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Automobile ad aria compressa

Eolo, l'automobile che usa l'aria compressa per muoversi è un realtà possibile o una utopia? Dai calcoli che il dott Bardi fa in un suo articolo è una utopia. Mi permetto di rifare i calcoli.

Quello che segue sono i risultati dei calcoli eseguiti seguendo la logica, i dati e le supposizioni dell'articolo di Bardi.

Teoricamente con le bombole ad aria compressa in carbonio si possono raggiungere prestazioni notevoli, in un sito dei VVF si parla di 450 bar e di almeno 5000 cicli che sono almeno dieci anni a una ricarica la settimana della nostra Eolo.

Per la scarica o la carica della bombola a temperatura costante e per gas perfetti l'energia è:

Energia = P1V1 * Ln (V1/V2)  con V1/V2=P2/P1
(10^5 Pa = 1 bar , 1 m3 = 1000 litri , 1 wh = 3.6 * 10^3 j)

Rifacendo i conti del dott Bardi con i dati dei vigili del fuoco viene fuori prendendo come riferimento una loro bombola in carbonio:

V2 = 6.8 litri
P2 = 450 bar
P1 = 1 bar
V1 = 3060 litri
Peso bombole = 3.5 Kg
Peso aria = 3.95 Kg
Peso totale = 7.45 Kg

Energia = 519 wh
Energia specifica = 70 wh/Kg
Energia specifica = 76 wh/litro

70 Wh di energia per ogni singolo kg delle bombole riempite d'aria, se poi si sfrutta la pressione delle bombole fino ai 10 bar come nel motore della Eolo si dovrà ridurre la densità di energia di un 2.2%, che moltiplicati per l'efficienza del motore ad aria compressa (70%) danno una densità di energia pari a 48 Wh/kg.

Bardi faceva presente di avere letto che la pressione limite del motore fosse di 40 bar e non di 10 come da me ipotizzato.  Ma il conto varia di poco.

In conclusione per ogni singolo kg di bombole in carbonio si scarica a terra da parte della Eolo una energia pari a una cinquantina di Wh. Questo numero è vicino ai risultati che si ottengono con le auto elettriche con batterie al piombo.

Una batteria al litio (130 Wh/Kg) invece da in abbinamento al motore elettrico (90% efficienza) una densità di energia pari a circa 120 Wh/kg che è più del doppio di quella ottenibile con le batterie al piombo. Da uno scambio di email con il dott Bardi risulta che 450 bar sono pressioni esasperate e non omologate per gli autoveicoli.

Esiste il problema della scarica dell'aria compressa che se non è una trasformazione isotermica risulta poco efficiente. Bardi mi diceva di avere sentito in passato che il progetto eolo supponeva di risolvere il problema mediante riscaldamento della camera di espansione con degli idrocarburi (metano).

Attualmente sembra che con un sistema alternativo a più stadi di espansione, quindi più pistoni, si possa risolvere la difficoltà. In pratica si approssima l'isoterma con una politropica che dovrebbe essere una sequenza di adiabatiche e isobare in quanto ogni pistone esegue una decompressione parziale e viene poi portato a temperatura ambiente con uno scambiatore di calore.

Bardi è pessimista che si riesca a stare vicino a una isoterma con una politropica, quindi secondo lui un 70% di efficienza di un motore ad aria compressa è una ipotesi ottimistica. Se la decompressione è adiabatica si arriva a efficienze del 10% senza contare il rendimento delle parti meccaniche.

Sul sito della eolo si parla di usare bombole in carbonio da 300 bar che vengono definite sicure, si arriva in questo caso a densità di energia pari a:

Peso bombole = 3.5 Kg (*)
Peso aria = 2.63 Kg
Peso totale = 6.1 Kg
Energia = 323 wh
Energia specifica = 52 wh/Kg (*)
Energia specifica = 47 wh/litro
* non ho il peso delle bombole a 300 bar, uso quello a 450 bar

Anche questi numeri danno in concorrenza la Eolo con l'auto elettrica con batterie al piombo.

Credo poi che la ricarica di una bombola richieda un tempo breve o almeno possa essere breve se fatto da una stazione di servizio, sul sito della Eolo si parla di pochissimi minuti.

Si tenga presente che le densità di energia delle bombole o delle batterie sono all'incirca pari a:

Aria compressa (300 bar) 50 wh/Kg (*)
Batteria al piombo 50 wh/Kg
Batteria al litio 130 wh/Kg
Benzina 10000 wh/Kg
Fonte per le batterie: batteryuniversity
(*) il rendimento del motore della eolo (70%?) è inferiore a quello dei motori elettrici

A parte la possibilità di ricaricare le bombole molto velocemente rispetto alle batterie e a parte l'ecologicità dell'aria compressa rispetto a molte batterie, l'aria compressa non ha futuro nel campo automobilistico.

Bardi faceva notare come le bombole in carbonio sono molto costose e che farebbero lievitare il prezzo della Eolo di parecchio rispetto alle bombole in acciaio. Faceva anche notare come 300 bar fosse una ipotesi ottimistica da parte del team della Eolo e che più ragionevolmente si potrebbero utilizzare pressioni di 200-250 bar.

D'altro canto la Fiat ha presentato un prototipo di auto a Idrogeno compresso che usa bombole in carbonio alla pressione di 320 bar e prestazioni simili alle auto a benzina.

Comunque una bombola da sub in acciaio di 15 litri pesa circa 16 kg e contiene circa 4 kg di gas compresso a 200 bar. Sostituendo questi valori troviamo un’energia di 1.6 MJ, ovvero circa 440 Wh. Il rapporto energia/peso è circa 22 Wh/kg.

In un articolo si parla di Negré (l'ingegnere che ha brevettato la eolo) che si interessa di un generatore di elettricità ad aria compressa. Forse nel campo dei generatori l'aria compressa può essere una scelta economica in cui gli ingombri e i pesi delle bombole sono meno importanti.

Bardi si chiede come mai l'industria non abbia pensato di sfruttare un tale sistema se è veramente valido, la risposta si può trovare facendo pochi calcoli.

Ci vogliono grosso modo 80 Kwh scaricati a terra per fare muovere una macchina a benzina con un pieno (40 litri, densità 10 Kwh/litro, efficienza 20%).

In termini di peso per una Eolo (50 Wh/kg) servono all'incirca 1600 kg di bombole in carbonio e quindi molto costose per avere la stessa autonomia di una macchina a benzina ma a parte il peso eccessivo questo non è realizzabile in quanto:
Quindi non sono realizzabili Eolo con prestazioni pari a una panda per i suddetti problemi, d'altronde il mercato si sta orientando verso i SUV, sport utility wagon, i fuoristrada dai consumi da carrarmato.

La seconda domanda del dott Bardi era come mai le auto elettriche si ma le auto ad aria no? Secondo me le eolo sono ancora da sviluppare, il motore è da sviluppare, le bombole sono da sviluppare e tutto questo costa.

Sappiamo che le auto elettriche sono di nicchia e che non usano tecnologia nuova ma è tutto sperimentato, anche le batterie al litio non sono sviluppate dalle case automobilistiche ma provengono da industrie che hanno un mercato già avviato. Per la eolo si dovrebbe investire in un nuovo sviluppo e ci si ritroverebbe con una automobile di nicchia e con le prestazioni di una elettrica con batterie al piombo, non conviene alle case automobilistiche.

Ringrazio Federico che nei commenti mi ha fatto notare una correzione da fare.

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