Un vehículo de nitrógeno líquido funciona con nitrógeno líquido , que se almacena en un tanque. Los diseños tradicionales de motores de nitrógeno 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 motor rotativo. Se han demostrado vehículos propulsados por nitrógeno líquido, pero no se utilizan comercialmente. Uno de esos 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-eléctrica. Además, el frenado regenerativo también se puede utilizar junto con este sistema.
Una ventaja del vehículo de nitrógeno líquido es que el gas de escape es simplemente nitrógeno, un componente del aire y, por lo tanto, no produce contaminación atmosférica localizada en las emisiones del tubo de escape. Esto no lo hace completamente libre de contaminación, ya que se había requerido energía para licuar el nitrógeno en primer lugar, pero ese proceso de licuación puede estar alejado del funcionamiento del vehículo y, en principio, podría ser alimentado por una energía renovable o una fuente de energía limpia .
Descripción
El nitrógeno líquido se genera mediante enfriadores criogénicos o con motor Stirling inverso [1] [2] [3] que licuan el componente principal del aire, el nitrógeno (N 2 ). El enfriador puede funcionar con electricidad o mediante trabajo mecánico directo de turbinas hidráulicas o eólicas . El nitrógeno líquido se distribuye y almacena en contenedores isotérmicos . El aislamiento reduce el flujo de calor hacia 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 durante 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 temperatura ambiente.
El consumo de nitrógeno líquido es, en esencia, la producción a la inversa. El motor Stirling o motor térmico criogénico ofrece una forma de propulsar 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. [4] [5]
En 2008, la Oficina de Patentes de EE. UU. Otorgó una patente sobre un motor de turbina de nitrógeno líquido. [6] La turbina expande rápidamente nitrógeno líquido que se rocía en la sección de alta presión de la turbina, y el gas en expansión se combina con el aire presurizado entrante para producir una corriente de gas de alta velocidad que se expulsa desde la parte posterior de la turbina. 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, [7] sin embargo, puede ser posible una mayor potencia.
Ciclo de Carnot
Aunque el nitrógeno líquido es más frío que la temperatura ambiente, el motor de nitrógeno líquido es, no obstante, un ejemplo de motor térmico . Un motor térmico funciona extrayendo energía térmica de la diferencia de temperatura entre un depósito caliente y uno frío; en el caso del motor de nitrógeno líquido, el depósito "caliente" es el aire del entorno ("temperatura ambiente"), que se utiliza para hervir el nitrógeno.
Como tal, el motor de nitrógeno extrae energía de la energía térmica del aire, y la eficiencia de conversión con la que convierte la energía se puede calcular a partir de las leyes de la termodinámica utilizando la ecuación de eficiencia de Carnot , que se aplica a todos los motores térmicos.
Tanques
Los tanques para almacenar el nitrógeno líquido deben diseñarse de acuerdo con las normas de seguridad adecuadas para un recipiente a presión , como la norma ISO 11439 . [8]
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 generalmente 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 se presurizan a menos de 25 psi para ayudar a transferir el líquido en el punto de uso.
Vehículos de nitrógeno líquido
Un vehículo propulsado por nitrógeno líquido, el Liquid Air , se demostró en 1902.
En junio de 2016 comenzarán las pruebas en Londres, Reino Unido, en la flota de vehículos de entrega 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. Actualmente, los camiones de reparto tienen en su mayoría segundos motores diésel más pequeños para potenciar la refrigeración cuando el motor principal está apagado. [9]
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 desde el tubo de escape del vehículo hasta 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 tratar las emisiones de vehículos muy dispersos.
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 de nitrógeno líquido finalmente se alimentarían a través de la red eléctrica, lo que hace que sea más fácil concentrarse en reducir la contaminación de una fuente, en lugar de los millones de vehículos en la carretera.
- No se requeriría el transporte del combustible debido a la extracción de energía de la red eléctrica. Esto presenta importantes beneficios de costos. Se eliminaría la contaminación creada durante el transporte de combustible.
- Menores costos de mantenimiento.
- Los tanques de nitrógeno líquido se pueden eliminar 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.
- Es posible que el tanque se pueda rellenar con más frecuencia y en menos tiempo del que se pueden recargar las baterías, con tasas de recarga comparables a las de los combustibles líquidos.
- Puede funcionar como parte de un tren motriz de ciclo combinado junto con un motor de gasolina o diésel, utilizando el calor residual de uno para hacer funcionar el otro en un sistema turbocompuesto . 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 el nitrógeno, que a su vez proporciona la energía para hacer funcionar el motor. Cualquier conversión de energía tiene pérdidas. Para los automóviles de nitrógeno líquido, la energía eléctrica se pierde durante el proceso de licuefacción del nitrógeno.
El nitrógeno líquido no está disponible en las estaciones de servicio públicas; 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.
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 . [10] Actualmente, el nitrógeno líquido excedente se produce como subproducto en la producción de oxígeno líquido . [4]
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 reserva de energía tiene una densidad energética baja. Los combustibles de hidrocarburos líquidos, en comparación, tienen una alta densidad energética. Una alta densidad energética hace que la logística de transporte y almacenamiento sea más cómoda. La comodidad es un factor importante en la aceptación del consumidor. El almacenamiento conveniente de combustibles derivados del petróleo combinado con su bajo costo ha llevado a un éxito sin igual. 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 teóricamente puede obtenerse a partir del nitrógeno líquido a presión atmosférica y a una temperatura ambiente de 27 ° C, es de aproximadamente 213 vatios-hora por kilogramo (W · h / kg). , mientras que normalmente sólo se pueden alcanzar 97 W · h / kg en circunstancias realistas. Esto se compara con 100–250 W · h / kg para una batería de iones de litio y 3000 W · h / kg para un motor de combustión de gasolina que funciona con una eficiencia térmica del 28%, 14 veces la densidad del nitrógeno líquido utilizado en la eficiencia de Carnot. [11]
Para que un motor de expansión isotérmica tenga una autonomía comparable a la de un motor de combustión interna, se requiere un recipiente de almacenamiento a bordo aislado de 350 litros (92 gal EE.UU.). [11] Un volumen práctico, pero un aumento notable con respecto al 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 un funcionamiento sin escarcha. Sin embargo, no existen casos comercialmente prácticos de uso de nitrógeno líquido para la 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 utilizar varios fluidos de trabajo. Esto agrega ciclos de cobertura para garantizar que el intercambiador de calor no caiga por debajo del punto de congelación. Se necesitarían intercambiadores de calor adicionales, peso, complejidad, pérdida de eficiencia y gastos para permitir un funcionamiento sin escarcha. [11]
Seguridad
No importa cuán eficiente sea el aislamiento del tanque de combustible de nitrógeno, inevitablemente habrá pérdidas por evaporación a la atmósfera. Si un vehículo se almacena en un espacio mal ventilado, existe cierto riesgo de que una fuga de nitrógeno reduzca la concentración de oxígeno en el aire y cause asfixia . Dado que el nitrógeno es un gas incoloro e inodoro que ya constituye el 78 por ciento 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 N2 líquido es más frío que 90,2 K, 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. [12]
Dado que la relación de expansión de líquido a gas de esta sustancia es 1: 694, se puede generar una enorme cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza rápidamente. En un incidente en 2006 en la Universidad de Texas A&M , 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. [13]
Ver también
- Almacen de energia
- Almacenamiento de energía criogénica
- Desarrollo energético futuro
- Vehículo de emisiones ultrabajas
Otras lecturas
- CA Ordonez, MC Plummer, RF Reidy "Motores de calor criogénicos para impulsar vehículos de emisión cero" , Actas del Congreso y Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica de ASME 2001, 11 al 16 de noviembre de 2001, Nueva York, NY.
- Kleppe JA, Schneider RN, “A Nitrogen Economy”, Winter Meeting ASEE, Honolulu, HI, diciembre de 1974.
- Gordon J. Van Wylen y Richard F. Sontag, Fundamentos de la termodinámica clásica SI Versión 2ª ed.
Referencias
- ^ Balmer, Robert T. (2011). "14.15 Refrigeración con ciclo de Stirling inverso" . Termodinámica de ingeniería moderna . Prensa académica . ISBN 978-0-12-374996-3.
- ^ "Nuestra Historia" .
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 3 de febrero de 2013 . Consultado el 11 de febrero de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) Refrigeración comercial del motor Stirling
- ^ a b Raili Leino (22 de octubre de 2012). "Idea de Mullistava: Tulevaisuuden auto voi kulkea typpimoottorilla" . Tekniikka & Talous (en finlandés). Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2013 . Consultado el 22 de octubre de 2012 .
- ^ "La Tecnología" . Dearman Engine Company. 2012. Archivado desde el original el 22 de octubre de 2012 .
- ^ Reyes, De Reyes, Edward (25 de junio de 2013), Motor de nitrógeno líquido , consultado el 18 de noviembre de 2016
- ^ "Turbina LN2 - Energía limpia y verde" . www.nitroturbodyne.com . Consultado el 18 de noviembre de 2016 .
- ^ "ISO 11439: 2000" . ISO .
- ^ "Sainsbury's prueba la tecnología de refrigeración líder mundial de Dearman" . Innovate Reino Unido.
- ^ J. Franz, CA Ordonez, A. Carlos, Motores de calor criogénicos fabricados con condensadores electrocalóricos , American Physical Society, Reunión de otoño de la sección de Texas, 4 al 6 de octubre de 2001 Fort Worth, Texas ID de la reunión: TSF01, resumen # EC.009, 10/2001. Código bibliográfico : 2001APS..TSF.EC009F
- ^ a b c Knowlen, C .; Mattick, AT; Bruckner, AP; Hertzberg, A. (11 de agosto de 1998). "Sistemas de conversión de energía de alta eficiencia para automóviles de nitrógeno líquido" (PDF) . Sociedad de Ingenieros Automotrices . Serie de documentos técnicos SAE. Warrendale, Pensilvania. 1 . doi : 10.4271 / 981898 . Archivado desde el original (PDF) el 24 de abril de 2003, a través de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Washington .
- ^ Werley, Barry L. (Edtr.) (1991). "Riesgos de incendio en sistemas de oxígeno". Capacitación técnica profesional de ASTM. Filadelfia: Subcomité G-4.05 de ASTM International.
- ^ Brent S. Mattox. "Informe de investigación sobre la explosión del cilindro de química 301A" (PDF) . Universidad de Texas A&M . Archivado desde el original (reimpresión) el 31 de octubre de 2008.
enlaces externos
- Video de un automóvil impulsado por aire líquido , incrustado en el informe de BBC News (el automóvil aparece a 0m 52s).
- LN2 Vehicle 1 , un automóvil propulsado por nitrógeno líquido que utiliza un motor térmico criogénico en la Universidad del Norte de Texas.
- Discusión sobre la viabilidad del vehículo LN2 en Cómo funcionan las cosas
- Propiedades termodinámicas de varios combustibles (datos tabulados).