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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Autos mit alternativem Kraftstoff. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Experten zufolge werden alle bekannten Ölreserven der Erde nicht länger als fünfzig Jahre reichen. Benzin wird teurer, und heute versuchen sie nicht, es durch irgendetwas zu ersetzen. Und verflüssigtes Erdgas und alle Arten von synthetisierten Gasen und Flüssigkeiten, insbesondere Alkohol, der aus einer Vielzahl von Rohstoffen vom Zuckerrohr bis zur Orangenschale getrieben wird. Fast alle diese Kraftstoffe sind weniger umweltschädlich als Benzin, aber Autoabgase werden trotzdem nicht unschädlich gemacht. Unter bestimmten Voraussetzungen könnte ein Elektroauto das Problem der Luftverschmutzung durch Kraftfahrzeuge grundsätzlich lösen. Dazu soll nicht nur der Betrieb seiner Energiequelle, sondern auch die Produktion dieser Quelle und sogar die Abfallentsorgung umweltfreundlich werden. Die bisher üblicherweise in Elektrofahrzeugen eingesetzte Batterie erfüllt diese Anforderungen nicht. „Und doch“, wie K. Klimov in der Zeitschrift „Science and Life“ schreibt, „wurde das Elektroauto in den letzten Jahren viel breiter eingesetzt.“ Dank der Entwicklungen der größten Automobilkonzerne der Welt wurden die Nachteile überwunden die Batterie - Gewicht, Abmessungen, Notwendigkeit des häufigen Aufladens - ist etwas zurückgegangen.Vor kurzem hat beispielsweise die deutsche Firma BMW ein neues Elektroauto auf Basis einer Natriumsulfidbatterie demonstriert, das nach Angaben des Unternehmens nur 96 Sekunden dauert Beschleunigung aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 20 Kilometern pro Stunde, eine Höchstgeschwindigkeit von 130 Kilometern pro Stunde, und die Reichweite zwischen dem Aufladen erreicht 270 Kilometer.Aber ein solches Elektroauto wird keinen Masseneinsatz im Transportwesen finden, da die Betriebstemperatur von Die Natrium-Schwefel-Batterie hat etwa 350 Grad Celsius. Sowohl diese Temperatur selbst als auch die Notwendigkeit, sie während des Batteriebetriebs mit Hilfe spezieller Heizungen aufrechtzuerhalten, machen sie explosiv und brandgefährlich. Jedes Jahr gibt es mehr „elektrische“ Autos auf öffentlichen Straßen, und Berichte über neue Entwicklungen in diesem Bereich verlassen die Seiten von Zeitschriften und Zeitungen nicht. Bis vor kurzem wurde die Entwicklung von Elektrofahrzeugen durch die niedrigen Parameter von Stromquellen eingeschränkt. Viele Jahre lang diente die traditionelle Blei-Säure-Batterie in dieser Funktion. Neben anderen schwerwiegenden Mängeln begrenzte es die Laufleistung des Autos vor dem Aufladen auf etwa 150 Kilometer. Infolge der Modernisierung wurde die Batterie leichter und die Säure in flüssiger Form durch ein weniger gefährliches Gel ersetzt. Und doch muss man nicht auf einen Durchbruch in dieser Richtung warten, die Energie-"Packungsdichte" und die Leistung von Säurebatterien haben fast die theoretische Grenze erreicht. Durch den Ersatz von Blei durch Nickel konnte eine ganze Reihe neuer Batterien hergestellt werden - Nickel-Cadmium, Nickel-Wasserstoff und Nickel-Zink. Sie schneiden im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien gut ab. Sie zeichnen sich durch Langlebigkeit, Frostunempfindlichkeit, schnelle Wiederaufladbarkeit aus. Sie sind zwar teurer, und einige Batterietypen müssen immer noch regelmäßig nachgefüllt werden. Nickel-Metallhydrid-Systeme gelten heute als die vielversprechendsten. Sie haben die maximalen spezifischen Indikatoren, und die Selbstentladung ist akzeptabel: fünfzig Prozent der Kapazität pro Monat. Seit dem ersten Einsatz dieser Batterien in der Automobilindustrie sind sechs Jahre vergangen. In dieser Zeit haben experimentelle Elektrofahrzeuge Millionen von Kilometern auf den Straßen zurückgelegt und ihre Eignung für den Betrieb bei Temperaturen von minus fünfundzwanzig bis plus fünfzig Grad bewiesen. Dazu schreibt das Magazin „Hinter dem Lenkrad“: „Zu den offensichtlichen Vorteilen von Nickel-Metallhydrid-Systemen gehört zunächst einmal die nahezu verdoppelte Laufleistung bis zum nächsten Aufladen – bis zu 250 Kilometer im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie 1996 wurde auch ein Rekord aufgestellt: Das Auto Solectria-Sunrise, das nur von einem Elektromotor angetrieben wurde, der von Nickel-Metallhydrid-Batterien angetrieben wurde, legte über 600 Kilometer am Stück zurück!Bei Tests wurde festgestellt, dass Nickel-Metallhydrid-Systeme standhalten können mehr als 10 Lade-Entladezyklen, was einer Laufleistung von 80 Kilometern entspricht. All dies wird dem Käufer zum Beispiel in Toyota-Showrooms in den USA gerne mitgeteilt und er bietet sofort an, mit dem neuen Geländewagen RAV-4EV zu fahren. Unter seinem Boden verbergen sich 24 Nickel-Metallhydrid-Batterien, die einen Elektromotor mit einer Leistung von 67 PS speisen. Dies reicht für eine ziemlich muntere Beschleunigung (0-100 km / h - 18 Sekunden), und die Höchstgeschwindigkeit musste auf 125 km / h begrenzt werden. Ich mochte es - "RAV-4EV" kann direkt dort für 42000 $ gekauft werden. Etwas passt nicht? Nicht ärgern – schließlich ist die Auswahl an Elektrofahrzeugen von Toyota nicht begrenzt. Es gibt den Honda EV Plus, den Ford Ranger EV und den Nissan Altima EV – die Liste geht weiter. Die Europäer mochten den Peugeot-106 Electric und den Citroen-AX Electric, und das Mikromobil Bombardier NV soll die modische Jugend beeindrucken, für die sie fast weniger verlangen als für einige VAZs.
Elektrofahrzeuge haben unter anderem eine neue, äußerst vielversprechende Richtung ins Leben gerufen - die sogenannten Hybridautos. Ein Hybridsystem ist eine Kombination aus einem Motor, der mit dem üblichen Kraftstoff (Benzin oder Gas, aber häufiger mit Dieselkraftstoff) betrieben wird, und einem Elektromotor. Ein typischer Vertreter dieser besonderen Gruppe, der Toyota Prius, ist eines der kommerziell erfolgreichsten Beispiele. Letztes Jahr haben mehr als zehntausend Käufer dieses Modell bevorzugt, und das bedeutet schon etwas. Um die Autoindustrie anzuregen, aktiv nach neuen Lösungen zu suchen, wurde in den USA ein Gesetz verabschiedet, das jedes Unternehmen verpflichtet, bis 2003 mindestens ein Modell eines Elektroautos im Programm zu haben. Andernfalls - ein Handelsverbot. Zu den Hauptkandidaten für den Titel „Hauptkonkurrent von Verbrennungsmotoren“ gehören heute Autos mit Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelle erblickte erstmals 1839 das Licht der Welt, als der englische Physiker William Grove aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Strom erzeugte. Die intensive Bearbeitung des Themas begann in den 1960er und 1970er Jahren, als erstmals Brennstoffzellenantriebe in der Raumfahrt eingesetzt wurden. Wie erfolgt in thermischen Kraftwerken üblicherweise die Umwandlung von chemischer Brennstoffenergie in elektrische Energie? Zunächst wird die bei der Verbrennung freigesetzte thermische Energie in die kinetische Energie des Dampfes umgewandelt. Dann wird die Dampfenergie am Turbinenrotor in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Und schließlich wird in den Wicklungen des Generators mechanische Energie zu elektrischer. Verluste sind in jeder Phase unvermeidlich. In einer Brennstoffzelle wird die chemische Energie des Brennstoffs unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt. Eine Brennstoffzelle oder ein elektrochemischer Generator ist ein technisches Gerät, in dem die Oxidationsreaktion des Brennstoffs stattfindet, während der Strom erzeugt wird. Der Brennstoff kann Wasserstoff, Alkohol, Ammoniak und Kohlenwasserstoffe (Erdgas, Öl) sein, und das Oxidationsmittel (Verbrennung ist eine Oxidationsreaktion) ist Sauerstoff, Salpetersäure usw. Der Aufbau der Brennstoffzelle ist einfach. Dies ist ein Gefäß mit einem Elektrolyten (einer wässrigen Lösung einer Säure oder Lauge), zwei porösen Elektroden (einer Anode und einer Kathode, wie in einer Batterie) und Rohren zum Zuführen von Brennstoff (zur Anode) und Oxidationsmittel (zur Kathode). . An der Anode zerfallen Wasserstoffmoleküle in Atome, die ihre Elektronen verlieren, zu positiven Ionen werden und in den Elektrolyten gelangen. Die Anode, die Ionen verloren hat, erhält eine negative Ladung in Bezug auf die andere Elektrode, und freie Elektronen bewegen sich entlang des äußeren Stromkreises zu letzterer. Dort verbinden sie sich mit Sauerstoffatomen – es entstehen negative Ionen. Letztere passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit positiven Wasserstoffionen. Dadurch entsteht ein geschlossener Stromkreis, durch den ein elektrischer Strom fließt, und die Brennstoffzelle wird zum elektrischen Generator. Neben Strom entsteht auch ein Nebenprodukt – destilliertes Wasser. Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von etwa 1,5 V. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden die Zellen zu Batterien in Reihe geschaltet.
Die Dauerbetriebszeit der Batterie hängt von den Reserven an Brennstoff, Oxidator und Verschleiß (Oxidation) der Elektrodenmaterialien ab und beträgt in bestehenden Anlagen 1000 Stunden. Daher dienen sie heute nur noch der Stromversorgung autarker Verbraucher, etwa von Tiefseefahrzeugen oder erdnahen Raumstationen. Heute werden am häufigsten Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen verwendet. Luft-Aluminium-Brennstoffzellen sind jedoch viel effizienter, bei denen die Kathode eine poröse Kohlenstoff-Graphit-Platte ist, in die Luftsauerstoff eintritt, und die Anode eine Aluminiumlegierungsplatte ist. Die Oxidation läuft mit einem Wirkungsgrad von XNUMX Prozent ab, und ein bei Raumtemperatur „ausgebranntes“ Kilogramm Aluminium kann etwa so viel Energie an den externen Kreislauf abgeben, wie ein Kilogramm Kohle, wenn es bei sehr hoher Temperatur an der Luft verbrannt wird. „Solche Stromquellen haben viele Vorteile: einfache Konstruktion, vollständige Betriebssicherheit und gute spezifische Energieeigenschaften“, schreibt K. Klimov in seinem Artikel in der Zeitschrift „Science and Life“. Material, das hauptsächlich von der Energie bestimmt wird Intensität des Produktionsprozesses. Dieser Nachteil sollte jedoch im Laufe der Zeit abnehmen und dank der neuesten Entwicklungen des A.A. Baikov-Instituts für Metallurgie der Russischen Akademie der Wissenschaften möglicherweise vollständig beseitigt werden, und zwar in aller Kürze nahe Zukunft. Spezialisten des Instituts haben eine neue und hochwirksame Methode der sogenannten chemischen Mehrkomponentenreaktionen entwickelt. In einem speziell ausgewählten Medium, das sowohl Ionen- als auch Elektronenleitfähigkeit besitzt, finden bei einer bestimmten Temperatur mehrere und gleichmäßig verteilte elektrochemische Mikroelektroden-Reaktionen (wie sie genannt werden) statt. Mit ihrer Hilfe lassen sich viele der bekannten Elemente in reiner Form gewinnen, darunter auch Metalle und insbesondere Aluminium. Dies wird bereits heute durchgeführt, jedoch bisher unter Laborbedingungen, und als Rohmaterial wird gewöhnlicher Erdton oder ein beliebiges Erzrohmaterial verwendet, das Tonerde enthält. Aluminiumoxid (der Hauptbestandteil von Aluminiumoxid) wird mit Calciumchlorid zu Aluminiumchlorid umgewandelt und dem Reaktor zugeführt. Dort treten auch Dämpfe von metallischem Natrium ein, das durch Erhitzen von Soda mit Kohle gewonnen wird. Dadurch entsteht im Reaktor eine mit Aluminiumschmelze vermischte Natriumlösung und es werden Bedingungen für das gleichzeitige Auftreten mehrerer Redoxreaktionen geschaffen. Als Ergebnis dieser Reaktionen wird flüssiges Aluminium erhalten. Einige dieser Reaktionen gehen mit der Freisetzung von Wärme einher, was natürlich die Energieintensität des Produktionsprozesses verringert. Die Produktion selbst erweist sich als einfacher und billiger als die herkömmliche Elektrolyse und auch viel umweltfreundlicher.“ Wenn es der Industrie gelingt, die neue Technologie zur Herstellung von Aluminium zu beherrschen, werden sowohl Aluminium als auch seine Legierungen viel billiger. Damit werden gleich zwei Probleme gelöst. Erstens wird es die Lösung des Problems des Autokraftstoffs beschleunigen. Zweitens kann die Karosserie aus einem leichten und korrosionsbeständigen Material hergestellt werden, was zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung führt. Und durch die Reduzierung des Gewichts des Autos wird der Energieverbrauch beim Fahren gesenkt. Luft-Aluminium-Brennstoffzellen werden bereits in vielen Ländern produziert, darunter auch in Russland. Aber die Japaner zeigten besonderes Interesse an ihnen. Sie produzieren sie in zweistelliger Millionenhöhe pro Jahr. Die Japaner verhehlen nicht ihre Absicht, in naher Zukunft die Produktion von Elektrofahrzeugen auf Aluminiumbasis zu starten. Mercedes-Benz (heute Daimler-Chrysler) gilt als einer der Pioniere bei der Einführung dieser Technologie in die Automobilindustrie. 1994 baute sie auf Basis des Transporters einen Prototypenwagen mit Brennstoffzellen „Neckar-1“. Zwei Jahre später wurde ein Personenwagen der V-Klasse mit einem ähnlichen Triebwerk ausgestattet. Ein neuer Schritt war die Premiere von Nekar-3, das Methanol als Treibstoff verwendet. Wie das Magazin „Hinter dem Lenkrad“ schreibt: „Eine Besonderheit dieses Modells ist der Verzicht auf Batterien zur Energiespeicherung.“ Der Vorgang im System erfolgt direkt – beim Betätigen des Gaspedals stehen etwa neunzig Prozent der maximalen Leistung zur Verfügung in weniger als zwei Sekunden.Als Ergebnis eine anständige Beschleunigungsdynamik des Autos, durchaus vergleichbar mit herkömmlichen Diesel- oder Benzinmodellen.Was den Kraftstoff betrifft, erfordert die Verwendung von Methanol keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen, und der Vorgang des Betankens eines Autos unterscheidet sich nicht wesentlich vom Befüllen eines Tanks mit Benzin. Übrigens fasst der Neckar-3-Kraftstofftank 38 Liter Kraftstoff, mit denen das Auto 400 Kilometer zurücklegen kann. Dies scheint bereits ein gutes Ergebnis zu sein der Neckar-4 - der nächste und sicherlich nicht der letzte Prototyp auf dem Weg zur Serienreife. Neben dem Daimler-Chrysler-Konzern werden Forschung und Entwicklung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen von vielen Unternehmen durchgeführt - Ford und Volvo, Nissan und Renault, Mazda ... Und obwohl noch viele Probleme zu lösen sind Weg Nach Prognosen von Daimler-Chrysler wird allein dieses Unternehmen durch die Serienproduktion solcher Fahrzeuge die Produktion von 40 bis 100 Brennstoffzellenfahrzeugen in den nächsten 4-5 Jahren starten können. Guy Negre, der Designer der "Formel 1", gründete die Firma MDI, wo er begann, einen neuen Motor zu entwickeln - einen Hybridmotor. Darin kann insbesondere Luft als Brennstoff wirken! Der Neger beschloss, das klassische Schema aufzugeben, bei dem alle Aktionen in einem Zylinder stattfinden. Er verwendet zwei: einen mit einem Volumen von 270 und einen mit 755 Kubikzentimetern. Die Zylinder sind durch Ventile mit einer Kugelkammer von 20 Kubikzentimetern verbunden. Wenn der Motor mit Benzin läuft, saugt und komprimiert der kleine Zylinder das brennbare Gemisch, das dann in die Brennkammer gedrückt wird. Dort wird es durch eine Funkenentladung gezündet und brennt bei konstantem Volumen aus (beide Ventile der Kammer sind geschlossen). Dann öffnet das Ventil zum Expansionszylinder (groß). Ein solches Schema hat eine Reihe von Vorteilen. Die Verbrennungsphase ist von der Expansion getrennt und viel länger als bei einem herkömmlichen Motor, sodass der neue Motor mit extrem mageren, langsam brennenden Gemischen betrieben werden kann, keinen Schalldämpfer benötigt und die Abgastoxizität mit gewöhnlicher Stadtluft vergleichbar ist. Beim Arbeiten mit Druckluft ändern sich die Vorgänge im Motor praktisch nicht. Das Ziel schien erreicht, aber Guy Negro machte sich an die Arbeit an einem neuen Motor und einem neuen Auto. Er nannte es TOP – „Taxi ohne Schadstoffausstoß“. Dieser Name spiegelt das Konzept wider: Dieses Auto wird nicht mit Benzin, sondern nur mit Druckluft betankt. „Schon bei dem Projekt stieß das Auto auf großes Interesse nicht nur bei Fachleuten“, berichtet die Zeitschrift Za Rulem, „sondern auch bei den Machthabern.“ So interessierte sich in Mexiko die parlamentarische Verkehrskommission für die Entwicklungen französischer Ingenieure, und nach dem Besuch der Mexikaner unterzeichnete Brignole einen Vertrag über den schrittweisen Ersatz aller 1997 Taxis in Mexiko-Stadt, der am stärksten verschmutzten Hauptstadt der Welt, durch Autos mit sauberem „Ausatmen“. Die TOP-Modelle werden vor Ort montiert – die Franzosen wird im Ausland eine schlüsselfertige Anlage errichten. Wir sehen Einwände voraus: Sie sagen, um Luft in Zylinder zu pumpen, wird Energie benötigt, und Kraftwerke sind auch Quellen der Umweltverschmutzung. Die Autoren des Projekts haben den Endwirkungsgrad in der Kette "Raffinerie - Auto" für ein Benzin-, Elektro- und "Luft" -Auto berechnet: 9,4, 13,2 bzw. 20 Prozent - "Luft" führt mit deutlichem Vorsprung. Der neue Motor wiederholte weitgehend den bereits eingefahrenen Hybrid. Durch spezielle Rutschkupplungen auf der Kurbelwelle „hängen“ die Kolben jetzt aber länger im Totpunkt (80 Prozent der Zeit). Es wird keine Außenluft in den Zylinder gesaugt, sondern ein Teil des Abgases. Es gibt keine Zündsysteme, Kraftstoffeinspritzung, Gastank. Aber unter dem Boden sind vier Carbon (fast schwerelos!) 50-Liter-Druckluftbehälter ordentlich untergebracht. Seine Reserve (200 Liter bei 200 atm) reicht für 500 Kilometer bei einer Geschwindigkeit von 40 Stundenkilometern oder 100 Kilometer bei 90 Stundenkilometern. Beim Bremsen wird Energie zurückgewonnen – der Hochdruckkompressor pumpt Außenluft zurück in die Zylinder. Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Auto zu „betanken“. Von einer Hochdruckluftleitung - 2-3 Minuten (zu westlichen Preisen für nur eineinhalb Dollar) oder vom Stromnetz: Derselbe Kompressor bläst die Zylinder in 4 Stunden auf - schneller als das Aufladen eines Elektroautos. Wenn es um Elektroautos geht, kommt man nicht umhin, Tesla Motors zu erwähnen. Dabei handelt es sich um ein amerikanisches Automobilunternehmen aus dem Silicon Valley, das sich auf die Produktion von Elektrofahrzeugen konzentriert. Benannt nach dem weltberühmten Elektroingenieur und Physiker Nikola Tesla. Das erste Auto des Unternehmens war der Sportwagen Tesla Roadster. Die offizielle Präsentation fand am 19. Juli 2006 in Santa Monica, Kalifornien, statt.
Das Unternehmen Tesla beschäftigt sich nicht nur mit der Produktion von Autos, sondern auch mit dem Aufbau eines Netzwerks von „Superchargern“ – Stationen zum Laden von Elektrofahrzeugen. Autor: Musskiy S.A.
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