Um veículo de nitrogênio líquido é alimentado por nitrogênio líquido, que é armazenado em um tanque. Os projetos tradicionais de motores a nitrogênio funcionam aquecendo o nitrogênio líquido em um trocador de calor, extraindo calor do ar ambiente e usando o gás pressurizado resultante para operar um pistão ou motor rotativo. Os veículos movidos por nitrogênio líquido foram demonstrados, mas não são usados ​​comercialmente. Um desses veículos, a Liquid Air foi demonstrada em 1902.

A propulsão de nitrogênio líquido também pode ser incorporada em sistemas híbridos, por exemplo, propulsão elétrica de bateria e tanques de combustível para recarregar as baterias. Esse tipo de sistema é chamado de propulsão híbrida de nitrogênio-elétrico líquido. Além disso, a frenagem regenerativa também pode ser usada em conjunto com este sistema.

Em junho de 2016, os testes começarão em Londres, Reino Unido, na frota de veículos de entrega de alimentos do supermercado J Sainsbury: usando um motor de nitrogênio Dearman para fornecer energia para o resfriamento da carga quando o veículo estiver parado e o motor principal desligado. Atualmente, os caminhões de entrega, em sua maioria, possuem 2 motores a diesel menores para alimentar o resfriamento quando o motor principal está desligado.

Descrição
O nitrogênio líquido é gerado por resfriadores criogênicos ou invertidos do motor Stirling que liquefazem o principal componente do ar, o nitrogênio (N2). O refrigerador pode ser alimentado por eletricidade ou por meio de trabalho mecânico direto de turbinas hidráulicas ou eólicas. O nitrogênio líquido é distribuído e armazenado em recipientes isolados. O isolamento reduz o fluxo de calor para o nitrogênio armazenado; isto é necessário porque o calor do ambiente circundante ferve o líquido, que então transita para um estado gasoso. Reduzir o influxo de calor reduz a perda de nitrogênio líquido no armazenamento. Os requisitos de armazenamento impedem o uso de tubulações como meio de transporte. Como os dutos de longa distância seriam caros devido aos requisitos de isolamento, seria dispendioso usar fontes de energia distantes para a produção de nitrogênio líquido. As reservas de petróleo estão tipicamente a uma grande distância do consumo, mas podem ser transferidas à temperatura ambiente.

O consumo de nitrogênio líquido é essencialmente a produção em sentido inverso. O motor Stirling ou motor térmico criogênico oferece uma maneira de alimentar veículos e um meio de gerar eletricidade. O nitrogênio líquido também pode servir como refrigerante direto para refrigeradores, equipamentos elétricos e unidades de ar condicionado. O consumo de nitrogênio líquido está em ebulição e retorna o nitrogênio para a atmosfera.

No motor Dearman, o nitrogênio é aquecido pela combinação com o fluido de troca de calor dentro do cilindro do motor.

Descrição e usos

Uso em criogênicos
Atualmente, o nitrogênio líquido é usado na criogenia, por exemplo para resfriar ímãs supercondutores em equipamentos de ressonância magnética nuclear, em tipos mais sofisticados de sensores infravermelhos, em trens maglev maglev, em microchips de computador que exploram o efeito Josephson, e talvez no futuro no ímãs supercondutores dos reatores tokamak, destinados à fusão nuclear. Também foi proposto o uso de nitrogênio líquido para resfriar chapas de cerâmica supercondutoras e, assim, construir linhas elétricas de milhares de quilômetros de extensão, que por exemplo trariam nitrogênio líquido e eletricidade (sem resistência) a milhares de quilômetros de reatores nucleares no Ártico. até cidades do norte, como Chicago ou Nova York.

Na medicina, o uso direto é feito de frio na criopreservação de células como espermatozóides e óvulos para inseminação artificial ou para fertilização in vitro. Com a proliferação de gravidezes, a propagação de doenças cancerígenas que muitas vezes requerem terapias esterilizantes e algumas técnicas de fertilização aplicadas a mulheres na faixa dos 60 anos, existe a possibilidade de muitas pessoas manterem seus gametas (ou embriões) por décadas, antes de iniciar a gravidez. Algumas pessoas no Arizona, após a morte (ou o fim de sua existência como sofrendo de doenças incuráveis), tiveram sua cabeça ou corpo inteiro congelado, com a esperança remota, num futuro super tecnológico, de ser “descongelada” com técnicas futuristas, tratadas apropriadamente e, posteriormente, revividas e trazidas de volta a uma nova vida saudável. Você não tem a menor idéia se essas tentativas podem ter sucesso.

No campo aeroespacial, o nitrogênio líquido é utilizado pela NASA como um meio para concentrar e armazenar frio, com segurança, por longos períodos, que serão utilizados (após a eletrólise da água) para levar o oxigênio e a água à temperatura de liquefação. hidrogênio usado na propulsão de foguetes como o Ônibus Espacial. Um aumento no uso desses combustíveis e / ou do comburente de oxigênio oxidado levaria inevitavelmente a um aumento no consumo de nitrogênio líquido. O uso de nitrogênio líquido neste papel pela NASA já produziu vítimas de asfixia, 2 e como é um gás completamente inodoro, os técnicos que foram os próximos respiraram repentinamente uma atmosfera com uma porcentagem de oxigênio e absoluta baixa (porque naqueles temperaturas uma parte do oxigênio se condensa como líquido no solo), comparável como pressão absoluta de O 2 à do cume do Everest.

Na indústria de abate, a carne poderia ser preservada, mesmo por muitos anos, isso permite manter os preços estáveis ​​por muitos anos (subtrair a carne dos mercados em períodos de baixo consumo e colocá-la nos picos) ou criar reservas estratégicas a serem usadas no curso de guerras ou catástrofes.

Uso em engenharia ambiental
Na época da União Soviética, descobriu-se que, pulverizando nitrogênio líquido na atmosfera inferior, a névoa poderia ser precipitada pela condensação ou congelamento de vapor de água ou gotículas microscópicas de água nebulizada. Isso permitiu, em dias sem vento, manter os aeroportos militares abertos, criando uma área livre de neblina ao redor deles.

Atualmente, a mesma técnica pode ser usada para criar áreas de névoa fina, perto de aeroportos, cruzamentos de autoestradas ou monumentos importantes. Como efeito deletério, haveria uma ligeira queda de temperatura nas imediações. Em 1998, ao longo da rodovia Trieste-Veneza, os russos demonstraram esse procedimento.

Outras utilizações possíveis do nitrogênio líquido dizem respeito à indução de chuva (por nebulização de nuvens com nitrogênio líquido) ou ao desvio de furacões (nebulizando-o em áreas marinhas), baixando a temperatura e conseqüentemente a pressão, o que levaria a perturbação a desviar-se área de menor pressão, por exemplo, longe do continente.

Use no transporte
Atualmente, a maioria dos veículos rodoviários é movida a partir do motor de combustão interna que queima combustível fóssil. Se assumirmos que o transporte rodoviário deve ser sustentável a longo prazo, os combustíveis atuais devem ser substituídos por algo que seja produzido por energia renovável. O substituto não precisa necessariamente ser uma fonte de energia “tout court”; mas sim um meio de transferir e concentrar energia, comparável a uma espécie de “moeda de energia”.

O nitrogênio líquido a baixa temperatura, passando de um tubo para um tubo e expandindo e absorvendo o calor externo do ambiente em uma rede ventilada, aumenta enormemente sua pressão e pode mover uma turbina conectada a um gerador elétrico, que fornece eletricidade a motores elétricos que empurre as rodas. Várias turbinas colocadas em série podem desenvolver corrente de vários saltos de temperatura e pressão e, finalmente, as emissões são feitas de nitrogênio de baixa temperatura, 70% de componente de ar e, portanto, a extensão da poluição é zero (mesmo que não seja conveniente respire diretamente destes tubos de escape frios, porque existe o risco de desmaio e asfixia).

Atualmente, usando princípios semelhantes, vários protótipos de motores a ar comprimido foram construídos, que na prática retiram calor do ambiente circundante e o transformam em energia cinética. Esses motores freqüentemente ficam presos devido ao frio excessivo e condensam em seus drenos de gelo, mesmo se seus tanques (em kevlar) contiverem ar comprimido a temperaturas iguais ou superiores às do ambiente circundante. De fato, o ar é composto de 78% de nitrogênio molecular.

Use na destilação de água do mar por condensação
Retirar a água do mar relativamente quente (20-40 ° C) presente nas baías e lagoas dos atóis tropicais, aquecê-la ainda mais com espelhos parabólicos, ou queimadores de gás a cerca de 60-80 ° C, e então “evaporar” em um estanho de baixa pressão do recipiente (a cerca de 70-80% da pressão atmosférica), pode ser condensado em um recipiente subsequente a cerca de 5-10 ° C, resfriado dentro de um recipiente coaxial com um líquido de trabalho atóxico (como o etanol) e com um baixo ponto de fusão, que por sua vez é resfriado passando em torno de um tanque de nitrogênio líquido. Conectar o tanque de evaporação ao tanque de condensação com um tubo grande equipado com turbinas de ar de baixa pressão também gera eletricidade.

No tanque de evaporação, a concentração de sal aumentará consideravelmente e, portanto, o recipiente deve ser esvaziado periodicamente. A água residual quente obtida, com uma alta concentração de sal, pode ser colocada em bacias externas de onde, após algum tempo, o sal marinho comum (NaCl) será obtido por evaporação. O fluido de trabalho (por exemplo etanol), entrando em contato com a água do mar, é levado a temperaturas em torno de 20-25 ° C, o que pode ser útil para o ar condicionado.

Produção de nitrogênio (do ar)
O nitrogênio líquido é gerado por congeladores criogênicos e condensadores ou pela compressão obtida por um motor Stirling refrigerado, trazendo o ar comum a pressões e temperaturas que podem induzir o componente principal do ar a mudar de fase, no estado líquido. nitrogênio (N 2, igual a 78% do ar que respiramos). Estes sistemas de refrigeração podem ser alimentados por energia renovável gerando eletricidade ou através da exploração direta do trabalho mecânico (com o motor Stirling) obtido de turbinas eólicas ou turbinas hidráulicas, melhor se localizadas em climas frios.

O nitrogênio líquido é produzido e armazenado em recipientes com isolamento especial: o isolamento, minimizando o fluxo de calor em direção ao interior do recipiente, reduz a perda de nitrogênio devido à evaporação e re-transformação em gás. Os requisitos de armazenamento impedem a distribuição de nitrogênio através de tubulações: não seria econômico manter toda a tubulação na temperatura exigida.

Usando o motor Stirling no reverso
O consumo de nitrogênio líquido não seria nada mais que o inverso de sua produção: o mesmo motor Stirling que fazia o nitrogênio líquido transformá-lo em gás, recuperando a energia gasta no processo de liquefação e fornecendo uma fonte de energia para veículos motorizados e elétricos. geradores. Também seria possível usar diretamente o nitrogênio líquido como refrigerante para refrigeradores e condicionadores de ar, permitindo então que o nitrogênio do gás resultante retornasse à atmosfera da qual foi extraído.

Vantagens
Veículos de nitrogênio líquido são comparáveis ​​em muitos aspectos a veículos elétricos, mas usam nitrogênio líquido para armazenar a energia em vez de baterias. Suas vantagens potenciais em relação a outros veículos incluem:

Assim como os veículos elétricos, os veículos com nitrogênio líquido seriam alimentados pela rede elétrica, o que facilita a concentração na redução da poluição de uma fonte, em oposição aos milhões de veículos na estrada.
O transporte do combustível não seria necessário devido ao desligamento da rede elétrica. Isso apresenta benefícios significativos de custo. Poluição criada durante o transporte de combustível seria eliminada.
Menores custos de manutenção
Tanques de nitrogênio líquido podem ser descartados ou reciclados com menos poluição do que as baterias.
Os veículos de nitrogênio líquido não são limitados pelos problemas de degradação associados aos sistemas de baterias atuais.
O tanque pode ser reabastecido com mais freqüência e em menos tempo do que as baterias podem ser recarregadas, com taxas de reabastecimento comparáveis ​​aos combustíveis líquidos.
Ele pode funcionar como parte de um trem de força de ciclo combinado em conjunto com um motor a gasolina ou diesel, usando o calor residual de um para executar o outro em um sistema turbocomposto. Pode até funcionar como um sistema híbrido.

Desvantagens
A principal desvantagem é o uso ineficiente de energia primária. A energia é usada para liquefazer o nitrogênio, que por sua vez fornece a energia para o funcionamento do motor. Qualquer conversão de energia tem perdas. Para carros com nitrogênio líquido, a energia elétrica é perdida durante o processo de liquefação do nitrogênio.

O nitrogênio líquido não está disponível em estações públicas de reabastecimento; no entanto, existem sistemas de distribuição na maioria dos fornecedores de gás de solda e o nitrogênio líquido é um subproduto abundante da produção de oxigênio líquido.

Outros usos
Em 2008, o Escritório de Patentes dos EUA concedeu uma patente sobre um motor de turbina alimentado com nitrogênio líquido. A turbina libera o nitrogênio líquido que é pulverizado na seção de alta pressão da turbina, e o gás em expansão é combinado com o ar pressurizado de entrada para produzir uma corrente de gás de alta velocidade que é ejetada da parte de trás da turbina. O fluxo de gás resultante pode ser usado para acionar geradores ou outros dispositivos. Não foi demonstrado que o sistema alimenta geradores elétricos com mais de 1 kW, no entanto, uma saída maior pode ser possível.

Argumentos políticos
A possibilidade de tornar os atuais motores térmicos adaptáveis ​​ao nitrogênio líquido e a obtenção de diferentes meios de produção poderia levar provavelmente à diversificação, localização e estabilidade do mercado de energia. [sem fonte]

Uma possibilidade de diversificação energética inclui economia de hidrogênio, alternativas fotovoltaicas e biocombustíveis.

A dependência da economia do petróleo [link quebrado] tem uma influência global dramática. As reservas de petróleo, poços e campos de petróleo são autênticos “ativos” do poder político e monetário atual, que governa e monopoliza as informações. Além disso, de acordo com a teoria do pico do petróleo, até 2015, o consumo de petróleo excederá a capacidade máxima de produção, levando a um novo aumento nos preços.

Atualmente, grandes investimentos econômicos e consideráveis ​​esforços políticos e militares visam assegurar a estabilidade de longo prazo do fornecimento de carvão, petróleo e gás, e essa necessidade urgente molda as políticas e ações militares de muitos países, que garantem o suprimento de energia. eles muitas vezes renunciam à luta pelos direitos humanos.

Do ponto de vista ambiental, o impacto gerado pelo dióxido de carbono produzido pelos combustíveis fósseis é (juntamente com o desmatamento) uma das principais causas do efeito estufa. Outros danos colaterais produzidos pelos combustíveis fósseis são a chuva ácida, a devastação da paisagem, a poluição do aqüífero e dos mares. É vital encontrar alternativas aos combustíveis fósseis que permitam o armazenamento a longa distância e o transporte de energia.

Críticas

Custo de produção
A produção de nitrogênio líquido é um processo que consome muita energia. Atualmente, as plantas de refrigeração práticas que produzem poucas toneladas / dia de nitrogênio líquido operam a cerca de 50% da eficiência da Carnot. Atualmente, o nitrogênio líquido excedente é produzido como um subproduto na produção de oxigênio líquido.

Densidade de energia do nitrogênio líquido
Qualquer processo que dependa de uma mudança de fase de uma substância terá densidades de energia muito menores do que os processos que envolvem uma reação química em uma substância, os quais, por sua vez, têm densidades de energia menores que as reações nucleares. O nitrogênio líquido como armazenamento de energia tem baixa densidade de energia. Combustíveis líquidos de hidrocarbonetos, por comparação, possuem alta densidade energética. Uma alta densidade de energia torna a logística de transporte e armazenamento mais conveniente. A conveniência é um fator importante na aceitação do consumidor. O armazenamento conveniente de combustíveis de petróleo combinado com seu baixo custo levou a um sucesso inigualável. Além disso, um combustível de petróleo é uma fonte de energia primária, não apenas um meio de armazenamento e transporte de energia.

A densidade de energia – derivada do calor isobárico de vaporização do nitrogênio e calor específico no estado gasoso – que pode ser realizada a partir de nitrogênio líquido à pressão atmosférica e temperatura ambiente de zero graus Celsius é de cerca de 97 watts-hora por quilograma (W • h / kg). Isso se compara com 100-250 W • h / kg para uma bateria de íons de lítio e 3.000 W • h / kg para um motor a gasolina a 28% de eficiência térmica, 30 vezes a densidade de nitrogênio líquido usada na eficiência Carnot.

Para um motor de expansão isotérmica ter um alcance comparável a um motor de combustão interna, é necessário um tanque de armazenamento a bordo isolado de 350 litros (92 US gal). Um volume prático, mas um aumento notável em relação ao típico tanque de gasolina de 50 litros (13 US gal). A adição de ciclos de energia mais complexos reduziria esse requisito e ajudaria a operar sem congelamento. No entanto, não existem exemplos comerciais de utilização de azoto líquido para a propulsão de veículos.

Formação de gelo
Ao contrário dos motores de combustão interna, o uso de fluido de trabalho criogênico requer trocadores de calor para aquecer e resfriar o fluido de trabalho. Em um ambiente úmido, a formação de gelo irá impedir o fluxo de calor e, portanto, representa um desafio de engenharia. Para evitar o acúmulo de gelo, vários fluidos de trabalho podem ser usados. Isso adiciona ciclos de cobertura para garantir que o trocador de calor não fique abaixo do ponto de congelamento. Trocadores de calor adicionais, peso, complexidade, perda de eficiência e despesas seriam necessários para permitir a operação sem congelamento.

Segurança
Por mais eficiente que seja o isolamento do tanque de nitrogênio, haverá inevitavelmente perdas por evaporação para a atmosfera. Se um veículo é armazenado em um espaço mal ventilado, existe algum risco de que o vazamento de nitrogênio possa reduzir a concentração de oxigênio no ar e causar asfixia. Como o nitrogênio é um gás incolor e inodoro que já representa 78% do ar, essa mudança seria difícil de detectar.

Líquidos criogênicos são perigosos se derramados. O nitrogênio líquido pode causar congelamento e pode tornar alguns materiais extremamente frágeis.

Como o N2 líquido é mais frio que 90,2K, o oxigênio da atmosfera pode se condensar. O oxigênio líquido pode reagir espontaneamente e violentamente com produtos químicos orgânicos, incluindo produtos petrolíferos como o asfalto.

Como a relação de expansão líquido para gás dessa substância é de 1: 694, uma quantidade tremenda de força pode ser gerada se o nitrogênio líquido for rapidamente vaporizado. Em um incidente em 2006 na Texas A & M University, os dispositivos de alívio de pressão de um tanque de nitrogênio líquido foram lacrados com buchas de bronze. Como resultado, o tanque falhou catastroficamente e explodiu.

Tanques
Os tanques devem ser projetados para padrões de segurança apropriados para um vaso de pressão, como o ISO 11439.

O tanque de armazenamento pode ser feito de:

Aço
Alumínio
Fibra de carbono
Kevlar
outros materiais, ou combinações dos itens acima.

Os materiais de fibra são consideravelmente mais leves que os metais, mas geralmente são mais caros. Os tanques de metal podem suportar um grande número de ciclos de pressão, mas devem ser verificados quanto à corrosão periodicamente. O nitrogênio líquido, LN2, é comumente transportado em tanques isolados, até 50 litros, à pressão atmosférica. Estes tanques, sendo tanques não pressurizados, não estão sujeitos a inspeção. Tanques muito grandes para LN2 às vezes são pressurizados a menos de 25 psi para auxiliar na transferência do líquido no ponto de uso.

Saída de emissão
Como outras tecnologias de armazenamento de energia não-combustão, um veículo de nitrogênio líquido desloca a fonte de emissão do tubo de escape do veículo para a central elétrica central. Onde as fontes livres de emissões estão disponíveis, a produção líquida de poluentes pode ser reduzida. As medidas de controle de emissões em uma usina geradora central podem ser mais eficazes e menos dispendiosas do que o tratamento das emissões de veículos amplamente dispersos.