии нефти. В ссылке указано



    • Нефть (газ): 34,2 МДж/л

    • Сжатый воздух: 0,2 МДж/л
  1. Конечно, и небольшой теплообменник охлаждает его. В моей лаборатории есть система подачи сжатого воздуха от большого компрессора в техническом помещении. Я могу использовать сжатый воздух каждый день в течение всего дня. Но в автомобиле есть баллон со сжатым воздухом, который уже находится при температуре окружающей среды. Вы выпускаете часть воздуха под давлением, чтобы выполнить работу по преобразованию энергии в механическую, которая приводит автомобиль в движение. В автомобиле не важно, как именно был сжат воздух, важно лишь то, что он находится под давлением и его можно использовать для выполнения механической работы.
  1. Я точно знаю многих людей, у которых в гараже стоит воздушный компрессор, способный работать непрерывно. Конечно, у них есть небольшой теплообменник, но он далеко не такой, как вы, похоже, себе представляете.
  1. Комментарии были перенесены в чат; пожалуйста, не продолжайте обсуждение здесь. Прежде чем оставлять комментарий под этим постом, пожалуйста, ознакомьтесь с целями комментариев. Комментарии, которые не требуют разъяснений или предложений по улучшению, обычно относятся к ответам, Мета-теме «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей» или Чату «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей». Комментарии, продолжающие обсуждение, могут быть удалены.
  1. Это правда, что, например, для 700 бар водорода в Toyota Mirai требуется 122 литра, а для гипотетического автомобиля с изотермическим сжатием воздуха — 400 литров. Но, с другой стороны, аккумуляторы тоже большие, и мы нашли способ хранить в автомобилях аккумуляторы ёмкостью 100 кВт⋅ч. Согласно одному источнику, ёмкость оригинального аккумулятора Tesla Model S составляет 245 Вт·ч/л, поэтому для 100 кВт·ч аккумуляторов может потребоваться даже 408 литров, что, кстати, больше, чем 122 литра водорода в Toyota Mirai, и сопоставимо по размеру с приличным автомобилем на сжатом воздухе. Аккумуляторы ёмкостью 100 кВт·ч используются во многих электромобилях.
  1. Я не сказал «полная», я сказал «более веская». Было бы ужасно таскать с собой баллон под давлением, чтобы сделать это... даже при давлении в 700 бар для этого потребовалось бы много места. То количество топлива, которое необходимо для достижения того же результата, можно уместить в гораздо меньшем пространстве.
  1. Конечно, при более низком давлении, например 70 бар, как в примере из Википедии, вам понадобится больше места. Но давление в 700 бар вполне достижимо, поскольку Toyota Mirai использует водород под давлением 700 бар.
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 Я не совсем уверен, что запас хода — единственная причина. 200 миль — это много для электромобиля, и для этого требуется 19 литров бензина или 154 МДж энергии при КПД 25%. При давлении 700 бар (используется в Toyota Mirai) для хранения 154 МДж требуется 0,4 кубических метра (изотермический пример на en.wikipedia.org/wiki/Compressed-air_energy_storage). В моей машине, наверное, около 10 кубических метров свободного пространства.
  1. Приходилось ли вам когда-нибудь устанавливать газовый баллон типа K? Из-за технических требований (например, стандартов ASME для сосудов под давлением) они весят много, а газа в них мало. Реальные автомобили на сжатом воздухе очень маленькие и имеют небольшой запас хода.

  1. Автомобили, работающие на сжатом воздухе, обычно недоступны, потому что у этой технологии есть существенный недостаток. Автомобили, работающие на сжатом воздухе, заряжаются простым сжатием воздуха, но зарядка происходит за много часов или даже дней до того, как автомобиль будет использован.


    При быстром сжатии воздух подвергается адиабатическому сжатию. Часть энергии сохраняется в сжатом воздухе, а часть — в виде тепла, выделяемого сжатым воздухом.


    Поскольку зарядка происходит за много часов или даже дней до того, как автомобиль будет введён в эксплуатацию, тепло сжатого воздуха успевает рассеяться. Таким образом, хотя быстрая зарядка осуществляется за счёт адиабатического сжатия, конечный результат аналогичен изотермическому сжатию, при котором температура в начале и в конце (после рассеивания тепла) одинакова. Я недостаточно хорошо разбираюсь в термодинамике, чтобы сказать, является ли этот процесс лишь аналогичным изотермическому сжатию или фактически эквивалентным ему.


    Затем, когда автомобиль начинает движение, энергия сжатого воздуха расходуется очень быстро. Воздух подвергается адиабатическому расширению и охлаждается. Проблема в том, что это охлаждение снижает эффективность двигателя, работающего на сжатом воздухе. Кроме того, поскольку расширение является адиабатическим, а не изотермическим, часть энергии, которая была потеряна из-за нагрева окружающей среды, теряется навсегда.


    Если автомобиль движется очень медленно, скажем, со скоростью пешехода по ровной дороге, то теоретически расход энергии может быть настолько низким, что очень большой теплообменник сможет преобразовать адиабатическое расширение в изотермическое, при котором расширение позволяет повторно использовать тепло, потерянное в окружающей среде.


    Но автомобили ездят не так. Автомобили часто ездят очень быстро, в том числе и в гору. Большой объект весом более 1000 кг разгоняется быстро, поэтому за очень короткий промежуток времени расходуется много энергии. Не существует достаточно большого теплообменника, который мог бы обеспечить изотермическое расширение, происходящее достаточно быстро. Поэтому происходит только адиабатическое расширение, а при адиабатическом расширении не используется часть энергии, которая была потеряна в виде тепла.


    Системы хранения энергии на сжатом воздухе используются в энергосетях. Согласно Википедии, системе хранения энергии на сжатом воздухе в Макинтоше, штат Алабама, требуется 2,5 МДж электроэнергии и 1,2 МДж природного газа для повторного нагрева на 1 МДж вырабатываемой энергии. Это крайне низкая энергоэффективность, даже ниже, чем у водородных транспортных средств. Обратите внимание, что для повторного нагрева необходим природный газ, так как нужно каким-то образом нагревать охлаждающийся расширяющийся воздух.


    Из-за необходимости в отоплении систему хранения энергии в сжатом воздухе следует рассматривать только как более эффективный способ использования топлива, а не как способ, не требующий топлива, как в случае с электрическими батареями. А если у вас на борту уже есть топливо, то проще использовать его для получения всей необходимой энергии.
  1. @juhist — я бы предположил, что 99 % водителей в мире не знают разницы между адиабатическим и изотермическим процессами.
  1. Я уверен, что водителя транспортного средства волнует тот факт, что расширение воздуха происходит адиабатически, а не изотермически. При расширении воздух охлаждается. Это сокращает запас хода. Если бы там был огромный теплообменник (но такого огромного теплообменника быть не может), то расширение было бы изотермическим и не сокращало бы запас хода.
  1. @JonCuster Но постоянно работающий воздушный компрессор не является изотермическим компрессором. При сжатии воздух нагревается.
  1. ...и, конечно же, в настоящих автомобилях с пневматической подвеской используется не изотермическое, а адиабатическое расширение, для которого требуется больший объём, чем 0,4 кубических метра для изотермического расширения. Но на самом деле весь смысл моего ответа заключался в противопоставлении изотермического и адиабатического расширения: если изотермическое расширение невозможно, то автомобили с пневматической подвеской нереалистичны.
  1. Я думаю, вы упускаете из виду более масштабную картину того, почему они не используются: вы не можете хранить достаточное количество сжатого воздуха, чтобы проехать на автомобиле значительное расстояние. Бак с бензином (бензином для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания) или полностью заряженный аккумулятор могут легко обеспечить автомобилю запас хода от 4 до 500 миль. Чтобы получить запас хода, близкий к этому, с помощью сжатого воздуха, вам понадобится резервуар для хранения, который будет больше самого автомобиля.
Вы уже ответили на этот вопрос