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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Coches con combustible alternativo. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Según los expertos, todas las reservas de petróleo conocidas en la Tierra durarán no más de cincuenta años. La gasolina cada vez es más cara, y hoy en día no están tratando de reemplazarla con nada. Y el gas natural licuado, y todo tipo de gases y líquidos sintetizados, en particular el alcohol, que se extrae de una gran variedad de materias primas, desde la caña hasta la piel de naranja. Casi todos estos combustibles son menos dañinos para el medio ambiente que la gasolina, pero los gases de escape de los automóviles aún no son inofensivos. Bajo ciertas condiciones, un automóvil eléctrico podría resolver fundamentalmente el problema de la contaminación del aire por vehículos de motor. Para ello, no solo la operación de su fuente de energía, sino también la producción de esta fuente e incluso la eliminación de desechos deben volverse amigables con el medio ambiente. Hasta el momento, la batería que se suele utilizar en los vehículos eléctricos no cumple estos requisitos. "Y, sin embargo", como escribe K. Klimov en la revista "Science and Life", "en los últimos años, el automóvil eléctrico se ha utilizado mucho más. Gracias a los desarrollos de las empresas automotrices más grandes del mundo, las desventajas de la batería -peso, dimensiones, la necesidad de recarga frecuente- han disminuido un poco.Recientemente, por ejemplo, la empresa alemana BMW ha demostrado un nuevo coche eléctrico basado en una batería de sulfuro de sodio, que, según la empresa, tarda apenas 96 segundos. para acelerar desde parado a una velocidad de 20 kilómetros por hora, una velocidad máxima de 130 kilómetros por hora, y el rango entre recarga alcanza los kilómetros 270. Pero tal automóvil eléctrico no encontrará un uso masivo en el transporte, ya que la temperatura de funcionamiento de la batería de azufre de sodio tiene unos 350 grados centígrados. Tanto esta temperatura en sí misma como la necesidad de mantenerla durante el funcionamiento de la batería con la ayuda de calentadores especiales la hacen explosiva y peligrosa para el fuego ". Cada año hay más y más autos "eléctricos" en las vías públicas, y los informes de nuevos desarrollos en esta área no abandonan las páginas de revistas y periódicos. Hasta hace poco, el desarrollo de los vehículos eléctricos estaba limitado por los bajos parámetros de las fuentes de corriente. Durante muchos años, la batería de plomo-ácido tradicional sirvió en esta capacidad. Además de otras graves carencias, limitaba el kilometraje del coche antes de recargar a unos 150 kilómetros. Como resultado de la modernización, se aligeró la batería y se reemplazó el ácido en forma líquida por un gel menos peligroso. Y, sin embargo, no hay necesidad de esperar un gran avance en esta dirección, la densidad de "empaquetamiento" de energía y la potencia de las baterías de ácido casi han alcanzado el límite teórico. Pero reemplazando el plomo con níquel, fue posible crear toda una gama de baterías nuevas: níquel-cadmio, níquel-hidrógeno y níquel-zinc. Se comparan favorablemente con las baterías de plomo-ácido. Se caracterizan por su durabilidad, insensibilidad a las heladas, la capacidad de recargarse rápidamente. Es cierto que son más caras y algunos tipos de baterías aún deben recargarse periódicamente. Los sistemas de hidruro metálico de níquel son reconocidos como los más prometedores en la actualidad. Son ellos quienes tienen los indicadores específicos máximos, y la autodescarga es aceptable: el cincuenta por ciento de la capacidad por mes. Han pasado seis años desde que estas baterías se utilizaron por primera vez en la industria automotriz. Durante este tiempo, los vehículos eléctricos experimentales han recorrido millones de kilómetros en las carreteras, demostrando su idoneidad para operar a temperaturas de menos veinticinco a más cincuenta grados. Esto es lo que escribe la revista "Detrás del volante": "Las ventajas obvias de los sistemas de hidruro de níquel-metal, en primer lugar, incluyen el kilometraje casi duplicado hasta la próxima recarga: hasta 250 kilómetros en comparación con una batería de plomo-ácido. Y en En 1996, también se registró un récord: ¡el automóvil Solectria-Sunrise, impulsado únicamente por un motor eléctrico alimentado por baterías de hidruro de níquel-metal, recorrió más de 600 kilómetros de una sola vez! Durante las pruebas, se descubrió que los sistemas de níquel-hidruro de metal pueden soportar más de 10 ciclos de carga y descarga, lo que es comparable a un kilometraje de 80 kilómetros. Todo esto se le dirá al comprador con gusto, por ejemplo, en las salas de exhibición de Toyota en los EE. UU. e inmediatamente se ofrecerán a viajar en el nuevo vehículo todoterreno RAV-4EV. Ocultas bajo su piso hay 24 baterías de hidruro de níquel-metal que alimentan un motor eléctrico con una capacidad de 67 hp. Esto es suficiente para una aceleración bastante juguetona (0-100 km / h - 18 segundos), y la velocidad máxima tuvo que limitarse a 125 km / h. Me gustó: "RAV-4EV" se puede comprar allí mismo por $ 42000. ¿Algo no cuadra? No se moleste: después de todo, la elección de vehículos eléctricos de Toyota no está limitada. Está el Honda EV Plus, el Ford Ranger EV y el Nissan Altima EV; la lista continúa. A los europeos les gustaron el Peugeot-106 Electric y el Citroen-AX Electric, y el micromóvil Bombardier NV está llamado a impresionar a los jóvenes de moda, por lo que piden casi menos que por algunos VAZ.
Los vehículos eléctricos, entre otras cosas, dieron origen a una dirección nueva y extremadamente prometedora: los llamados automóviles híbridos. Un esquema híbrido es una combinación de un motor que funciona con el combustible habitual (gasolina o gas, pero más a menudo con combustible diesel) y un motor eléctrico. Un representante típico de este grupo en particular, el Toyota Prius, es uno de los ejemplos de mayor éxito comercial. El año pasado, más de diez mil compradores prefirieron este modelo, y esto, como ves, ya significa algo. En los EE. UU., para estimular a la industria automotriz a buscar activamente nuevas soluciones, se aprobó una ley que requiere que todas las empresas tengan al menos un modelo de vehículo eléctrico en su programa para el año 2003. De lo contrario, una prohibición del comercio. Entre los principales contendientes por el título de "el principal competidor de los motores de combustión interna" en la actualidad se encuentran los automóviles con celdas de combustible. La pila de combustible vio la luz por primera vez en 1839, cuando el físico inglés William Grove generó electricidad a partir de la reacción electroquímica del hidrógeno con el oxígeno. El tema comenzó a desarrollarse intensamente en las décadas de 1960 y 1970, cuando se utilizaron por primera vez los motores de pila de combustible en la industria espacial. ¿Cómo se suele realizar la conversión de la energía química del combustible en energía eléctrica en las centrales térmicas? Primero, la energía térmica liberada durante la combustión se convierte en la energía cinética del vapor. Luego, la energía del vapor en el rotor de la turbina se convierte en energía rotacional mecánica. Y, finalmente, en los devanados del generador, la energía mecánica se convierte en eléctrica. Las pérdidas son inevitables en cada etapa. En una pila de combustible, la energía química del combustible se transforma inmediatamente en energía eléctrica. Una celda de combustible, o un generador electroquímico, es un dispositivo técnico donde tiene lugar la reacción de oxidación del combustible, durante la cual se genera electricidad. El hidrógeno, el alcohol, el amoníaco y los hidrocarburos (gas natural, petróleo) pueden servir como combustible, y el oxígeno, el ácido nítrico, etc., pueden servir como agente oxidante (la combustión es una reacción de oxidación). El diseño de la celda de combustible es simple. Este es un recipiente con un electrolito (una solución acuosa de ácido o álcali), dos electrodos porosos (un ánodo y un cátodo, como en una batería) y tubos para suministrar combustible (al ánodo) y oxidante (al cátodo). En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se descomponen en átomos, que pierden sus electrones, se convierten en iones positivos y pasan al electrolito. El ánodo que ha perdido iones adquiere carga negativa con respecto al otro electrodo, y los electrones libres se desplazan hacia este último a lo largo del circuito externo. Allí se combinan con átomos de oxígeno: se forman iones negativos. Estos últimos pasan a través del electrolito y se combinan con iones de hidrógeno positivos. Esto crea un circuito cerrado a través del cual fluye una corriente eléctrica y la celda de combustible se convierte en un generador eléctrico. Además de electricidad, también produce un subproducto: agua destilada. Una sola celda de combustible produce un voltaje de aproximadamente 1,5 V. Para obtener un voltaje mayor, las celdas se conectan en serie entre sí para formar baterías.
El tiempo de funcionamiento continuo de la batería depende de las reservas de combustible, comburente y desgaste (oxidación) de los materiales de los electrodos y es de 1000 horas en instalaciones existentes. Por lo tanto, ahora se utilizan solo para el suministro de energía de consumidores autónomos, como vehículos de aguas profundas o estaciones espaciales cercanas a la Tierra. Hoy en día, las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno son las más utilizadas. Sin embargo, las celdas de combustible de aire y aluminio son mucho más eficientes, en las que una placa porosa de carbono y grafito con oxígeno de aire que ingresa sirve como cátodo y una placa de aleación de aluminio como ánodo. La oxidación se produce con una eficiencia del ochenta por ciento, y un kilogramo de aluminio "quemado" a temperatura ambiente es capaz de entregar aproximadamente tanta energía al circuito externo como la que da un kilogramo de carbón cuando se quema en el aire a una temperatura muy alta. "Tales fuentes de electricidad tienen muchas ventajas: simplicidad de diseño, total seguridad de operación y buenas características energéticas específicas", escribe K. Klimov en su artículo en la revista "Science and Life".material, que está determinado principalmente por la energía intensidad del proceso de producción. Sin embargo, esta desventaja debería disminuir con el tiempo y, gracias a los últimos desarrollos del Instituto de Metalurgia A.A. Baikov de la Academia Rusa de Ciencias, es muy posible que se elimine por completo y, además, en el futuro muy cercano. Los especialistas del instituto han desarrollado un método nuevo y altamente efectivo de las llamadas reacciones químicas multicomponente. En un medio especialmente seleccionado, que tiene conductividad tanto iónica como electrónica, se producen reacciones electroquímicas de microelectrodos (como se les llama) múltiples y distribuidas uniformemente a una temperatura determinada. Con su ayuda, muchos de los elementos conocidos se pueden obtener en forma pura, incluidos los metales y, en particular, el aluminio. Esto ya se está haciendo hoy en día, pero hasta ahora en condiciones de laboratorio, y como materia prima se usa arcilla del suelo ordinaria o cualquier materia prima mineral que contenga alúmina. El óxido de aluminio (el componente principal de la alúmina) se convierte con cloruro de calcio en cloruro de aluminio y se envía al reactor. Allí también entran vapores de sodio metálico, que se obtiene calentando soda con carbón. Por lo tanto, se forma en el reactor una solución de sodio mezclada con aluminio fundido y se crean las condiciones para la ocurrencia simultánea de múltiples reacciones redox. Como resultado de estas reacciones se obtiene aluminio líquido. Algunas de estas reacciones van acompañadas de la liberación de calor, lo que, por supuesto, reduce la intensidad energética del proceso de producción. La producción en sí misma resulta ser más simple y económica que la electrólisis tradicional, y también mucho más limpia para el medio ambiente”. Si la industria logra dominar la nueva tecnología para producir aluminio, tanto este como sus aleaciones serán mucho más baratos. Esto resolverá dos problemas a la vez. Primero, acelerará la solución del problema del combustible para automóviles. En segundo lugar, la carrocería del automóvil puede estar hecha de un material liviano y no corrosivo, lo que conducirá a una reducción significativa de su peso. Y reducir el peso del coche reducirá el consumo de energía al conducir. Las celdas de combustible de aire y aluminio ya se están produciendo en muchos países, incluida Rusia. Pero los japoneses mostraron un interés particular en ellos. Los producen en decenas de millones al año. Los japoneses no ocultan sus intenciones de lanzar próximamente la producción de vehículos eléctricos sobre aluminio. Mercedes-Benz (ahora Daimler-Chrysler) es considerada una de las pioneras en introducir esta tecnología en la industria automotriz. En 1994, sobre la base de la camioneta, construyó un prototipo de automóvil con celdas de combustible "Neckar-1". Dos años más tarde, un automóvil de pasajeros de clase V se equipó con una planta de energía similar. Un nuevo paso fue el estreno de Nekar-3, que utiliza metanol como combustible. Como escribe la revista "Detrás del volante": "Una característica distintiva de este modelo es la ausencia de baterías para almacenar energía. El proceso en el sistema ocurre directamente: cuando presiona el pedal del acelerador, aproximadamente el noventa por ciento de la potencia máxima está disponible en menos de dos segundos Como resultado, una dinámica de aceleración decente del automóvil, bastante comparable con los modelos convencionales de diesel o gasolina. No es muy diferente de llenar un tanque con gasolina. Por cierto, el tanque de combustible Neckar-3 contiene 38 litros de combustible, con los cuales el automóvil puede superar 400 kilómetros. Esto, al parecer, ya es un buen resultado ". Neckar-4" - el próximo y ciertamente no el último prototipo en camino a la producción en masa. Además de la preocupación de Daimler-Chrysler, muchas empresas - Ford y Volvo, Nissan y Renault, Mazda... - Ford y Volvo, Nissan y Renault, Mazda... y aunque aún quedan muchos problemas por resolver en el manera Según las previsiones de Daimler-Chrysler, esta empresa por sí sola podrá producir de 40 a 100 vehículos de pila de combustible en los próximos 4-5 años mediante la producción en serie de dichos vehículos. Guy Negre, el diseñador de la "Fórmula 1", fundó la empresa MDI, donde comenzó a crear un nuevo motor, uno híbrido. ¡En él, en particular, el aire puede actuar como combustible! El Negro decidió abandonar el esquema clásico, cuando todas las acciones tienen lugar en un cilindro. Utiliza dos: uno con un volumen de 270 y el otro con 755 centímetros cúbicos. Los cilindros están conectados por válvulas con una cámara esférica de 20 centímetros cúbicos. Cuando el motor funciona con gasolina, el pequeño cilindro succiona y comprime la mezcla combustible, que luego se empuja hacia la cámara de combustión. Allí se enciende por una descarga de chispa y se quema a un volumen constante (ambas válvulas de la cámara están cerradas). Luego se abre la válvula que conduce al cilindro de expansión (grande). Tal esquema tiene una serie de ventajas. La fase de combustión está separada de la expansión y es mucho más larga que en un motor convencional, por lo que el nuevo motor puede funcionar con mezclas extremadamente pobres y de combustión lenta, no necesita silenciador y la toxicidad del escape es comparable al aire normal de la ciudad. Cuando se trabaja con aire comprimido, los procesos en el motor prácticamente no cambian. Parecía que se logró el objetivo, pero Guy Negro se puso a trabajar en un nuevo motor y un nuevo auto. Lo llamó TOP - "taxi cero contaminación". Este nombre refleja el concepto: este automóvil no se alimentará con gasolina, solo con aire comprimido. "Incluso en el proyecto, el automóvil despertó un gran interés no solo entre los especialistas", informa la revista Za Rulem, "sino también entre los que están en el poder. Entonces, en México, la comisión parlamentaria de transporte se interesó por los desarrollos de los ingenieros franceses, y tras la visita de los mexicanos, Brignole firmó un contrato para la sustitución gradual de los 1997 taxis de Ciudad de México, la capital más contaminada del mundo, por coches con “exhalación” limpia. construirá una planta llave en mano en el extranjero. Prevemos objeciones: dicen que para bombear aire a los cilindros se necesita energía y las centrales eléctricas también son fuentes de contaminación. Los autores del proyecto calcularon la eficiencia final en la cadena "refinería - automóvil" para un automóvil de gasolina, eléctrico y "aire": 9,4, 13,2 y 20 por ciento, respectivamente - "aire" está a la cabeza por un margen notable. El nuevo motor repitió en gran medida el híbrido ya rodado. Sin embargo, ahora los pistones se han alargado "colgando" en puntos muertos (el 80 por ciento del tiempo) gracias a los embragues deslizantes especiales en el cigüeñal. No es aire exterior lo que se aspira en el cilindro, sino parte del escape. No hay sistemas de encendido, inyección de combustible, tanque de gasolina. Pero debajo de la parte inferior, cuatro tanques de aire comprimido de carbono (¡casi ingrávidos!) de 50 litros están cuidadosamente ubicados. Su reserva (200 litros a 200 atm.) es suficiente para 500 kilómetros a una velocidad de 40 kilómetros por hora o 100 kilómetros a 90 kilómetros por hora. Durante el frenado, se recupera energía: el compresor de alta presión bombea aire exterior de regreso a los cilindros. Hay dos formas de "repostar" un coche. Desde una línea de aire a alta presión: 2-3 minutos (a precios occidentales por solo un dólar y medio) o desde la red eléctrica: el mismo compresor inflará los cilindros en 4 horas, más rápido que cargar un automóvil eléctrico. Hablando de vehículos eléctricos, uno no puede dejar de mencionar a Tesla Motors. Es una empresa automotriz estadounidense de Silicon Valley enfocada en la producción de vehículos eléctricos. Nombrado en honor al mundialmente famoso ingeniero eléctrico y físico Nikola Tesla. El primer automóvil de la compañía fue el automóvil deportivo Tesla Roadster. Su presentación oficial tuvo lugar el 19 de julio de 2006 en Santa Mónica, California.
Tesla se dedica no solo a la producción de automóviles, sino también a la construcción de la red Supercharger: estaciones para cargar vehículos eléctricos. Autor: Musskiy S.A.
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