Véhicules à azote liquide

Un véhicule à azote liquide est alimenté par de l’azote liquide, qui est stocké dans un réservoir. Les conceptions traditionnelles de moteurs à azote fonctionnent en chauffant l’azote liquide dans un échangeur de chaleur, en extrayant la chaleur de l’air ambiant et en utilisant le gaz sous pression résultant pour faire fonctionner un moteur à piston ou rotatif. Les véhicules propulsés à l’azote liquide ont été démontrés, mais ne sont pas utilisés dans le commerce. Un de ces véhicules, Liquid Air, a été démontré en 1902.

La propulsion à l’azote liquide peut également être intégrée à des systèmes hybrides, par exemple une propulsion électrique sur batterie et des réservoirs de carburant pour recharger les batteries. Ce type de système s’appelle une propulsion hybride électrique à l’azote liquide. De plus, le freinage par récupération peut également être utilisé avec ce système.

En juin 2016, les essais du parc de véhicules de livraison de produits alimentaires du supermarché J Sainsbury commenceront à Londres (Royaume-Uni): utilisation d’un moteur à l’azote Dearman pour fournir de l’énergie au refroidissement des produits alimentaires lorsque le véhicule est à l’arrêt et que le moteur principal est à l’arrêt. Actuellement, les camions de livraison ont généralement un deuxième plus petit moteur diesel pour alimenter le refroidissement lorsque le moteur principal est éteint.

La description
L’azote liquide est généré par les refroidisseurs de moteur Stirling cryogéniques ou inversés qui liquéfient le composant principal de l’air, l’azote (N2). Le refroidisseur peut être alimenté par l’électricité ou par des travaux mécaniques directs d’hydroélectricité ou d’éoliennes. L’azote liquide est distribué et stocké dans des conteneurs isothermes. L’isolation réduit le flux de chaleur dans l’azote stocké; cela est nécessaire car la chaleur de l’environnement ambiant fait bouillir le liquide, qui passe ensuite à l’état gazeux. La réduction de la chaleur entrante réduit les pertes d’azote liquide stockées. Les exigences de stockage empêchent l’utilisation de pipelines comme moyen de transport. Étant donné que les exigences d’isolation exigent des canalisations longues distances coûteuses, il serait coûteux d’utiliser des sources d’énergie distantes pour la production d’azote liquide. Les réserves de pétrole sont généralement très éloignées de la consommation mais peuvent être transférées à la température ambiante.

La consommation d’azote liquide est essentiellement la production inversée. Le moteur Stirling ou moteur thermique cryogénique offre un moyen d’alimenter les véhicules et de générer de l’électricité. L’azote liquide peut également servir de réfrigérant direct pour les réfrigérateurs, les équipements électriques et les unités de climatisation. La consommation d’azote liquide est en effet en ébullition et restitue dans l’atmosphère.

Dans le moteur Dearman, l’azote est chauffé en le combinant avec le fluide caloporteur contenu dans le cylindre du moteur.

Description et utilisations

Utilisation en cryogénique
Actuellement, l’azote liquide est utilisé en cryogénie, par exemple pour refroidir les aimants supraconducteurs dans les équipements de résonance magnétique nucléaire, dans les types de capteurs infrarouges les plus sophistiqués, dans les trains magnétiques maglev, dans les puces informatiques qui exploitent l’effet Josephson et peut-être même à l’avenir. aimants supraconducteurs des réacteurs tokamak destinés à la fusion nucléaire. Il a également été proposé d’utiliser de l’azote liquide pour refroidir des feuilles de céramique supraconductrices et ainsi construire des lignes électriques de plusieurs milliers de kilomètres, qui apporteraient par exemple de l’azote liquide et de l’électricité (sans aucune résistance) sur des milliers de kilomètres, à partir de réacteurs nucléaires en Arctique. jusqu’aux villes du nord telles que Chicago ou New York.

En médecine, on utilise directement le froid dans la cryoconservation de cellules telles que les spermatozoïdes et les ovules pour l’insémination artificielle ou pour la fécondation in vitro. Avec la prolifération des grossesses, la propagation des maladies cancéreuses nécessitant souvent des thérapies stérilisantes et certaines techniques de fertilisation appliquées aux femmes dans la soixantaine, il est possible que de nombreuses personnes conservent leurs gamètes (ou embryons) pendant des décennies avant de commencer leur grossesse. Certaines personnes en Arizona, après avoir perdu la vie (ou avoir mis fin à leur existence en tant que personnes atteintes de maladies incurables), ont eu la tête ou tout le corps congelées, avec l’espoir lointain, dans un avenir super-technologique, d’être “décongelées” avec techniques futuristes, traitées convenablement, puis ravivées et ramenées à une nouvelle vie en bonne santé. Vous n’avez pas la moindre idée si ces tentatives peuvent réussir.

Dans le domaine aérospatial, la NASA utilise de l’azote liquide comme moyen de concentration et de stockage à froid, en toute sécurité et pendant de longues périodes, qui seront utilisés (après l’électrolyse de l’eau) pour amener l’oxygène et l’eau à la température de liquéfaction. l’hydrogène utilisé dans la propulsion des fusées comme la navette spatiale. Une utilisation accrue de ces combustibles et / ou du comburant d’oxygène oxydé entraînerait inévitablement une augmentation de la consommation d’azote liquide. L’utilisation de l’azote liquide dans ce rôle par la NASA a déjà fait des victimes d’asphyxie 2, et comme il s’agissait d’un gaz complètement inodore, les techniciens qui suivaient respiraient soudainement une atmosphère contenant un pourcentage d’oxygène et un niveau absolu ( une partie de l’oxygène se condense sous forme liquide au sol), comparable à la pression absolue de O 2 à celle du sommet de l’Everest.

Dans l’industrie de l’abattage, la viande pourrait être conservée, même pendant de nombreuses années, ce qui permet de maintenir les prix stables pendant de nombreuses années (soustraire la viande des marchés en période de faible consommation et de la placer dans les sommets) ou de créer des réserves stratégiques à utiliser au cours de guerres ou de catastrophes.

Utilisation en génie de l’environnement
Au moment de l’Union soviétique, il a été découvert qu’en pulvérisant de l’azote liquide dans la basse atmosphère, le brouillard pouvait être précipité par condensation ou gel de la vapeur d’eau ou de gouttelettes microscopiques d’eau. Cela a permis, par temps sans vent, de garder les aéroports militaires ouverts, créant ainsi une zone exempte de brouillard autour d’eux.

Actuellement, la même technique peut être utilisée pour créer des zones de brouillard dilué, à proximité d’aéroports, de jonctions autoroutières ou de monuments importants. Un effet nocif se traduirait par une légère baisse de température dans les environs immédiats. En 1998, le long de l’autoroute Trieste-Venise, les Russes ont démontré cette procédure.

D’autres utilisations possibles de l’azote liquide concernent l’induction de pluie (en pulvérisant des nuages ​​avec de l’azote liquide) ou la déviation d’ouragans (en la nébulisant sur des zones marines), en abaissant la température et donc la pression, ce qui provoquerait une déviation de la perturbation vers la zone de basse pression, par exemple loin du continent.

Utilisation en transport
Actuellement, la plupart des véhicules routiers sont propulsés par le moteur à combustion interne qui brûle des combustibles fossiles. Si nous supposons que le transport routier doit être durable à très long terme, les carburants actuels doivent être remplacés par quelque chose d’autre qui est produit à partir d’énergies renouvelables. Le substitut ne doit pas nécessairement être une source d’énergie “tout court”; mais plutôt un moyen de transférer et de concentrer l’énergie, comparable à une sorte de “monnaie énergétique”.

L’azote liquide à basse température, passant d’un tube à un autre et développant et absorbant la chaleur externe de l’environnement dans un réseau ventilé, augmente considérablement sa pression et permet de déplacer une turbine connectée à un générateur électrique fournissant de l’électricité à des moteurs électriques pousser les roues. Différentes turbines mises en série peuvent générer du courant à partir de divers sauts de température et de pression. Enfin, les émissions sont constituées d’azote à basse température, composé à 70% d’air. L’ampleur de la pollution est donc nulle (même si cela ne convient pas à respirer directement à partir de ces tuyaux d’échappement froids, car il y a un risque d’évanouissement et d’asphyxie).

Actuellement, utilisant des principes similaires, plusieurs prototypes de moteurs à air comprimé ont été construits. Ils récupèrent la chaleur de l’environnement et la transforment en énergie cinétique. Ces moteurs se bloquent souvent à cause du froid excessif et se condensent sur leurs drains de glace, même si leurs réservoirs (en kevlar) contiennent de l’air comprimé à des températures égales ou supérieures à celles de l’environnement. En fait, l’air est composé à 78% d’azote moléculaire.

Utilisation dans la distillation d’eau de mer par condensation
Retirer l’eau de mer relativement chaude (20-40 ° C) présente dans les baies et les lagunes des atolls tropicaux, en la chauffant ensuite avec des miroirs paraboliques ou des brûleurs à gaz à environ 60-80 ° C, puis en la faisant “s’évaporer” récipient en étain à basse pression (environ 70-80% de la pression atmosphérique), il peut être condensé dans un récipient suivant à environ 5-10 ° C, refroidi dans un récipient coaxial avec un liquide de travail non toxique (comme l’éthanol) et avec un point de fusion bas, qui est à son tour refroidi en passant autour d’un réservoir d’azote liquide. Le raccordement du réservoir d’évaporation au réservoir de condensation avec un grand tuyau équipé de turbines à air à basse pression génère également de l’électricité.

Dans le réservoir d’évaporation, la concentration en sel augmentera considérablement et le récipient doit donc être vidé périodiquement. L’eau chaude résiduelle obtenue, à haute concentration en sel, peut être placée dans des bassins extérieurs où, après un certain temps, le sel marin de cuisson (NaCl) sera obtenu par évaporation. Le fluide de travail (par exemple l’éthanol), entrant en contact avec l’eau de mer, est porté à une température d’environ 20-25 ° C, ce qui peut être utile pour la climatisation.

Production d’azote (de l’air)
L’azote liquide est généré par des congélateurs et des condenseurs cryogéniques ou par la compression obtenue par un moteur Stirling réfrigéré, ce qui porte l’air commun à des pressions et à des températures pouvant induire le changement de phase du composant principal de l’air, à l’état liquide. azote (N 2, égal à 78% de l’air que nous respirons). Ces systèmes de refroidissement peuvent être alimentés par une énergie renouvelable générant de l’électricité ou par l’exploitation directe de travaux mécaniques (avec le moteur Stirling) obtenus d’éoliennes ou de turbines hydrauliques, encore mieux s’ils sont situés dans des climats froids.

L’azote liquide est produit et stocké dans des conteneurs isolés spéciaux: l’isolation, qui minimise le flux de chaleur vers l’intérieur du conteneur, réduit les pertes d’azote dues à l’évaporation et à la re-transformation en gaz. Les exigences de stockage empêchent la distribution d’azote par les conduites: il ne serait pas rentable de maintenir l’ensemble du pipeline à la température requise.

Utilisation du moteur Stirling en sens inverse
La consommation d’azote liquide ne serait rien de plus que l’inverse de sa production: le même moteur Stirling qui l’a transformé en gaz, récupérant l’énergie dépensée dans le processus de liquéfaction et fournissant une source de puissance pour les véhicules automobiles et électriques. générateurs. Il serait également possible d’utiliser directement l’azote liquide comme réfrigérant pour les réfrigérateurs et les climatiseurs, permettant ainsi à l’azote gazeux résultant de retourner dans l’atmosphère où il a été extrait.

Les avantages
Les véhicules à l’azote liquide sont comparables à bien des égards aux véhicules électriques, mais utilisent de l’azote liquide pour stocker l’énergie au lieu des batteries. Leurs avantages potentiels par rapport aux autres véhicules incluent:

Tout comme les véhicules électriques, les véhicules à azote liquide seraient finalement alimentés par le réseau électrique, ce qui faciliterait la réduction de la pollution provenant d’une source unique, par opposition aux millions de véhicules sur la route.
Le transport du carburant ne serait pas nécessaire en raison de la mise hors tension du réseau électrique. Ceci présente des avantages de coûts significatifs. La pollution créée lors du transport de carburant serait éliminée.
Réduction des coûts de maintenance
Les réservoirs d’azote liquide peuvent être éliminés ou recyclés avec moins de pollution que les batteries.
Les véhicules à azote liquide ne sont pas contraints par les problèmes de dégradation associés aux systèmes de batterie actuels.
Il est possible que le réservoir puisse être rempli plus souvent et en moins de temps que les batteries, avec des taux de ravitaillement comparables à ceux des combustibles liquides.
Il peut fonctionner dans le cadre d’un groupe motopropulseur à cycle combiné associé à un moteur à essence ou diesel, en utilisant la chaleur perdue de l’un pour faire fonctionner l’autre dans un système à turbocomposant. Il peut même fonctionner comme un système hybride.

Désavantages
Le principal inconvénient est l’utilisation inefficace de l’énergie primaire. L’énergie est utilisée pour liquéfier l’azote, ce qui fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement du moteur. Toute conversion d’énergie entraîne des pertes. Pour les voitures à azote liquide, de l’énergie électrique est perdue lors du processus de liquéfaction de l’azote.

L’azote liquide n’est pas disponible dans les stations-service publiques; Cependant, la plupart des fournisseurs de gaz de soudage disposent de systèmes de distribution et l’azote liquide est un sous-produit abondant de la production d’oxygène liquide.

Autres utilisations
En 2008, le US Patent Office a délivré un brevet pour un turbomoteur à azote liquide. La turbine libère de l’azote liquide pulvérisé dans la section haute pression de la turbine et le gaz en expansion est combiné à de l’air sous pression entrant pour produire un flux de gaz à grande vitesse qui est éjecté de l’arrière de la turbine. Le flux de gaz résultant peut être utilisé pour entraîner des générateurs ou d’autres dispositifs. Il n’a pas été prouvé que le système permettait d’alimenter des générateurs électriques de plus de 1 kW, mais une production plus élevée est possible.

Arguments politiques
La possibilité de rendre les moteurs thermiques actuels adaptables à l’azote liquide et la mise au point de différents moyens de production pourraient probablement conduire à la diversification, à la localisation et à la stabilité du marché de l’énergie. [sans source]

Une possibilité de diversification énergétique inclut l’économie de l’hydrogène, les solutions photovoltaïques et les biocarburants.

La dépendance à l’égard de l’économie pétrolière [lien brisé] a une influence mondiale considérable. Les réserves de pétrole, les puits et les champs de pétrole sont de véritables “actifs” du pouvoir politique et monétaire actuel, qui gouverne et monopolise l’information. En outre, selon la théorie du pic pétrolier, la consommation de pétrole dépassera la capacité de production maximale d’ici à 2015, ce qui entraînera une nouvelle hausse des prix.

Actuellement, les investissements économiques importants et les efforts politiques et militaires considérables visent à assurer la stabilité à long terme des approvisionnements en charbon, pétrole et gaz, et cette nécessité urgente façonne les politiques et les actions militaires de nombreux pays visant à garantir l’approvisionnement énergétique. ils renoncent souvent à la lutte pour les droits de l’homme.

D’un point de vue environnemental, l’impact du dioxyde de carbone produit par les combustibles fossiles est (avec la déforestation) l’une des principales causes de l’effet de serre. Les dommages collatéraux produits par les combustibles fossiles sont les pluies acides, la dévastation du paysage, la pollution de l’aquifère et des mers. Il est essentiel de trouver des alternatives aux combustibles fossiles permettant le stockage et le transport de l’énergie sur de longues distances.

des reproches

Coût de production
La production d’azote liquide est un processus énergivore. Les installations de réfrigération actuellement utilisées ne produisant que quelques tonnes / jour d’azote liquide fonctionnent à environ 50% de l’efficacité de Carnot. Actuellement, le surplus d’azote liquide est produit en tant que sous-produit dans la production d’oxygène liquide.

Densité énergétique de l’azote liquide
Tout processus qui repose sur un changement de phase d’une substance aura des densités d’énergie bien inférieures à celles des processus impliquant une réaction chimique dans une substance, qui ont à leur tour des densités d’énergie inférieures à celles des réactions nucléaires. L’azote liquide en tant que réserve d’énergie a une faible densité d’énergie. En comparaison, les combustibles hydrocarbonés liquides ont une densité énergétique élevée. Une densité énergétique élevée facilite la logistique du transport et du stockage. La commodité est un facteur important dans l’acceptation du consommateur. Le stockage pratique des carburants à base de pétrole, associé à son faible coût, a conduit à un succès inégalé. En outre, un carburant à base de pétrole est une source d’énergie primaire, et pas seulement un moyen de stockage et de transport de l’énergie.

La densité d’énergie – dérivée de la chaleur de vaporisation isobare de l’azote et de la chaleur spécifique à l’état gazeux – pouvant être obtenue à partir d’azote liquide à la pression atmosphérique et à une température ambiante de zéro degré Celsius est d’environ 97 wattheures par kilogramme (W • h / kg). Cela se compare à 100-250 W • h / kg pour une batterie lithium-ion et à 3 000 W • h / kg pour un moteur à essence fonctionnant à 28% de son efficacité thermique, soit 30 fois la densité de l’azote liquide utilisé pour l’efficacité de Carnot.

Pour qu’un moteur à expansion isothermique ait une autonomie comparable à celle d’un moteur à combustion interne, un réservoir de stockage isolé de 350 litres (92 US gal) est nécessaire. Un volume pratique, mais une augmentation notable par rapport au réservoir d’essence typique de 50 litres (13 US gal). L’ajout de cycles d’alimentation plus complexes réduirait cette exigence et aiderait à permettre un fonctionnement sans gel. Cependant, il n’existe dans le commerce aucune utilisation concrète de l’azote liquide pour la propulsion de véhicules.

Formation de givre
Contrairement aux moteurs à combustion interne, l’utilisation d’un fluide de travail cryogénique nécessite des échangeurs de chaleur pour réchauffer et refroidir le fluide de travail. Dans un environnement humide, la formation de givre empêchera le flux de chaleur et représente donc un défi technique. Pour éviter l’accumulation de givre, plusieurs fluides de travail peuvent être utilisés. Ceci ajoute des cycles de remplissage pour assurer que l’échangeur de chaleur ne tombe pas en dessous du gel. Des échangeurs de chaleur supplémentaires, ainsi que le poids, la complexité, la perte d’efficacité et les coûts, seraient nécessaires pour permettre un fonctionnement sans gel.

sécurité
Si efficace que soit l’isolation du réservoir d’azote, il y aura inévitablement des pertes par évaporation dans l’atmosphère. Si un véhicule est entreposé dans un espace mal ventilé, il existe un risque qu’une fuite d’azote puisse réduire la concentration en oxygène dans l’air et provoquer une asphyxie. Étant donné que l’azote est un gaz incolore et inodore qui constitue déjà 78% de l’air, un tel changement serait difficile à détecter.

Les liquides cryogéniques sont dangereux s’ils sont déversés. L’azote liquide peut causer des engelures et rendre certains matériaux extrêmement fragiles.

Comme le N2 liquide est plus froid que 90,2 K, l’oxygène de l’atmosphère peut se condenser. L’oxygène liquide peut réagir spontanément et violemment avec les produits chimiques organiques, y compris les produits pétroliers tels que l’asphalte.

Étant donné que le rapport d’expansion liquide / gaz de cette substance est de 1: 694, une force considérable peut être générée si l’azote liquide est vaporisé rapidement. Lors d’un incident survenu en 2006 à la Texas A & M University, les dispositifs de décompression d’un réservoir d’azote liquide ont été scellés à l’aide de bouchons en laiton. En conséquence, le char a échoué de manière catastrophique et a explosé.

réservoirs
Les citernes doivent être conçues conformément aux normes de sécurité appropriées pour les appareils sous pression, telles que l’ISO 11439.

Le réservoir de stockage peut être constitué de:

Acier
Aluminium
Fibre de carbone
Kevlar
autres matériaux, ou combinaisons de ceux-ci.

Les matériaux en fibres sont considérablement plus légers que les métaux mais généralement plus coûteux. Les réservoirs en métal peuvent supporter un grand nombre de cycles de pression, mais doivent être vérifiés périodiquement pour détecter la corrosion. L’azote liquide, LN2, est généralement transporté dans des réservoirs isolés, jusqu’à 50 litres, à la pression atmosphérique. Ces réservoirs, étant des réservoirs non pressurisés, ne sont pas soumis à l’inspection. Les très grands réservoirs de LN2 sont parfois pressurisés à moins de 25 psi pour faciliter le transfert du liquide au point d’utilisation.

Sortie d’émission
À l’instar d’autres technologies de stockage d’énergie sans combustion, un véhicule à azote liquide déplace la source d’émission du tuyau d’échappement du véhicule vers la centrale électrique centrale. Là où des sources sans émissions sont disponibles, la production nette de polluants peut être réduite. Les mesures de contrôle des émissions dans une centrale électrique centrale peuvent être plus efficaces et moins coûteuses que le traitement des émissions de véhicules très dispersés.