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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Voitures à carburant alternatif. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Selon les experts, toutes les réserves de pétrole connues sur Terre ne dureront pas plus de cinquante ans. L'essence devient de plus en plus chère et aujourd'hui, ils n'essaient pas de la remplacer par quoi que ce soit. Et le gaz naturel liquéfié, et toutes sortes de gaz et liquides de synthèse, en particulier l'alcool, qui est extrait d'une variété de matières premières allant de la canne aux écorces d'orange. Presque tous ces carburants sont moins nocifs pour l'environnement que l'essence, mais les gaz d'échappement des voitures ne sont toujours pas inoffensifs. Sous certaines conditions, une voiture électrique pourrait résoudre fondamentalement le problème de la pollution de l'air par les véhicules à moteur. Pour ce faire, non seulement l'exploitation de sa source d'énergie, mais aussi la production de cette source et même l'élimination des déchets doivent devenir respectueuses de l'environnement. Jusqu'à présent, la batterie habituellement utilisée dans les véhicules électriques ne répondait pas à ces exigences. "Et pourtant", comme l'écrit K. Klimov dans la revue "Science et Vie", "ces dernières années, la voiture électrique a été beaucoup plus largement utilisée. Grâce aux développements des plus grands constructeurs automobiles du monde, les inconvénients de la batterie - poids, dimensions, besoin de recharges fréquentes - a quelque peu diminué. Récemment, par exemple, la société allemande BMW a présenté une nouvelle voiture électrique basée sur une batterie au sulfure de sodium qui, selon la société, ne prend que 96 secondes pour accélérer de l'arrêt à une vitesse de 20 kilomètres par heure, une vitesse maximale de 130 kilomètres par heure, et l'autonomie entre les recharges atteint les kilomètres 270. Mais une telle voiture électrique ne trouvera pas une utilisation massive dans les transports, car la température de fonctionnement de la batterie au sodium-soufre est d'environ 350 degrés Celsius. Cette température elle-même et la nécessité de la maintenir pendant le fonctionnement de la batterie à l'aide d'appareils de chauffage spéciaux la rendent explosive et dangereuse " . Il y a de plus en plus de voitures "électriques" sur les routes publiques chaque année, et les rapports sur les nouveaux développements dans ce domaine ne quittent pas les pages des magazines et des journaux. Jusqu'à récemment, le développement des véhicules électriques était contraint par les faibles paramètres des sources de courant. Pendant de nombreuses années, la batterie plomb-acide traditionnelle a servi à cette capacité. En plus d'autres défauts graves, il limitait le kilométrage de la voiture avant la recharge à environ 150 kilomètres. À la suite de la modernisation, la batterie a été allégée et l'acide sous forme liquide a été remplacé par un gel moins dangereux. Néanmoins, il n'est pas nécessaire d'attendre une percée dans ce sens, la densité de "l'emballage" énergétique et la puissance des batteries à acide ont presque atteint la limite théorique. Mais en remplaçant le plomb par du nickel, il a été possible de créer toute une gamme de nouvelles batteries - nickel-cadmium, nickel-hydrogène et nickel-zinc. Ils se comparent favorablement aux batteries au plomb. Ils se caractérisent par leur durabilité, leur insensibilité au gel, leur capacité à se recharger rapidement. Certes, elles sont plus chères et certains types de batteries doivent encore être rechargées périodiquement. Les systèmes nickel-métal hydrure sont aujourd'hui reconnus comme les plus prometteurs. Ce sont eux qui ont le maximum d'indicateurs spécifiques, et l'autodécharge est acceptable : cinquante pour cent de la capacité par mois. Six ans se sont écoulés depuis que ces batteries ont été utilisées pour la première fois dans l'industrie automobile. Pendant ce temps, des véhicules électriques expérimentaux ont parcouru des millions de kilomètres sur les routes, prouvant leur aptitude à fonctionner à des températures allant de moins vingt-cinq à plus cinquante degrés. Voici ce qu'écrit le magazine "Derrière le volant": "Les avantages évidents des systèmes nickel-hydrure métallique, tout d'abord, incluent le kilométrage presque doublé jusqu'à la prochaine recharge - jusqu'à 250 kilomètres par rapport à une batterie au plomb. Et dans 1996, un record est également enregistré : la voiture Solectria-Sunrise, mue uniquement par un moteur électrique alimenté par des batteries nickel-métal hydrure, parcourt plus de 600 kilomètres en une seule fois ! plus de 10 80 cycles de charge-décharge, ce qui équivaut à un kilométrage de 80000 160000 kilomètres. Tout cela sera raconté avec plaisir à l'acheteur, par exemple dans les salles d'exposition Toyota aux États-Unis et il proposera immédiatement de monter sur le nouveau véhicule tout-terrain RAV-4EV. Cachées sous son plancher se cachent 24 batteries nickel-hydrure métallique qui alimentent un moteur électrique d'une capacité de 67 ch. C'est suffisant pour une accélération assez fougueuse (0-100 km/h - 18 secondes), et la vitesse maximale devait être limitée à 125 km/h. Je l'ai aimé - "RAV-4EV" peut être acheté sur place pour 42000 106 $. Quelque chose ne va pas? Ne vous inquiétez pas - après tout, le choix de véhicules électriques de Toyota n'est pas limité. Il y a le Honda EV Plus, le Ford Ranger EV et le Nissan Altima EV - la liste est longue. Les Européens ont aimé les Peugeot-XNUMX Electric et Citroen-AX Electric, et la micromobile Bombardier NV est appelée à impressionner les jeunes à la mode, pour lesquels ils demandent presque moins que certains VAZ.
Les véhicules électriques, entre autres, ont donné naissance à une nouvelle direction extrêmement prometteuse - les voitures dites hybrides. Un schéma hybride est une combinaison d'un moteur fonctionnant au carburant habituel (essence ou gaz, mais le plus souvent au gazole) et d'un moteur électrique. Un représentant typique de ce groupe particulier, la Toyota Prius, est l'un des exemples les plus réussis sur le plan commercial. L'an dernier, plus de dix mille acheteurs ont préféré ce modèle, et cela, voyez-vous, veut déjà dire quelque chose. Aux États-Unis, afin de stimuler l'industrie automobile à rechercher activement de nouvelles solutions, une loi a été adoptée obligeant chaque entreprise à avoir au moins un modèle de véhicule électrique dans son programme d'ici 2003. Sinon - une interdiction de commerce. Parmi les principaux prétendants au titre de "principal concurrent des moteurs à combustion interne" figurent aujourd'hui les voitures à pile à combustible. La pile à combustible a vu le jour pour la première fois en 1839, lorsque le physicien anglais William Grove a produit de l'électricité à partir de la réaction électrochimique de l'hydrogène avec l'oxygène. Le sujet a commencé à être développé de manière intensive dans les années 1960 et 1970, lorsque les moteurs à pile à combustible ont été utilisés pour la première fois dans l'industrie spatiale. Comment s'effectue habituellement la conversion de l'énergie chimique du combustible en énergie électrique dans les centrales thermiques ? Tout d'abord, l'énergie thermique dégagée lors de la combustion est convertie en énergie cinétique de la vapeur. Ensuite, l'énergie de la vapeur sur le rotor de la turbine est convertie en énergie de rotation mécanique. Et, enfin, dans les enroulements du générateur, l'énergie mécanique devient électrique. Les pertes sont inévitables à chaque étape. Dans une pile à combustible, l'énergie chimique du combustible est immédiatement transformée en énergie électrique. Une pile à combustible, ou générateur électrochimique, est un dispositif technique où se produit la réaction d'oxydation du combustible, au cours de laquelle de l'électricité est générée. L'hydrogène, l'alcool, l'ammoniac et les hydrocarbures (gaz naturel, pétrole) peuvent servir de carburant, et l'oxygène, l'acide nitrique, etc., peuvent servir d'agent oxydant (la combustion est une réaction d'oxydation). La conception de la pile à combustible est simple. Il s'agit d'un récipient avec un électrolyte (une solution aqueuse d'un acide ou d'un alcali), deux électrodes poreuses (une anode et une cathode, comme dans une batterie) et des tubes pour fournir du carburant (à l'anode) et du comburant (à la cathode) . À l'anode, les molécules d'hydrogène se décomposent en atomes, qui perdent leurs électrons, deviennent des ions positifs et pénètrent dans l'électrolyte. L'anode qui a perdu des ions acquiert une charge négative par rapport à l'autre électrode, et les électrons libres se dirigent vers celle-ci le long du circuit extérieur. Là, ils se combinent avec des atomes d'oxygène - des ions négatifs se forment. Ces derniers traversent l'électrolyte et se combinent avec des ions hydrogène positifs. Cela crée un circuit fermé dans lequel circule un courant électrique et la pile à combustible devient un générateur électrique. En plus de l'électricité, il produit également un sous-produit - l'eau distillée. Une seule pile à combustible produit une tension d'environ 1,5 V. Pour obtenir une tension plus élevée, les piles sont connectées en série les unes aux autres pour former des batteries.
Le temps de fonctionnement continu de la batterie dépend des réserves de combustible, de comburant et de l'usure (oxydation) des matériaux d'électrodes et est de 1000 heures dans les installations existantes. Par conséquent, ils ne sont désormais utilisés que pour l'alimentation électrique de consommateurs autonomes, tels que des véhicules hauturiers ou des stations spatiales proches de la Terre. Aujourd'hui, les piles à combustible hydrogène-oxygène sont les plus couramment utilisées. Cependant, les piles à combustible air-aluminium sont beaucoup plus efficaces, dans lesquelles une plaque poreuse en graphite de carbone avec de l'oxygène de l'air qui y pénètre sert de cathode et une plaque en alliage d'aluminium d'anode. L'oxydation se déroule avec une efficacité de quatre-vingts pour cent, et un kilogramme d'aluminium "brûlé" à température ambiante est capable de fournir environ autant d'énergie au circuit externe qu'un kilogramme de charbon en donne lorsqu'il est brûlé dans l'air à très haute température. «De telles sources d'électricité présentent de nombreux avantages: simplicité de conception, sécurité de fonctionnement totale et bonnes caractéristiques énergétiques spécifiques», écrit K. Klimov dans son article de la revue «Science and Life».Matériel, qui est principalement déterminé par l'énergie intensité du processus de production.Cet inconvénient devrait cependant diminuer avec le temps, et grâce aux derniers développements de l'Institut de métallurgie A.A. Baikov de l'Académie des sciences de Russie, il sera très probablement complètement éliminé, et, de plus, dans le futur très proche. Les spécialistes de l'Institut ont mis au point une nouvelle méthode très efficace de réactions chimiques dites multicomposants. Dans un milieu spécialement sélectionné, qui a à la fois une conductivité ionique et électronique, des réactions électrochimiques multiples et uniformément réparties sur les microélectrodes (comme on les appelle) se produisent à une certaine température. Grâce à eux, de nombreux éléments connus peuvent être obtenus sous forme pure, y compris les métaux, et en particulier l'aluminium. Cela se fait déjà aujourd'hui, mais jusqu'à présent dans des conditions de laboratoire, et de l'argile de sol ordinaire ou toute matière première de minerai contenant de l'alumine est utilisée comme matière première. L'oxyde d'aluminium (le composant principal de l'alumine) est converti avec du chlorure de calcium en chlorure d'aluminium et envoyé au réacteur. Des vapeurs de sodium métallique, qu'on obtient en chauffant de la soude avec du charbon, y pénètrent aussi. Ainsi, une solution de sodium mélangée à de l'aluminium fondu est formée dans le réacteur et des conditions sont créées pour l'apparition simultanée de plusieurs réactions redox. À la suite de ces réactions, de l'aluminium liquide est obtenu. Certaines de ces réactions s'accompagnent d'un dégagement de chaleur, ce qui, bien sûr, réduit l'intensité énergétique du processus de production. La production elle-même s'avère à la fois plus simple et moins chère que l'électrolyse traditionnelle, et aussi beaucoup plus respectueuse de l'environnement. Si l'industrie parvient à maîtriser la nouvelle technologie de production d'aluminium, celle-ci et ses alliages deviendront beaucoup moins chers. Cela résoudra deux problèmes à la fois. Premièrement, cela accélérera la solution du problème du carburant automobile. Deuxièmement, la carrosserie de la voiture peut être fabriquée à partir d'un matériau léger et non corrosif, ce qui entraînera une réduction significative de son poids. Et réduire le poids de la voiture réduira la consommation d'énergie lors de la conduite. Des piles à combustible air-aluminium sont déjà produites dans de nombreux pays, dont la Russie. Mais les Japonais s'y sont particulièrement intéressés. Ils en produisent des dizaines de millions par an. Les Japonais ne cachent pas leurs intentions de lancer prochainement la production de véhicules électriques sur aluminium. Mercedes-Benz (aujourd'hui Daimler-Chrysler) est considérée comme l'une des pionnières dans l'introduction de cette technologie dans l'industrie automobile. En 1994, sur la base de la camionnette, elle a construit un prototype de voiture à pile à combustible "Neckar-1". Deux ans plus tard, une voiture de tourisme de classe V était équipée d'une centrale électrique similaire. Une nouvelle étape a été la première de Nekar-3, qui utilise du méthanol comme carburant. Comme l'écrit le magazine "Derrière le volant": "Une caractéristique distinctive de ce modèle est l'absence de batteries pour stocker l'énergie. Le processus dans le système se produit directement - lorsque vous appuyez sur la pédale d'accélérateur, environ quatre-vingt-dix pour cent de la puissance maximale est disponible en moins de deux secondes.En conséquence, une dynamique d'accélération décente de la voiture , tout à fait comparable aux modèles diesel ou essence conventionnels.En ce qui concerne le carburant, l'utilisation de méthanol ne nécessite aucune mesure de sécurité particulière, et le processus de ravitaillement en carburant d'une voiture n'est pas très différent du remplissage d'un réservoir d'essence.Au fait, le réservoir de carburant Neckar-3 contient 38 litres de carburant, sur lesquels la voiture est capable de parcourir 400 kilomètres.Ceci, semble-t-il, est déjà un bon résultat battu " Neckar-4" - le prochain et certainement pas le dernier prototype sur le chemin de la production de masse. Outre l'entreprise Daimler-Chrysler, la recherche et le développement de véhicules à pile à combustible sont menés par de nombreuses entreprises - Ford et Volvo, Nissan et Renault, Mazda ... Et bien qu'il reste encore beaucoup de problèmes à résoudre sur le Selon les prévisions de Daimler-Chrysler, cette seule entreprise sera en mesure de produire de 40 100 à 4 5 véhicules à pile à combustible dans les XNUMX à XNUMX prochaines années grâce à la production en série de tels véhicules. Guy Negre, le concepteur de la "Formule 1", a fondé la société MDI, où il a commencé à créer un nouveau moteur - un moteur hybride. Dans celui-ci, en particulier, l'air peut agir comme carburant ! Le nègre a décidé d'abandonner le schéma classique, où toutes les actions se déroulent dans un seul cylindre. Il en utilise deux : l'un d'un volume de 270 et l'autre de 755 centimètres cubes. Les cylindres sont reliés par des soupapes à chambre sphérique de 20 centimètres cubes. Lorsque le moteur tourne à l'essence, le petit cylindre aspire et comprime le mélange combustible, qui est ensuite poussé dans la chambre de combustion. Là, il est enflammé par une décharge d'étincelle et brûle à volume constant (les deux vannes de la chambre sont fermées). Ensuite, la vanne menant au cylindre de détente (grand) s'ouvre. Un tel schéma présente de nombreux avantages. La phase de combustion est séparée de l'expansion et est beaucoup plus longue que dans un moteur conventionnel, de sorte que le nouveau moteur peut fonctionner avec des mélanges extrêmement pauvres et à combustion lente, il n'a pas besoin de silencieux et la toxicité des gaz d'échappement est comparable à l'air ordinaire de la ville. Lorsque vous travaillez sur de l'air comprimé, les processus dans le moteur ne changent pratiquement pas. Il semblait que l'objectif était atteint, mais Guy Negro s'est mis au travail sur un nouveau moteur et une nouvelle voiture. Il l'a appelé TOP - "taxi zéro pollution". Ce nom reflète le concept : cette voiture ne sera pas alimentée à l'essence, uniquement à l'air comprimé. "Même dans le projet, la voiture a suscité un grand intérêt non seulement parmi les spécialistes", rapporte le magazine Za Rulem, "mais aussi parmi les dirigeants. Ainsi, au Mexique, la commission parlementaire des transports s'est intéressée aux développements des ingénieurs français, et après la visite des Mexicains, Brignole a signé un contrat pour le remplacement progressif des 1997 87 taxis de Mexico, la capitale la plus polluée du monde, par des voitures avec une "expiration" propre. Les modèles TOP seront assemblés sur place - le Français construira une usine clé en main à l'étranger. Nous prévoyons des objections : disent-ils, pour pomper de l'air dans des cylindres, il faut de l'énergie, et les centrales électriques sont aussi des sources de pollution. Les auteurs du projet ont calculé l'efficacité finale dans la chaîne "raffinerie - voiture" pour une voiture à essence, électrique et "air": 9,4, 13,2 et 20%, respectivement - "air" est en tête avec une marge notable. Le nouveau moteur a largement répété l'hybride déjà rodé. Cependant, maintenant, les pistons sont devenus plus "suspendus" dans les points morts (80% du temps) grâce à des embrayages à glissement spéciaux sur le vilebrequin. Ce n'est pas de l'air extérieur qui est aspiré dans le cylindre, mais une partie de l'échappement. Il n'y a pas de systèmes d'allumage, d'injection de carburant, de réservoir d'essence. Mais sous le fond, quatre réservoirs d'air comprimé en carbone (presque en apesanteur !) de 50 litres sont soigneusement situés. Sa réserve (200 litres à 200 atm.) suffit pour 500 kilomètres à une vitesse de 40 kilomètres par heure ou 100 kilomètres à 90 kilomètres par heure. Pendant le freinage, l'énergie est récupérée - le compresseur haute pression pompe l'air extérieur dans les cylindres. Il y a deux façons de "faire le plein" d'une voiture. Depuis une conduite d'air à haute pression - 2-3 minutes (aux prix occidentaux pour seulement un dollar et demi) ou depuis le réseau : le même compresseur gonflera les cylindres en 4 heures - plus rapidement que la recharge d'une voiture électrique. En parlant de véhicules électriques, on ne peut que mentionner Tesla Motors. Il s'agit d'une société automobile américaine de la Silicon Valley axée sur la production de véhicules électriques. Nommé d'après le célèbre ingénieur électricien et physicien Nikola Tesla. La première voiture de l'entreprise était la voiture de sport Tesla Roadster. Sa présentation officielle a eu lieu le 19 juillet 2006 à Santa Monica, en Californie.
Tesla est engagée non seulement dans la production de voitures, mais également dans la construction du réseau Supercharger - des stations de recharge de véhicules électriques. Auteur : Musskiy S.A.
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