Artykuł
W miniaturce jest Armak air engine.
W internecie są takie oto rewelacje dotyczące minisamochodu o napędzie pneumatycznym:
majac ciśnienie w butli 30 MPa (300 bar = 296 atm po uproszczeniu 300 atm), ciśnienie robocze silnika 0.6 MPa (6 bar = 6 atm) dostaniemy zasięg 200 km.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_pneumatyczny
http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/ekoauto/spr_pow.html
scigacz.pl/Silniki,pneumatyczne,czyli,dwa,kola,wiatrem,pedzone,13188.html
Temat takiego napędu wydawało by się jest interesujący w porównaniu do napędu elektrycznego z powodu wysokiej trwałości butli na sprężone powietrze w zestawieniu do akumulatorów (brak konieczności zakupu nowych akumulatorów po 5 latach) oraz braku konieczności recyklingu zużytych akumulatorów. Silniki pneumatyczne, podobnie jak silniki elektryczne, przy niewielkiej mocy, np. 15 kW mają dają stosunkowo duży moment obrotowy rzędu 100 Nm, równoważący niejako niedostatki mocy ograniczone np. homologacją L7e-CP dla minisamochodów. Postanowiłem zatem sprawdzić ten temat pod względem obliczeniowym.
Sprawa podstawowa, czyli gęstość energii (wydajność paliwa, wydajność energetyczna, wartość opałowa), sprężonego powietrza w porównaniu do innych źródeł jest tak niska, że w zasadzie powinna zakończyć dalsze dywagacje od razu już teraz.
Ale zobaczmy:
gęstość energii dla różnych paliw wynosi :
powietrze sprężone (netto)_0.08 MJ/kg = 0.023 kWh/kg
akumulatory ołowiowe_____0.1 MJ/kg = 0.025 kWh/kg
akumulatory litowo-jonowe_1.0 MJ/kg = 0.250 kWh/kg
ogniwo paliwowe__________1.6 MJ/kg = 0.444 kWh/kg
para wodna______________ 2.2 MJ/kg = 0.600 kWh/kg
drewno__________________6.0 MJ/kg = 1.67 kWh/kg
węgiel kamienny_________21.0 MJ/kg = 5.83 kWh/kg
gaz ziemny______________26.0 MJ/kg = 7.22 kWh/kg
olej roślinny_____________37.0 MJ/kg = 10.27 kWh/kg
benzyna________________42.6 MJ/kg = 11.833 kWh/kg
olej napędowy___________42.9 MJ/kg = 11.917 kWh/kg
gaz płynny LPG__________46.0 MJ/kg = 12.70 kWh/kg
wodór skroplony_________143.0 MJ/kg = 40.00 kWh/kg
sprężyna______________0.0003 MJ/kg = 0.00008 kWh/kg
źródła:
https://www.e-petrol.pl/wiedza-i-porady/lpg/wlasciwosci-i-przeliczanie
https://www.igaz.pl/index.php?i19,wiedza-parametry-gazu
źródło do gęstości sprężonego powietrza od 0.01 do 0.05 kWh/kg
https://biznesalert.pl/magazyny-energii-jozef-sobolewski/
https://pl.wikipedia.org/wiki/G%C4%99sto%C5%9B%C4%87_energii
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 27 grudnia 2007 w sprawie wartości opałowej poszczególnych biokomponentów i paliw ciekłych
Polska Norma PN-82/C-96000
Wygodny przelicznik
https://www.jednostek-miary.info/przelicznik-jednostek.php?typ=energii
Przy porównywaniu gęstości energii różnych paliw należy uwzględnić sprawność silników pracujących na tych paliwach (np. ponad czterdziestokrotna przewaga benzyny nad akumulatorami litowo-jonowymi jest zmniejszana przez trzykronie większą sprawność silników elektrycznych).
maksymalne orientacyjne sprawności silników:
pneumatycznego 10% - 90%
silnik Angelo di Pietro (obrotowy tłok)
silnik Armak AGP16 (Rodsa)
silnik Parker P1V-BJ00A0600 (łopadkowy)
arapneumatik.pl/uploads/p1v-a-silnik-pneumatyczny-parker.pdf
elektrycznego 90%
benzynowego 30%
parowego 10%, najnowsze 25%
Z powyższego zestawienia gęstości energii wynika, że oprócz sprężyny sprężone powietrze ma najniższą gęstość energii, czyli najniższą wydajność energetyczną. Dodatkowo jest to wydajność netto, czyli samego powietrza bez uwzględnienia masy butli. Nie można zatem porównywać tej wartości dla sprężonego powietrza i dajmy na to następnych w kolejce akumulatorów ołowiowych. Trzeba tu bowiem zaznaczyć, że w przypadku sprężonego powietrza masa butli ma kolosalne znaczenie dla gęstości energii, gdyż może przewyższać kilkukrotnie masę samego powietrza. Zauważmy, że np. 90 kg benzyny potrzebuje zbiornik na paliwo ważący jakieś 10 kg, natomiast 90 kg sprężonego powietrza do 30 MPa (300 bar = 300 atm) potrzebuje 5 butli o masie (jak wykażę poniżej) od około 125 kg (kompozytowych) do 340 kg (stalowych). Niebagatelne znaczenie ma też sama objętość powietrza – powyżej pewnej wartości nie ma gdzie pomieścić butli pod podłogą minisamochodu.
Dygresje.
Para wodna, drewno i węgiel kamienny wciąż przewyższają gęstością energii akumulatory litowo - jonowe.
Aby akumulatory dorównały benzynie ich gęstość energii musi wzrosnąć 14 razy z 0.250 kWh/kg do 3.666 kWh/kg (po uwzględnieniu trzykrotnie wyższej sprawności silnika elektrycznego od spalinowego).
Wysoka wydajność energetyczna benzyny rozzuchwala władzę w nakładaniu wysokich 70% podatków na to paliwo.
Kiedy przyjdzie czas samochodów elektrycznych, ceny prądu wzrosną z tego samego powodu, z tym że benzyny nie używamy w gospodarstwie domowym, a prąd i owszem. Już teraz cena prądu w prawdzie w domu wynosi 60 gr/kWh, ale na słupkach publicznych (np. Greenway) ok. 2.6 zł/kWh.
Przy użyciu oleju roślinnego do silnika diesla trzeba się liczyć ze zmniejszoną mocą z powodu niższej gęstości energii.
Skroplony wodór ma ponad trzykrotnie wyższą gęstość energii od benzyny (bez uwzględniania masy zbiorników). Jednak ogniwo paliwowe zasilane wodorem ma trzydziestokrotnie niższa gęstość energii od benzyny.
Oprócz strat sprawności silnika należy też uwzględnić straty ładowania butli. Gęstość energii jest obliczana dla izotermicznego lub ewentualnie adiabatycznego (izentropowego) ładowania butli. Chodzi o ładowanie i późniejsze wykorzystanie nagromadzonej energii bez strat energii (ciepła) z otoczeniem.
Izotermiczne tzn. przy stałej temperaturze T = const. Wtedy to kompresowane powietrze jest chłodzone, aby po naładowaniu jego temperatura nie zmieniła się w porównaniu do temp. otoczenia. Gdyby jego temperatura wzrosła na skutek ładowania, to po ochłodzeniu ciśnienie by spadło, a zatem było by niepełne. Spowodowało by stratę energii powietrza sprężonego, a zatem stratę energii o tą stratę ciepła.
Adiabatyczne, tzn. bez wymiany energii z otoczeniem E = p * V = const. Wtedy to ciepło przy kompresowaniu powietrza jest akumulowane (dzięki np. izolowaniu/ocieplaniu butli). W czasie rozprężania to ciepło jest pochłaniane przez schładzające się przy tym rozprężaniu powietrze.
Nie jestem specem od pneumatyki, ale wydaje mi się, że sensownym było by zarówno zastosowanie chłodnicy na linii wejścia (i wyjścia) powietrza do butli , jak i ocieplenie samych butli.
Jaką energię możemy mieć do dyspozycji z 5 butli 50L (każda długości 165 cm, średnicy 23 cm i masie 68 kg)?
Energia powietrza sprężonego do 30 MPa (300 bar = 300 atm) w butli 50L (0.05 m3), przy ciśnieniu roboczym 0.6 MPa (6 bar = 6 atm)
E = p * V = (30 000 000 – 600 000) Pa * 0.05 m3 = 1 470 000 J = 1.47 MJ
Masa powietrza sprężonego do 30 MPa (300 bar = 300 atm) w butli 50L (0.05 m3) dla
gęstość powietrza 1.2 kg/m3
ciśnienie atmosferyczne 0.1 MPa (100 bar = 100 atm)
m = 1.2 kg/m3 * 0.05 m3 * 30 MPa/0.1MPa = 18 kg
Zatem gęstość energii powietrza sprężonego netto do 30 MPa (300 bar = 300 atm) w butli 50L (0.05 m3), przy ciśnieniu roboczym 0.6 MPa (6 bar = 6 atm)
gęstość energii = E / m = 1.47 MJ / 18 kg = 0.082 MJ/kg = 0.023 kWh/kg
5 butli 50L z powietrzem o masie 5 * 18 kg = 90 kg będzie mieć
90 kg * 0.023 kWh/kg = 2.07 kWh
Przy czym:
Masa 5 stalowych butli 50L ze sprężonym powietrzem wyniesie 5 * 68 kg + 90 kg = 430 kg
Masa 5 kompozytowych butli 50L ze sprężonym powietrzem wyniesie 5 * 25 kg + 90 kg = 215 kg (masa buli kompozytowych jest szacunkowa)
2 kWh to bardzo słabo na taki duży i ciężki zestaw. Obecnie (2021) przeciętna pojemność energetyczna samochodów z napędem elektrycznym jest w przedziale 15 kWh - 100 kWh. Zużycie prądu przeciętnego samochodu z napędem elektrycznym waha się od 15 kWh/100km do 20 kWh/100km. Zatem teoretycznie taki zestaw sprężonego powietrza starczy na przejechanie raptem 12 km
(2 kWh / 15 kWh km * 100 km * 90% spr.siln)
przy założeniu sprawności silnika 90% i bez uwzględnienia strat cieplnych przy ładowaniu, o których pisałem wyżej.
Sama sprawność silnika na poziomie 90% jest dla mnie do przyjęcia, ale dla silnika elektrycznego. Natomiast dla silnika pneumatycznego jest mocno dyskusyjna.
Sprawdźmy to.
Zapotrzebowanie powietrza silnika Armak AGP16 przy
mocy maksymalnej 16 kW,
obrotach 1200 obr/min,
momencie obrotowym 95 Nm,
ciśnieniu roboczym 6 bar
wynosi 270 l/sek = 0.27 m3/s = 16.2 m3/min
(podobne wartości ma silnik Parker P1V-BJ00A0600 moc max 18 kW, zapotrzebow. pow 20 m3/min)
Najpierw obliczmy ile powietrza o ciśnieniu 6 bar (0.6 MPa, 6 atm) mamy w 5 butlach o pojemności 50 litrów każda i ciśnieniu 300 bar (30 MPa = 300 atm):
Pomijamy straty z wymiany ciepła.
E6 = E300
p6 * V6 = p300 * V300
6 bar * V6 = 300 bar * 5 * 0.05 m3
V6 = 300 * 5 * 0.05 / 6
V6 = 12.5 m3
Jak widać przy mocy maksymalnej silnik pneumatyczny przejadł by te powietrze z 5 butki po 50 litrów każda z ciśnieniem 30 MPa (300 bar = 300 atm) w ciągu 46 sekund (12.5 / 0.27).
XD
Przy stałej prędkości 50 km/h (co to za jazda :( ) minisamachód potrzebuje 2.6 kW mocy.
|
masa badanego samochodu m |
700 |
kg |
|
|
przyspieszenie ziemskie g |
9,81 |
m/s2 |
|
|
współczynnik oporu toczenia f |
0,012 |
|
|
|
siła oporów toczenia Ft |
82 |
N |
|
|
gęstość powietrza rp |
1,205 |
kg/m3 |
|
|
współczynnik oporów powietrza Cx |
0,35 |
|
|
|
powierzchnia czołowa A |
2 |
m2 |
|
|
prędkość samochodu Va |
50 |
km/h |
|
|
siła oporów powietrza Fp |
81 |
N |
|
|
moc na kołach Pk |
2274 |
W |
|
|
sprawność przekładni przedniej npp |
0,9 |
|
|
|
sprawność silnika przedniego nsp |
0,96 |
|
|
|
moc z butli ciśnienia Pak |
2632 |
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gdzie: |
|||
|
Ft = m * g * f |
|||
|
Fp = 0,5 * rp * Cx * A * Va * Va / 3,6 |
|||
|
Pk = (Fn + Fp) * Va / 3,6 |
|||
|
Pak = Pk / (npt * nst) |
|||
Charakterystyka mocy
https://drive.google.com/file/d/1d0GmX7Y_S86S2FV3qv1Ub8kjTll93MI2/view?usp=sharing
Charakterystyka zapotrzebowania powietrza
https://drive.google.com/file/d/1hvQqYxb4e6zg1sAZsPyJt2evwNULUsAi/view?usp=sharing
Charakterystyka momentu obrotowego
https://drive.google.com/file/d/1qPpDnhEfGx1UQ4jp-Zc7heqX2aehofFj/view?usp=sharing
Z charakterystyki silnika pneumatycznego wynika, że zapotrzebowanie na powietrze przy takiej mocy spada do około 30 l/s czyli 0.03 m3/s. W takich warunkach czas pracy silnika wyniósł by 12.5 m3 / 0.03 m3 = 416 sekund, czyli około 7 minut. W tym czasie przejedzie dystans 50 km/h / 60 * 7 min = 5.8 km, co jest 2 razy mniej niż wynikało by z wartości energii jaką przedstawia 5 butli po 50 litrów z ciśnieniem 30 MPa (300 bar = 300 atm). Zatem sprawność takiego silnika w takich warunkach wynosi 50%.
Co można zrobić z takim słabiakiem?
Po pierwsze potrzeba silnika, który ma realną sprawność 90%.
Można zwiększyć masę powietrza w butlach przez podniesienie ciśnienia, np. do 45 MPa (450 bar = 450 atm). Wtedy trzeba się liczyć, że ładowanie takich butli staje się problematyczne ze względu na sprzęt (sprężarki) , czas, bezpieczeństwo, no i ekonomię.
Zredukować wszelkie możliwe opory toczenia i masę (butle kompozytowe), by uzyskać zużycie energii na poziomie 10 kWh/100 km. Problematyczne jest wtedy bezpieczeństwo bierne takiego autka, podobnie zresztą jak wielu innych, w tym elektrycznych, wynalazków tego typu.
Po wyżej wymienionych zmianach taki bidny minisamochodzik osiągnie z trudem zasięg 30 km, co jednak moim zdaniem minimum trzy razy za mało jest.
p.s
Nazywanie silnika na sprężone powietrze silnikiem, podobnie zresztą jak nazywanie silnika elektrycznego silnikiem jest poniekąd na wyrost. Oba te "silniki" to są co najwyżej przetworniki energii - pierwszy energii sprężonego powietrza na energię mechaniczną, drugi energii elektrycznej na energię mechaniczną. To tak jak skrzynia biegów co najwyżej, która przetwarza energię mechaniczną (moment obrotowy), zresztą podobnego poziomu nieskomplikowania, wartości i w końcu masy. Prawdziwym silnikiem jest silnik spalinowy, który nie przetwarza ale WYTWARZA energię mechaniczną wprost z PALIWA.