Motor de nitrógeno líquido

Aunque el nitrógeno líquido está 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 ambiente (a temperatura ambiente), que se utiliza para hervir el nitrógeno.

De este modo, el motor de nitrógeno extrae energía de la energía térmica del aire, y la eficiencia de conversión con la que transforma 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 nitrógeno líquido deben diseñarse según las normas de seguridad apropiadas para un ^recipiente a presión , como la ISO 11439. ^{[ 8} ]

El tanque de almacenamiento puede estar hecho de:

• acero
• aluminio
• fibra de carbono
• 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 metálicos pueden soportar un gran número de ciclos de presión, pero deben revisarse periódicamente para detectar corrosión. El nitrógeno líquido (LN2) se transporta habitualmente en tanques aislados de hasta 50 litros, a presión atmosférica. Estos tanques, al no estar presurizados, no están sujetos a inspección. En ocasiones, los tanques de LN2 de gran tamaño se presurizan a menos de 25 psi para facilitar la transferencia del líquido en el punto de uso.

Al igual que otras tecnologías de almacenamiento de energía sin combustión, un vehículo que utiliza nitrógeno líquido traslada la fuente de emisiones del tubo de escape a la central eléctrica. Cuando se dispone de fuentes libres de emisiones, se puede reducir la producción neta de contaminantes. Las medidas de control de emisiones en una central eléctrica pueden ser más eficaces y menos costosas que el tratamiento de las emisiones de vehículos dispersos en un amplio territorio.

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 sobre otros vehículos incluyen:

• Al igual que los vehículos eléctricos, los vehículos de nitrógeno líquido acabarían funcionando a través de la red eléctrica, lo que facilita centrarse en la reducción de la contaminación procedente de una sola fuente, en lugar de los millones de vehículos que circulan por las carreteras.
• No sería necesario transportar el combustible, ya que se obtendría energía de la red eléctrica. Esto supone importantes ventajas económicas. Además, se eliminaría la contaminación generada durante el transporte del combustible.
• Menores costos de mantenimiento
• Los tanques de nitrógeno líquido se pueden desechar o reciclar con menos contaminación que las baterías.
• Los vehículos que utilizan nitrógeno líquido no presentan los problemas de degradación asociados a los sistemas de baterías actuales.
• Es posible que el depósito se pueda rellenar con mayor frecuencia y en menos tiempo que la recarga de las baterías, con tasas de repostaje comparables a las de los combustibles líquidos.
• Puede funcionar como parte de un sistema de propulsión de ciclo combinado junto con un motor de gasolina o diésel, utilizando el calor residual de uno para alimentar al otro en un sistema turbocompuesto . Incluso puede funcionar como un sistema híbrido.

La principal desventaja es el uso ineficiente de la energía primaria. Se utiliza energía para licuar el nitrógeno, que a su vez proporciona la energía necesaria para el funcionamiento del motor. Toda conversión de energía conlleva pérdidas. En los vehículos que utilizan nitrógeno líquido, se pierde energía eléctrica durante el proceso de licuefacción del nitrógeno.

El nitrógeno líquido no está disponible en las estaciones de servicio públicas; sin embargo, la mayoría de los proveedores de gases para soldadura cuentan con sistemas de distribución, 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 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 ]}

Cualquier proceso que dependa de un cambio de fase de una sustancia tendrá densidades energéticas mucho menores que los procesos que implican una reacción química en una sustancia, los cuales, a su vez, tienen densidades energéticas menores que las reacciones nucleares. El nitrógeno líquido como almacenamiento de energía tiene una baja densidad energética. Los combustibles de hidrocarburos líquidos, en comparación, tienen una alta densidad energética. Una alta densidad energética facilita la logística de transporte y almacenamiento. La conveniencia es un factor importante en la aceptación del consumidor. El almacenamiento conveniente de combustibles derivados del petróleo, combinado con su bajo costo, ha dado lugar a un éxito sin precedentes. 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 del nitrógeno líquido a presión atmosférica y  una temperatura ambiente de 27 °C es de aproximadamente 213 vatios-hora por kilogramo (W·h/kg), mientras que en circunstancias reales solo se alcanzan unos 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 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 depósito de almacenamiento a bordo aislado de 350 litros (92 galones estadounidenses ). ^{[ 11 ]} Un volumen práctico, pero que supone un aumento considerable respecto al depósito de gasolina típico de 50 litros (13 galones estadounidenses ) . La incorporación de ciclos de potencia más complejos reduciría este requisito y facilitaría el funcionamiento sin riesgo de congelación. Sin embargo, no existen casos comercialmente viables del 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 dicho fluido. En un ambiente húmedo, la formación de escarcha impide el flujo de calor, lo que representa un desafío de ingeniería. Para evitar la acumulación de escarcha, se pueden utilizar varios fluidos de trabajo. Esto implica ciclos de reposición para asegurar que el intercambiador de calor no descienda por debajo del punto de congelación. Sin embargo, para lograr un funcionamiento sin escarcha se requerirían intercambiadores de calor adicionales, mayor peso, complejidad, pérdida de eficiencia y un mayor costo. ^{[ 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 guarda 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 % del aire, sería difícil detectar tal cambio.

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

Como el nitrógeno líquido está a una temperatura inferior a 90,2 K, el oxígeno de la atmósfera puede condensarse. El oxígeno líquido puede reaccionar de forma espontánea y violenta con compuestos orgánicos, incluidos productos derivados del petróleo como el asfalto. ^{[ 12 ]}

Dado que la relación de expansión líquido-gas de esta sustancia es de 1:694, se puede generar una fuerza tremenda si el nitrógeno líquido se vaporiza rápidamente. En un incidente ocurrido en 2006 en la Universidad de 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 ]}