Vehículos de nitrógeno líquido

Un vehículo de nitrógeno líquido funciona con nitrógeno líquido, que se almacena en un tanque. Los diseños de motores de nitrógeno tradicionales funcionan calentando el nitrógeno líquido en un intercambiador de calor, extrayendo calor del aire ambiente y utilizando el gas presurizado resultante para operar un pistón o un motor rotativo. Los vehículos propulsados ​​por nitrógeno líquido han sido demostrados, pero no se utilizan comercialmente. Uno de tales vehículos, Liquid Air se demostró en 1902.

La propulsión de nitrógeno líquido también puede incorporarse en sistemas híbridos, por ejemplo, propulsión eléctrica de batería y tanques de combustible para recargar las baterías. Este tipo de sistema se denomina propulsión híbrida de nitrógeno líquido-eléctrico. Además, el frenado regenerativo también se puede utilizar junto con este sistema.

En junio de 2016 comenzarán las pruebas en Londres, Reino Unido, en la flota de vehículos de reparto de alimentos del supermercado J. Sainsbury: utilizando un motor de nitrógeno Dearman para proporcionar energía para el enfriamiento de la carga de alimentos cuando el vehículo está parado y el motor principal está apagado. En la actualidad, los camiones de entrega tienen en su mayoría 2 motores diesel más pequeños para alimentar la refrigeración cuando el motor principal está apagado.

Descripción
El nitrógeno líquido es generado por los enfriadores de motores Stirling criogénicos o invertidos que licuan el componente principal del aire, el nitrógeno (N2). El enfriador puede ser alimentado por electricidad o por trabajo mecánico directo de hidro o aerogeneradores. El nitrógeno líquido se distribuye y almacena en contenedores aislados. El aislamiento reduce el flujo de calor en el nitrógeno almacenado; esto es necesario porque el calor del ambiente circundante hierve el líquido, que luego pasa a un estado gaseoso. La reducción del calor de entrada reduce la pérdida de nitrógeno líquido en el almacenamiento. Los requisitos de almacenamiento impiden el uso de tuberías como medio de transporte. Dado que las tuberías de larga distancia serían costosas debido a los requisitos de aislamiento, sería costoso utilizar fuentes de energía distantes para la producción de nitrógeno líquido. Las reservas de petróleo suelen estar a una gran distancia del consumo, pero pueden transferirse a temperaturas ambiente.

El consumo de nitrógeno líquido es esencialmente la producción a la inversa. El motor Stirling o el motor de calor criogénico ofrece una manera de impulsar vehículos y un medio para generar electricidad. El nitrógeno líquido también puede servir como refrigerante directo para refrigeradores, equipos eléctricos y unidades de aire acondicionado. El consumo de nitrógeno líquido está en efecto hirviendo y devolviendo el nitrógeno a la atmósfera.

En el motor Dearman, el nitrógeno se calienta combinándolo con el fluido de intercambio de calor dentro del cilindro del motor.

Descripción y usos.

Uso en criogénico
Actualmente, el nitrógeno líquido se utiliza en criogenia, por ejemplo, para enfriar imanes superconductores en equipos de resonancia magnética nuclear, en los tipos más sofisticados de sensores infrarrojos, en trenes maglev maglev, en microchips de computadora que explotan el efecto Josephson y quizás en el futuro en el futuro. Imanes superconductores de los reactores de tokamak, destinados a la fusión nuclear. También se ha propuesto utilizar nitrógeno líquido para enfriar láminas cerámicas superconductoras y, por lo tanto, construir líneas eléctricas de miles de kilómetros de largo, que por ejemplo traerían nitrógeno líquido y electricidad (sin resistencia) durante miles de kilómetros, desde reactores nucleares en el Ártico. Hasta ciudades del norte como Chicago o Nueva York.

En medicina, el uso directo se hace frío en la crioconservación de células tales como espermatozoides y óvulos para la inseminación artificial o para la fertilización in vitro. Con la proliferación de embarazos, la propagación de enfermedades de cáncer que a menudo requieren terapias de esterilización y algunas técnicas de fertilización aplicadas a las mujeres en sus 60 años, existe la posibilidad de que muchas personas puedan mantener sus gametos (o embriones) durante décadas, antes de comenzar el embarazo. Algunas personas en Arizona, después de la muerte (o de poner fin a su existencia como consecuencia de enfermedades incurables), se les ha congelado la cabeza o todo el cuerpo, con la remota esperanza, en un futuro super-tecnológico, de ser “descongelados” con Técnicas futuristas, tratadas adecuadamente y posteriormente revividas y devueltas a una nueva vida sana. No tienes la menor idea de si estos intentos pueden tener éxito.

En el campo aeroespacial, la NASA utiliza el nitrógeno líquido como medio para concentrarse y almacenarse en frío, de manera segura, durante largos períodos, que se utilizarán (después de la electrólisis del agua) para llevar el oxígeno y el agua a la temperatura de licuefacción. Hidrógeno utilizado en propulsión de cohetes como el Transbordador Espacial. Un aumento en el uso de estos combustibles y / o del combustible oxidado oxigenado inevitablemente conduciría a un aumento en el consumo de nitrógeno líquido. El uso de nitrógeno líquido en este papel por parte de la NASA ya ha producido víctimas de asfixia, 2 y, dado que es un gas completamente inodoro, los técnicos que siguieron respiraron repentinamente una atmósfera con un porcentaje de contenido de oxígeno y bajo absoluto (debido a que Las temperaturas (una parte del oxígeno se condensa como líquido en el suelo), comparables a la presión absoluta de O 2 con la de la cima del Everest.

En la industria del sacrificio, la carne se puede conservar, incluso durante muchos años, lo que permite mantener los precios estables durante muchos años (restando la carne de los mercados en períodos de bajo consumo y colocándola en los picos) o creando reservas estratégicas para utilizar. En el curso de las guerras o catástrofes.

Uso en ingeniería ambiental.
En el momento de la Unión Soviética, se descubrió que al rociar nitrógeno líquido en la atmósfera inferior, la niebla podía precipitarse por condensación o congelación de vapor de agua o gotitas microscópicas de agua de niebla. Esto permitió, en días sin viento, mantener abiertos los aeropuertos militares, creando un área libre de niebla a su alrededor.

Actualmente, la misma técnica se puede utilizar para crear áreas de niebla reducida, cerca de aeropuertos, cruces de autopistas o monumentos importantes. Como efecto perjudicial, habría una ligera caída de la temperatura en las inmediaciones. En 1998, a lo largo de la carretera Trieste-Venecia, los rusos demostraron este procedimiento.

Otros posibles usos del nitrógeno líquido se refieren a la inducción de lluvia (rociando nubes con nitrógeno líquido) o la desviación de huracanes (al nebulizarla en áreas marinas), disminuyendo la temperatura y, por lo tanto, la presión, lo que causaría que la perturbación se desvíe hacia el Área de menor presión, por ejemplo, lejos del continente.

Uso en transporte
Actualmente, la mayoría de los vehículos de carretera son propulsados ​​por el motor de combustión interna que quema combustible fósil. Si asumimos que el transporte por carretera debe ser sostenible a largo plazo, los combustibles actuales deben ser reemplazados por otra cosa que sea producida por energía renovable. El sustituto no necesariamente tiene que ser una fuente de energía “tout court”; sino más bien un medio de transferencia y concentración de energía, comparable a una especie de “moneda de energía”.

El nitrógeno líquido a baja temperatura, pasando de un tubo a un tubo y expandiendo y absorbiendo el calor externo del ambiente a una red ventilada, aumenta su presión enormemente y puede mover una turbina conectada a un generador eléctrico, que suministra electricidad a los motores eléctricos que Empuje las ruedas. Varias turbinas puestas en serie pueden desarrollar corriente a partir de los diversos saltos de temperatura y presión, y finalmente, las emisiones están hechas de nitrógeno a baja temperatura, 70% de componente de aire, y por lo tanto la extensión de la contaminación es cero (incluso si no es conveniente respire directamente desde estos tubos de escape fríos, porque existe el riesgo de desmayos y asfixia).

Actualmente, utilizando principios similares, se han construido varios prototipos de motores de aire comprimido, que en la práctica toman calor del ambiente circundante y lo transforman en energía cinética. Estos motores a menudo se atascan debido al frío excesivo y se condensan en sus drenajes de hielo, incluso si sus tanques (en kevlar) contienen aire comprimido a temperaturas iguales o superiores a las del ambiente circundante. De hecho, el aire está compuesto por un 78% de nitrógeno molecular.

Utilización en la destilación de agua de mar por condensación.
Retire el agua de mar relativamente caliente (20-40 ° C) presente en las bahías y lagunas de los atolones tropicales, calentándola aún más con espejos parabólicos o quemadores de gas a aproximadamente 60-80 ° C, y luego haciendo que se “evapore” en una lata de baja presión del recipiente (a aproximadamente 70-80% de la presión atmosférica), se puede condensar en un recipiente posterior a aproximadamente 5-10 ° C, enfriarse dentro de un recipiente coaxial con un líquido de trabajo no tóxico (como el etanol) y con un punto de fusión bajo, que a su vez se enfría pasando alrededor de un tanque de nitrógeno líquido. La conexión del tanque de evaporación al tanque de condensación con un tubo grande equipado con turbinas de aire de baja presión también genera electricidad.

En el tanque de evaporación, la concentración de sal aumentará considerablemente y, por lo tanto, el recipiente debe vaciarse periódicamente. El agua residual caliente obtenida, con una alta concentración de sal, se puede colocar en cuencas al aire libre desde donde, después de algún tiempo, la sal marina común para cocinar (NaCl) se obtendrá por evaporación. El fluido de trabajo (por ejemplo, el etanol), que entra en contacto con el agua de mar, se lleva a temperaturas de alrededor de 20-25 ° C, lo que puede ser útil para el aire acondicionado.

Producción de nitrógeno (del aire).
El nitrógeno líquido es generado por congeladores y condensadores criogénicos o por la compresión obtenida por un motor Stirling refrigerado, que lleva el aire común a presiones y temperaturas que pueden inducir a que el componente principal del aire cambie de fase, en estado líquido. Nitrógeno (N 2, igual al 78% del aire que respiramos). Estos sistemas de enfriamiento pueden funcionar con energía eléctrica renovable o mediante la explotación directa del trabajo mecánico (con el motor Stirling) obtenido de turbinas eólicas o turbinas hidráulicas, mejor si se ubican en climas fríos.

El nitrógeno líquido se produce y almacena en contenedores aislados especiales: el aislamiento, minimiza el flujo de calor hacia el interior del contenedor, reduce la pérdida de nitrógeno debido a la evaporación y la transformación en gas. Los requisitos de almacenamiento impiden la distribución de nitrógeno a través de las tuberías: no sería económico mantener toda la tubería a la temperatura requerida.

Usando el motor Stirling en reversa
El consumo de nitrógeno líquido no sería más que el inverso de su producción: el mismo motor Stirling que hizo que el nitrógeno líquido lo transformara en gas, recuperando la energía gastada en el proceso de licuefacción y proporcionando una fuente de energía para vehículos motorizados y eléctricos. generadores También sería posible usar directamente nitrógeno líquido como refrigerante para refrigeradores y acondicionadores de aire, y luego permitir que el nitrógeno del gas resultante regrese a la atmósfera de la que se extrajo.

Ventajas
Los vehículos de nitrógeno líquido son comparables en muchos aspectos a los vehículos eléctricos, pero utilizan nitrógeno líquido para almacenar la energía en lugar de baterías. Sus ventajas potenciales sobre otros vehículos incluyen:

Al igual que los vehículos eléctricos, los vehículos con nitrógeno líquido en última instancia recibirían energía eléctrica a través de la red eléctrica, lo que hace que sea más fácil concentrarse en reducir la contaminación de una fuente, a diferencia de los millones de vehículos en la carretera.
No se requeriría el transporte del combustible debido a que la corriente eléctrica se desconecta de la red eléctrica. Esto presenta importantes beneficios de costos. La contaminación creada durante el transporte de combustible sería eliminada.
Menores costos de mantenimiento
Los tanques de nitrógeno líquido se pueden desechar o reciclar con menos contaminación que las baterías.
Los vehículos de nitrógeno líquido no están limitados por los problemas de degradación asociados con los sistemas de baterías actuales.
El tanque puede ser rellenado con más frecuencia y en menos tiempo que las baterías, con tasas de recarga de combustible comparables a los combustibles líquidos.
Puede funcionar como parte de un tren motriz de ciclo combinado en combinación con un motor de gasolina o diesel, utilizando el calor residual de uno para hacer funcionar el otro en un sistema de turbocompresión. Incluso puede funcionar como un sistema híbrido.

Desventajas
La principal desventaja es el uso ineficiente de la energía primaria. La energía se utiliza para licuar nitrógeno, que a su vez proporciona la energía para hacer funcionar el motor. Cualquier conversión de energía tiene pérdidas. En los automóviles con nitrógeno líquido, la energía eléctrica se pierde durante el proceso de licuefacción del nitrógeno.

El nitrógeno líquido no está disponible en estaciones de servicio públicas de combustible; sin embargo, existen sistemas de distribución en la mayoría de los proveedores de gas de soldadura y el nitrógeno líquido es un subproducto abundante de la producción de oxígeno líquido.

Otros usos
En 2008, la Oficina de Patentes de EE. UU. Otorgó una patente sobre un motor de turbina de nitrógeno líquido. La turbina expande rápidamente el nitrógeno líquido que se pulveriza en la sección de alta presión de la turbina, y el gas de expansión se combina con el aire presurizado entrante para producir una corriente de gas a alta velocidad que se expulsa desde la parte posterior de la turbina. La corriente de gas resultante se puede utilizar para impulsar generadores u otros dispositivos. No se ha demostrado que el sistema alimente generadores eléctricos de más de 1 kW, sin embargo, es posible que el rendimiento sea mayor.

Argumentos politicos
La posibilidad de hacer que los motores térmicos actuales se adapten al nitrógeno líquido y el logro de diferentes medios de producción probablemente podría conducir a la diversificación, localización y estabilidad del mercado energético. [sin fuente]

Una posibilidad de diversificación energética incluye la economía del hidrógeno, la fotovoltaica y las alternativas a los biocombustibles.

La dependencia de la economía petrolera [enlace roto] tiene una influencia global dramática. Las reservas de petróleo, los pozos y los campos petroleros son “activos” auténticos del poder político y monetario actual, que gobierna y monopoliza la información. Además, según la teoría del pico de petróleo, para 2015 el consumo de petróleo superará la capacidad de producción máxima, lo que llevará a un aumento adicional de los precios.

Actualmente, las grandes inversiones económicas y los considerables esfuerzos políticos y militares tienen como objetivo garantizar la estabilidad a largo plazo de los suministros de carbón, petróleo y gas, y esta urgente necesidad configura las políticas y acciones militares de muchos países, que aseguran los suministros de energía. A menudo renuncian a la lucha por los derechos humanos.

Desde un punto de vista ambiental, el impacto generado por el dióxido de carbono producido por los combustibles fósiles es (junto con la deforestación) una de las principales causas del efecto invernadero. Otro daño colateral producido por los combustibles fósiles es la lluvia ácida, la devastación del paisaje, la contaminación del acuífero y los mares. Es vital encontrar alternativas a los combustibles fósiles que permitan el almacenamiento y el transporte de energía a larga distancia.

Criticas

Coste de produccion
La producción de nitrógeno líquido es un proceso que consume mucha energía. Actualmente, las plantas de refrigeración prácticas que producen unas pocas toneladas / día de nitrógeno líquido operan a aproximadamente el 50% de la eficiencia de Carnot. Actualmente, el nitrógeno líquido excedente se produce como un subproducto en la producción de oxígeno líquido.

Densidad energética del nitrógeno líquido.
Cualquier proceso que se base en un cambio de fase de una sustancia tendrá densidades de energía mucho más bajas que los procesos que involucran una reacción química en una sustancia, que a su vez tienen densidades de energía más bajas que las reacciones nucleares. El nitrógeno líquido como almacén de energía tiene una baja densidad de energía. Los combustibles de hidrocarburos líquidos, en comparación, tienen una alta densidad energética. Una alta densidad de energía hace que la logística de transporte y almacenamiento sea más conveniente. La comodidad es un factor importante en la aceptación del consumidor. El conveniente almacenamiento de combustibles derivados del petróleo combinado con su bajo costo ha llevado a un éxito incomparable. Además, un combustible de petróleo es una fuente de energía primaria, no solo un medio de almacenamiento y transporte de energía.

La densidad de energía, derivada del calor isobárico de vaporización del nitrógeno y del calor específico en estado gaseoso, que se puede obtener a partir del nitrógeno líquido a presión atmosférica y cero grados Celsius de temperatura ambiente es de aproximadamente 97 vatios-hora por kilogramo (W • h / kg). Esto se compara con 100-250 W • h / kg para una batería de iones de litio y 3.000 W • h / kg para un motor de combustión a gasolina con una eficiencia térmica del 28%, 30 veces la densidad del nitrógeno líquido utilizado en la eficiencia de Carnot.

Para que un motor de expansión isotérmica tenga un rango comparable al de un motor de combustión interna, se requiere un recipiente de almacenamiento a bordo aislado de 350 litros (92 galones estadounidenses). Un volumen práctico, pero un aumento notable sobre el tanque de gasolina típico de 50 litros (13 galones estadounidenses). La adición de ciclos de energía más complejos reduciría este requisito y ayudaría a permitir la operación libre de heladas. Sin embargo, no existen ejemplos comercialmente prácticos de uso de nitrógeno líquido para propulsión de vehículos.

Formación de escarcha
A diferencia de los motores de combustión interna, el uso de un fluido de trabajo criogénico requiere intercambiadores de calor para calentar y enfriar el fluido de trabajo. En un ambiente húmedo, la formación de escarcha evitará el flujo de calor y, por lo tanto, representa un desafío de ingeniería. Para evitar la acumulación de escarcha, se pueden usar múltiples fluidos de trabajo. Esto agrega ciclos de cobertura para asegurar que el intercambiador de calor no caiga por debajo de la congelación. Se necesitarían intercambiadores de calor adicionales, peso, complejidad, pérdida de eficiencia y gasto para permitir la operación libre de heladas.

La seguridad
Por más eficiente que sea el aislamiento en el tanque de nitrógeno, inevitablemente habrá pérdidas por evaporación a la atmósfera. Si un vehículo se almacena en un espacio mal ventilado, existe el riesgo de que la fuga de nitrógeno pueda reducir la concentración de oxígeno en el aire y causar asfixia. Dado que el nitrógeno es un gas incoloro e inodoro que ya constituye el 78% del aire, tal cambio sería difícil de detectar.

Los líquidos criogénicos son peligrosos si se derraman. El nitrógeno líquido puede causar congelación y puede hacer que algunos materiales sean extremadamente frágiles.

Como el líquido N2 es más frío que 90.2K, el oxígeno de la atmósfera puede condensarse. El oxígeno líquido puede reaccionar de forma espontánea y violenta con productos químicos orgánicos, incluidos productos derivados del petróleo como el asfalto.

Dado que la relación de expansión de líquido a gas de esta sustancia es de 1: 694, se puede generar una tremenda cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza rápidamente. En un incidente en 2006 en la Texas A&M University, los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido se sellaron con tapones de latón. Como resultado, el tanque falló catastróficamente y explotó.

Tanques
Los tanques deben estar diseñados de acuerdo con las normas de seguridad adecuadas para un recipiente a presión, como ISO 11439.

El tanque de almacenamiento puede estar hecho de:

Acero
Aluminio
Fibra de carbon
Kevlar
Otros materiales, o combinaciones de los anteriores.

Los materiales de fibra son considerablemente más ligeros que los metales, pero en general son más caros. Los tanques de metal pueden soportar una gran cantidad de ciclos de presión, pero deben revisarse periódicamente para detectar corrosión. El nitrógeno líquido, LN2, se transporta comúnmente en tanques aislados, hasta 50 litros, a presión atmosférica. Estos tanques, al ser tanques no presurizados, no están sujetos a inspección. Los tanques muy grandes para LN2 a veces están presurizados a menos de 25 psi para ayudar a transferir el líquido en el punto de uso.

Salida de emisión
Al igual que otras tecnologías de almacenamiento de energía que no son de combustión, un vehículo de nitrógeno líquido desplaza la fuente de emisión del tubo de escape del vehículo a la planta de generación eléctrica central. Cuando se dispone de fuentes libres de emisiones, se puede reducir la producción neta de contaminantes. Las medidas de control de emisiones en una planta generadora central pueden ser más efectivas y menos costosas que el tratamiento de las emisiones de vehículos muy dispersos.