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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Carros com combustível alternativo. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor De acordo com especialistas, todas as reservas de petróleo conhecidas na Terra não durarão mais de cinquenta anos. A gasolina está ficando mais cara, e hoje eles não estão tentando substituí-la por nada. E gás natural liquefeito, e todos os tipos de gases e líquidos sintetizados, em especial o álcool, que é produzido a partir de uma variedade de matérias-primas, da cana à casca de laranja. Quase todos esses combustíveis são menos prejudiciais ao meio ambiente do que a gasolina, mas o escapamento do carro ainda não é inofensivo. Sob certas condições, um carro elétrico pode resolver fundamentalmente o problema da poluição do ar por veículos motorizados. Para isso, não só a operação de sua fonte de energia, mas também a produção dessa fonte e até mesmo o descarte de resíduos devem se tornar ecologicamente corretos. Até agora, a bateria normalmente utilizada em veículos elétricos não atende a esses requisitos. "E ainda", como escreve K. Klimov na revista "Science and Life", "nos últimos anos, o carro elétrico tem sido usado muito mais amplamente. Graças aos desenvolvimentos das maiores empresas automotivas do mundo, as desvantagens de a bateria - peso, dimensões, necessidade de recarga frequente - diminuíram um pouco. Recentemente, por exemplo, a BMW da Alemanha apresentou um novo carro elétrico alimentado por uma bateria de sulfeto de sódio que leva apenas 96 segundos para acelerar da imobilidade a 20 quilômetros por hora, a empresa afirma, com uma velocidade máxima de 130 quilômetros por hora e uma quilometragem entre cargas de até 270 quilômetros. Mas esse carro elétrico não encontrará uso em massa no transporte, pois a temperatura de operação da bateria de enxofre de sódio é de cerca de 350 graus Celsius. Tanto essa temperatura em si quanto a necessidade de mantê-la durante a operação da bateria com a ajuda de aquecedores especiais a tornam explosiva e perigosa ao fogo " . Há cada vez mais carros "elétricos" nas vias públicas a cada ano, e as notícias de novidades nessa área não saem das páginas de revistas e jornais. Até recentemente, o desenvolvimento de veículos elétricos era limitado pelos baixos parâmetros das fontes de corrente. Por muitos anos, a bateria de chumbo-ácido tradicional serviu nesta capacidade. Além de outras deficiências graves, limitou a quilometragem do carro antes de recarregar a cerca de 150 quilômetros. Como resultado da modernização, a bateria foi aliviada e o ácido em forma líquida foi substituído por um gel menos perigoso. No entanto, não há necessidade de esperar por um avanço nessa direção, a densidade da "embalagem" de energia e a potência das baterias ácidas quase atingiram o limite teórico. Mas substituindo o chumbo pelo níquel, foi possível criar toda uma gama de novas baterias - níquel-cádmio, níquel-hidrogênio e níquel-zinco. Eles se comparam favoravelmente com baterias de chumbo-ácido. Eles são caracterizados pela durabilidade, insensibilidade ao gelo, capacidade de recarregar rapidamente. É verdade que eles são mais caros e alguns tipos de baterias ainda precisam ser recarregados periodicamente. Os sistemas de níquel-hidreto metálico são reconhecidos como os mais promissores atualmente. São eles que têm o máximo de indicadores específicos, e a auto-descarga é aceitável: cinquenta por cento da capacidade por mês. Seis anos se passaram desde que essas baterias foram usadas pela primeira vez na indústria automotiva. Durante esse período, os veículos elétricos experimentais percorreram milhões de quilômetros nas estradas, provando sua adequação para operação em temperaturas de menos vinte e cinco a mais de cinquenta graus. Aqui está o que a revista "Behind the wheel" escreve: "As vantagens óbvias dos sistemas de hidreto de níquel-metal, em primeiro lugar, incluem a quilometragem quase dobrada até a próxima recarga - até 250 quilômetros em comparação com uma bateria de chumbo-ácido. E em Em 1996, um recorde também foi registrado: o Solectria-Sunrise, movido apenas por um motor elétrico alimentado por baterias de níquel-hidreto metálico, percorreu mais de 600 quilômetros de uma só vez! 10 ciclos de carga e descarga, o que é comparável a uma quilometragem de 80 quilômetros. Tudo isso será contado ao comprador com prazer, por exemplo, nos showrooms da Toyota nos EUA e eles imediatamente se oferecerão para andar no novo veículo off-road RAV-4EV. Escondidas sob o piso estão 24 baterias de níquel-hidreto metálico que alimentam um motor elétrico com capacidade de 67 cv. Isso é suficiente para uma aceleração bastante rápida (0-100 km / h - 18 segundos), e a velocidade máxima teve que ser limitada a 125 km / h. Eu gostei - "RAV-4EV" pode ser comprado ali mesmo por $ 42000. Algo não combina? Não fique chateado - afinal, a escolha de veículos elétricos da Toyota não é limitada. Há o Honda EV Plus, o Ford Ranger EV e o Nissan Altima EV - a lista continua. Os europeus gostaram do Peugeot-106 Electric e do Citroen-AX Electric, e o micromóvel Bombardier NV é chamado para impressionar os jovens da moda, pelo qual eles pedem quase menos do que alguns VAZs.
Os veículos elétricos, entre outras coisas, deram origem a uma nova direção extremamente promissora – os chamados carros híbridos. Um esquema híbrido é uma combinação de um motor que funciona com o combustível usual (gasolina ou gás, mas mais frequentemente com combustível diesel) e um motor elétrico. Um representante típico desse grupo em particular, o Toyota Prius, é um dos exemplos de maior sucesso comercial. No ano passado, mais de dez mil compradores preferiram esse modelo, e isso, você vê, já significa alguma coisa. Nos EUA, para estimular a indústria automobilística a buscar ativamente novas soluções, foi aprovada uma lei exigindo que todas as empresas tivessem pelo menos um modelo de veículo elétrico em seu programa até 2003. Caso contrário - a proibição do comércio. Entre os principais candidatos ao título de "principal concorrente dos motores de combustão interna" hoje estão os carros com células de combustível. A célula de combustível viu a luz do dia pela primeira vez em 1839, quando o físico inglês William Grove gerou eletricidade a partir da reação eletroquímica do hidrogênio com o oxigênio. O tema começou a ser desenvolvido intensivamente nas décadas de 1960 e 1970, quando os motores de célula de combustível foram usados pela primeira vez na indústria espacial. Como geralmente ocorre a conversão da energia química do combustível em energia elétrica nas usinas termelétricas? Primeiro, a energia térmica liberada durante a combustão é convertida em energia cinética do vapor. Em seguida, a energia do vapor no rotor da turbina é convertida em energia mecânica rotacional. E, finalmente, nos enrolamentos do gerador, a energia mecânica torna-se elétrica. As perdas são inevitáveis em todas as fases. Em uma célula a combustível, a energia química do combustível é imediatamente transformada em energia elétrica. Uma célula de combustível, ou um gerador eletroquímico, é um dispositivo técnico onde ocorre a reação de oxidação do combustível, durante a qual a eletricidade é gerada. Hidrogênio, álcool, amônia e hidrocarbonetos (gás natural, petróleo) podem servir como combustível, e oxigênio, ácido nítrico, etc., podem servir como agente oxidante (a combustão é uma reação de oxidação). O design da célula de combustível é simples. Trata-se de um recipiente com um eletrólito (uma solução aquosa de ácido ou alcalino), dois eletrodos porosos (um ânodo e um cátodo, como em uma bateria) e tubos para fornecimento de combustível (ao ânodo) e oxidante (ao cátodo). No ânodo, as moléculas de hidrogênio se dividem em átomos, que perdem seus elétrons, tornam-se íons positivos e vão para o eletrólito. O ânodo que perdeu íons adquire uma carga negativa em relação ao outro eletrodo, e os elétrons livres se movem em direção ao último ao longo do circuito externo. Lá eles se combinam com átomos de oxigênio - íons negativos são formados. Os últimos passam pelo eletrólito e se combinam com íons de hidrogênio positivos. Isso cria um circuito fechado através do qual uma corrente elétrica flui, e a célula de combustível se torna um gerador elétrico. Além da eletricidade, também produz um subproduto – água destilada. Uma única célula de combustível produz uma tensão de cerca de 1,5 V. Para obter uma tensão mais alta, as células são conectadas em série umas com as outras para formar baterias.
O tempo de funcionamento contínuo da bateria depende das reservas de combustível, oxidante e desgaste (oxidação) dos materiais dos eletrodos e é de 1000 horas nas instalações existentes. Portanto, eles agora são usados apenas para fornecimento de energia de consumidores autônomos, como veículos de alto mar ou estações espaciais próximas à Terra. Hoje, as células de combustível de hidrogênio-oxigênio são mais comumente usadas. No entanto, as células de combustível de ar-alumínio são muito mais eficientes, nas quais uma placa porosa de carbono-grafite com oxigênio do ar entrando nela serve como cátodo e uma placa de liga de alumínio como ânodo. A oxidação prossegue com uma eficiência de oitenta por cento, e um quilograma de alumínio "queimado" à temperatura ambiente é capaz de fornecer aproximadamente tanta energia ao circuito externo quanto um quilograma de carvão fornece quando queimado no ar a uma temperatura muito alta. “Tais fontes de eletricidade têm muitas vantagens: simplicidade de design, total segurança de operação e boas características energéticas específicas”, escreve K. Klimov em seu artigo na revista “Science and Life”. intensidade do processo de produção. Esta desvantagem deve, no entanto, diminuir com o tempo e, graças aos últimos desenvolvimentos do Instituto de Metalurgia A.A. Baikov da Academia Russa de Ciências, é muito provável que seja completamente eliminada e, além disso, no futuro muito próximo. Especialistas do instituto desenvolveram um método novo e altamente eficaz das chamadas reações químicas multicomponentes. Em um meio especialmente selecionado, que possui condutividade iônica e eletrônica, reações eletroquímicas de microeletrodos múltiplos e uniformemente distribuídos (como são chamados) ocorrem a uma determinada temperatura. Com a ajuda deles, muitos dos elementos conhecidos podem ser obtidos na forma pura, incluindo metais e, em particular, alumínio. Isso já está sendo feito hoje, mas até agora em condições de laboratório, e argila do solo comum ou qualquer matéria-prima de minério contendo alumina é usada como matéria-prima. O óxido de alumínio (o principal componente da alumina) é convertido com cloreto de cálcio em cloreto de alumínio e enviado para o reator. Vapores de sódio metálico, que é obtido pelo aquecimento de refrigerante com carvão, também entram por lá. Assim, uma solução de sódio misturada com alumínio fundido é formada no reator e são criadas condições para a ocorrência simultânea de múltiplas reações redox. Como resultado dessas reações, o alumínio líquido é obtido. Algumas dessas reações acompanham a liberação de calor, o que, obviamente, reduz a intensidade energética do processo de produção. A produção em si acaba sendo mais simples e barata do que a eletrólise tradicional, e também muito mais limpa do ponto de vista ambiental.” Se a indústria conseguir dominar a nova tecnologia de produção de alumínio, tanto ela quanto suas ligas ficarão muito mais baratas. Isso resolverá dois problemas ao mesmo tempo. Em primeiro lugar, acelerará a solução do problema do combustível para automóveis. Em segundo lugar, a carroceria do carro pode ser feita de um material leve e não corrosivo, o que levará a uma redução significativa em seu peso. E reduzir o peso do carro reduzirá o consumo de energia ao dirigir. Células de combustível de ar-alumínio já estão sendo produzidas em muitos países, incluindo a Rússia. Mas os japoneses mostraram interesse particular neles. Eles os produzem na casa das dezenas de milhões por ano. Os japoneses não escondem suas intenções de lançar em breve a produção de veículos elétricos em alumínio. A Mercedes-Benz (agora Daimler-Chrysler) é considerada uma das pioneiras na introdução dessa tecnologia na indústria automotiva. Em 1994, com base na van, ela construiu um protótipo de carro com células de combustível "Neckar-1". Dois anos depois, um carro de passageiros da classe V foi equipado com uma usina de energia semelhante. Um novo passo foi a estreia do Nekar-3, que utiliza metanol como combustível. Como escreve a revista "Atrás do volante": "Uma característica distintiva deste modelo é a ausência de baterias para armazenar energia. O processo no sistema ocorre diretamente - quando você pressiona o pedal do acelerador, cerca de noventa por cento da potência máxima está disponível em menos de dois segundos. Como resultado, uma dinâmica de aceleração decente do carro , bastante comparável aos modelos convencionais a diesel ou gasolina. não é muito diferente de encher um tanque com gasolina. A propósito, o tanque de combustível Neckar-3 contém 38 litros de combustível, nos quais o carro é capaz de percorrer 400 quilômetros. Isso, ao que parece, já é um bom resultado, superando o Neckar-4 - o próximo e certamente não o último protótipo a caminho da produção em massa. Além da preocupação Daimler-Chrysler, pesquisa e desenvolvimento de veículos com células de combustível são realizados por muitas empresas - Ford e Volvo, Nissan e Renault, Mazda... forma De acordo com as previsões da Daimler-Chrysler, esta empresa sozinha será capaz de produzir de 40 a 100 veículos de célula de combustível nos próximos 4-5 anos pela produção em série de tais veículos. Guy Negre, o designer da "Fórmula 1", fundou a empresa MDI, onde começou a criar um novo motor - um híbrido. Nele, em particular, o ar pode atuar como combustível! O negro decidiu abandonar o esquema clássico, quando todas as ações acontecem em um cilindro. Ele usa dois: um com volume de 270 e outro com 755 centímetros cúbicos. Os cilindros são conectados por válvulas com uma câmara esférica de 20 centímetros cúbicos. Quando o motor está funcionando com gasolina, o pequeno cilindro suga e comprime a mistura combustível, que é então empurrada para a câmara de combustão. Lá é inflamado por uma descarga de faísca e queima a um volume constante (ambas as válvulas da câmara estão fechadas). Em seguida, abre-se a válvula que conduz ao cilindro de expansão (grande). Tal esquema tem uma série de vantagens. A fase de combustão é separada da expansão e é muito mais longa do que em um motor convencional, de modo que o novo motor pode funcionar com misturas extremamente magras e de queima lenta, não precisa de silenciador e a toxicidade do escapamento é comparável ao ar comum da cidade. Ao trabalhar com ar comprimido, os processos no motor praticamente não mudam. Parecia que o objetivo foi alcançado, mas Guy Negro começou a trabalhar em um novo motor e um novo carro. Ele o chamou de TOP - "táxi poluição zero". Este nome reflete o conceito: este carro não será abastecido com gasolina, apenas com ar comprimido. "Mesmo no projeto, o carro despertou grande interesse não só entre os especialistas", relata a revista Za Rulem, "mas também entre os que estão no poder. Assim, no México, a comissão parlamentar de transportes se interessou pelos desenvolvimentos dos engenheiros franceses, e depois que os mexicanos visitaram Brignole assinaram um contrato para a substituição gradual de todos os 1997 táxis da Cidade do México, a capital mais poluída do mundo, por carros de “expiração” limpa. construirá uma fábrica chave na mão no exterior. Prevemos objeções: dizem que para bombear o ar nos cilindros é preciso energia, e as usinas também são fontes de poluição. Os autores do projeto calcularam a eficiência final na cadeia "refinaria - carro" para um carro a gasolina, elétrico e "ar": 9,4, 13,2 e 20%, respectivamente - "ar" está na liderança por uma margem notável. O novo motor repetiu amplamente o híbrido já rodado. No entanto, agora os pistões ficaram mais "pendurados" em pontos mortos (80% do tempo) graças a embreagens deslizantes especiais no virabrequim. Não é o ar externo que é sugado para dentro do cilindro, mas parte do escapamento. Não há sistemas de ignição, injeção de combustível, tanque de gás. Mas sob o fundo, quatro tanques de ar comprimido de carbono (quase sem peso!) de 50 litros estão bem localizados. Sua reserva (200 litros a 200 atm.) é suficiente para 500 quilômetros a uma velocidade de 40 quilômetros por hora ou 100 quilômetros a 90 quilômetros por hora. Durante a frenagem, a energia é recuperada - o compressor de alta pressão bombeia o ar externo de volta para os cilindros. Existem duas maneiras de "reabastecer" um carro. De uma linha de ar de alta pressão - 2-3 minutos (a preços ocidentais por apenas um dólar e meio) ou da rede: o mesmo compressor inflará os cilindros em 4 horas - mais rápido do que carregar um carro elétrico. Falando em veículos elétricos, não podemos deixar de mencionar a Tesla Motors. É uma empresa automobilística americana do Vale do Silício focada na produção de veículos elétricos. Nomeado em homenagem ao mundialmente famoso engenheiro elétrico e físico Nikola Tesla. O primeiro carro da empresa foi o esportivo Tesla Roadster. Sua apresentação oficial ocorreu em 19 de julho de 2006 em Santa Monica, Califórnia.
A Tesla está envolvida não apenas na produção de carros, mas também na construção da rede Supercharger - estações para carregar veículos elétricos. Autor: Musskiy S.A.
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