Un motor 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 hacer funcionar un motor de pistón o rotatorio. 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 con nitrógeno líquido también se puede incorporar en sistemas híbridos, por ejemplo, propulsión eléctrica con baterías y tanques de combustible para recargar las baterías. Este tipo de sistema se denomina propulsión híbrida con nitrógeno líquido y electricidad. Además, también se puede utilizar el frenado regenerativo junto con este sistema.
Una ventaja del vehículo con 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 necesita energía para licuar el nitrógeno en primer lugar, pero ese proceso de licuefacción puede realizarse a distancia del funcionamiento del vehículo y, en principio, podría ser alimentado por una fuente de energía renovable o limpia .
El nitrógeno líquido se genera mediante refrigeradores criogénicos o de motor Stirling inverso [1] [2] [3] que licúan el componente principal del aire, el nitrógeno (N 2 ). El refrigerador puede funcionar con electricidad o mediante trabajo mecánico directo de turbinas hidroeléctricas o eólicas . El nitrógeno líquido se distribuye y almacena en contenedores aislados . El aislamiento reduce el flujo de calor hacia el nitrógeno almacenado; esto es necesario porque el calor del entorno circundante hierve el líquido, que luego pasa a un estado gaseoso. La reducción del calor entrante 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 temperatura ambiente.
El consumo de nitrógeno líquido es, en esencia, una 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 es, en efecto, hervir y devolver 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 los Estados Unidos otorgó una patente a un motor de turbina alimentado con nitrógeno líquido. [6] La turbina expande instantáneamente el 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. 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, es posible que se alcance una mayor potencia.
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.
Los tanques para almacenar el nitrógeno líquido deben estar diseñados según estándares de seguridad apropiados para un recipiente a presión , como la ISO 11439. [8]
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El tanque de almacenamiento puede estar hecho de:
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, de 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 facilitar la transferencia del líquido en el punto de uso.
En 1902 se presentó un vehículo propulsado por nitrógeno líquido, el Liquid Air .
En junio de 2016, comenzarán en Londres [ ¿plazo? ] , Reino Unido, las pruebas en la flota de vehículos de reparto de alimentos del supermercado J. Sainsbury's: se utilizará un motor de nitrógeno Dearman para proporcionar energía para enfriar la carga de alimentos cuando el vehículo esté parado y el motor principal esté apagado. Actualmente, los camiones de reparto en su mayoría tienen segundos motores diésel más pequeños para alimentar la refrigeración cuando el motor principal está apagado. [9]
Al igual que otras tecnologías de almacenamiento de energía sin combustión, un vehículo con nitrógeno líquido desplaza la fuente de emisión desde el tubo de escape del vehículo hasta la planta generadora 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 eficaces y menos costosas que el tratamiento de las emisiones de vehículos ampliamente dispersos.
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 posibles ventajas con respecto a otros vehículos incluyen:
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. 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 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.
La producción de nitrógeno líquido es un proceso que consume mucha energía. Actualmente, las plantas de refrigeración que producen unas pocas toneladas/día de nitrógeno líquido funcionan con una eficiencia de Carnot de alrededor del 50 % . [10] Actualmente, el nitrógeno líquido excedente se produce como subproducto en la producción de oxígeno líquido . [4]
Cualquier proceso que dependa de un cambio de fase de una sustancia tendrá densidades energéticas mucho más bajas que los procesos que implican una reacción química en una sustancia, que a su vez tienen densidades energéticas más bajas que las reacciones nucleares. El nitrógeno líquido como almacén de energía tiene una densidad energética baja. Los combustibles de hidrocarburos líquidos, en comparación, tienen una densidad energética alta. Una alta densidad energética hace que la logística de transporte y almacenamiento sea más conveniente. La conveniencia es un factor importante en la aceptación del consumidor. El almacenamiento conveniente de los combustibles derivados del petróleo combinado con su bajo costo ha llevado a un éxito inigualable. Además, un combustible derivado del petróleo es una fuente de energía primaria , no solo un medio de almacenamiento y transporte de energía.
La densidad energética (derivada del calor isobárico de vaporización del nitrógeno y del calor específico en estado gaseoso) que teóricamente se puede obtener a partir del nitrógeno líquido a presión atmosférica y una temperatura ambiente de 27 °C es de unos 213 vatios-hora por kilogramo (W·h/kg), mientras que en circunstancias reales normalmente solo se pueden conseguir 97 W·h/kg. Esto se compara con los 100–250 W·h/kg de una batería de iones de litio y los 3000 W·h/kg de un motor de combustión de gasolina que funciona con una eficiencia térmica del 28 % , 14 veces la densidad del nitrógeno líquido utilizado con 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 necesita un recipiente de almacenamiento a bordo aislado de 350 litros (92 galones estadounidenses). [11] Se trata de 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 potencia más complejos reduciría este requisito y ayudaría a permitir un funcionamiento sin escarcha. Sin embargo, no existen ejemplos comercialmente prácticos de uso de nitrógeno líquido para la propulsión de vehículos.
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 entorno húmedo, la formación de escarcha impedirá el flujo de calor y, por lo tanto, representa un desafío de ingeniería. Para evitar la acumulación de escarcha, se pueden utilizar múltiples fluidos de trabajo. Esto agrega ciclos de cobertura para garantizar que el intercambiador de calor no caiga por debajo del punto de congelación. Se requerirían intercambiadores de calor adicionales, peso, complejidad, pérdida de eficiencia y gastos para permitir el funcionamiento sin escarcha. [11]
Por muy eficiente que sea el aislamiento del depósito de nitrógeno, inevitablemente se producirán pérdidas por evaporación a la atmósfera. Si un vehículo se almacena en un espacio mal ventilado, existe el riesgo de que una fuga de nitrógeno reduzca la concentración de oxígeno en el aire y provoque asfixia . Dado que el nitrógeno es un gas incoloro e inodoro que ya constituye el 78 por ciento del aire, un cambio de este tipo sería difícil de detectar.
Los líquidos criogénicos son peligrosos si se derraman. El nitrógeno líquido puede provocar congelación y hacer que algunos materiales se vuelvan extremadamente frágiles.
Como el nitrógeno líquido es más frío que 90,2 K, el oxígeno de la atmósfera puede condensarse. El oxígeno líquido puede reaccionar espontánea y violentamente con sustancias químicas orgánicas, incluidos productos derivados del petróleo como el asfalto. [12]
Como la relación de expansión de líquido a gas de esta sustancia es de 1:694, se puede generar una enorme cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza rápidamente. En un incidente ocurrido en 2006 en la Universidad Texas A&M , los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido estaban sellados con tapones de latón. Como resultado, el tanque falló catastróficamente y explotó. [13]
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