Economie de azot lichid

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

O economie de azot lichid , sau mai bine zis o economie bazată pe utilizarea azotului lichid (în engleză liquid nitrogen (LN 2 ) economy ) este o propunere ipotetică pentru o parte a economiei prezente / viitoare, care prevede că una dintre formele primare de stocarea și transportul energiei au loc sub formă de azot lichid. Pe scară mică există deja și este plauzibil ca (datorită utilizării comune a temperaturilor scăzute) să se alăture economiei hidrogenului , ca mijloc de transport al energiei, destinat unor utilizări în care este deosebit de avantajos.

A fost propus ca alternativă la hidrogenul lichid în unele modele de transport și ca metodă de acumulare a energiei „negative” (scăderea cineticii moleculelor) captată ca energie „pozitivă” din resurse regenerabile . O analiză aprofundată a acestui concept oferă multe informații despre limitele fizice ale tuturor schemelor de conversie a energiei .

Descriere și utilizări

Utilizare în criogenie

Azotul lichid este utilizat în prezent în criogenie , de exemplu pentru răcirea magneților supraconductori în echipamentele de rezonanță magnetică nucleară , în cele mai sofisticate tipuri de senzori infraroșii , în trenurile de levitație magnetică maglev , în microcipurile de computer care exploatează efectul Josephson. , Și poate în viitor în magneții supraconductori ai reactoarelor tokamak , destinate fuziunii nucleare . S-a propus, de asemenea, utilizarea azotului lichid pentru răcirea plăcilor ceramice supraconductoare și astfel construirea liniilor electrice lungi de mii de kilometri, care de exemplu ar transporta azot lichid și electricitate (fără nicio rezistență) pe mii de kilometri, de la reactoarele nucleare în arctică, până în orașe din nord, precum Chicago sau New York .

În medicină , frigul este utilizat în prezent direct în crioconservarea celulelor precum spermatozoizii și ouăle pentru inseminarea artificială sau pentru fertilizarea in vitro . Odată cu întârzierea progresivă a sarcinilor, răspândirea bolilor de cancer care necesită adesea terapii sterilizante și unele tehnici de fertilizare aplicate femeilor de șaizeci de ani, este posibil ca mulți oameni să-și păstreze gametii (sau embrionii ) timp de decenii, înainte de a începe sarcina. . Unii oameni din Arizona , după moarte (sau își încheie existența ca suferind de boli incurabile), au capul sau corpul întreg înghețat, cu speranța îndepărtată, într-un viitor super-tehnologic , de a fi „dezghețat” cu tehnici futuriste, tratate adecvat și ulterior reanimat și readus la o nouă viață sănătoasă. Nu există niciun indiciu dacă aceste încercări vor avea succes.

În câmpul aerospațial, azotul lichid este utilizat de NASA ca mijloc de concentrare și stocare a frigului , într-un mod sigur, pentru perioade lungi, care vor fi utilizate (după electroliza apei) pentru a aduce oxigenul și apa la temperatura de lichefiere. hidrogen utilizat în propulsia rachetelor precum naveta spațială . O creștere a utilizării acestor combustibili și / sau a combustibilului refrigerat de oxigen ar duce inevitabil la o creștere a consumului de azot lichid. Utilizarea azotului lichid în acest rol de către NASA a produs deja victime ale asfixierii, deoarece un rezervor de N 2 s-a spart pe pământ și din moment ce este un gaz complet inodor, tehnicienii aflați în apropiere au respirat brusc o atmosferă cu o procentaj scăzut și conținut absolut de oxigen (deoarece la aceste temperaturi o parte din oxigen se condensează ca lichid pe sol), comparabilă în presiunile absolute de O 2 cu cea din vârful Everestului . [1] [2] [3] [4]

În industria sacrificării , carnea ar putea fi conservată, chiar și pentru mulți ani, ceea ce permite menținerea prețurilor stabile mulți ani (prin scoaterea cărnii de pe piețe în perioadele de consum redus și plasarea acesteia în vârfuri) sau pentru a crea rezerve strategice pentru a fi utilizate pe parcursul cursului.de războaie sau catastrofe.

Utilizare în ingineria mediului

Pe vremea Uniunii Sovietice , s-a descoperit că prin nebulizarea azotului lichid în atmosfera inferioară, se poate precipita ceața prin condensarea sau înghețarea vaporilor de apă sau a picăturilor microscopice de apă din ceață. Acest lucru a permis, în zilele fără vânt, să mențină aeroporturile militare deschise, creând o zonă fără ceață în jurul lor. [5]

În prezent, aceeași tehnică poate fi utilizată pentru a crea zone de subțire a ceații, în corespondență cu aeroporturile, nodurile de pe autostrăzi sau monumentele importante. Ca efect dăunător, ar exista o ușoară scădere a temperaturii în imediata apropiere. În 1998 , de-a lungul autostrăzii Trieste-Veneția , rușii au făcut o demonstrație a acestei proceduri.

Alte utilizări posibile ale azotului lichid se referă la inducerea ploii (prin pulverizarea norilor cu azot lichid) sau devierea uraganelor (nebulizarea acestuia în zonele marine), scăderea temperaturii și, prin urmare, a presiunii, care ar duce la perturbarea perturbării spre zona cu cea mai mică presiune, de exemplu, departe de continent.

Utilizare în transport

În prezent, majoritatea vehiculelor rutiere sunt alimentate de motorul cu ardere internă care arde combustibilul fosil . Dacă presupunem că transportul rutier trebuie să fie durabil pe termen foarte lung, combustibilii actuali trebuie înlocuiți cu altceva care este produs din energii regenerabile . Înlocuitorul nu trebuie să fie o sursă de energie „tout court”; ci mai degrabă un mijloc de transfer și concentrare a energiei, comparabil cu un fel de „monedă energetică”.

Azotul lichid la temperatură scăzută, trecând dintr-un tub mic într-un tub de expansiune și absorbind căldura externă a mediului într-o rețea ventilată, crește presiunea acestuia enorm și poate deplasa o turbină conectată la un generator electric , care furnizează curent electric. motoare care propulsează roțile. Diverse turbine puse în serie pot dezvolta curentul din diverse salturi de temperatură și presiune și, în cele din urmă, emisiile sunt formate din azot la temperatură scăzută, o componentă a aerului la 78% și, prin urmare, gradul de poluare este zero (chiar dacă nu este recomandabil să respirați direct din aceste țevi de eșapament reci, deoarece riscați să leșinați și asfixiați).

În prezent, utilizând principii similare, au fost construite mai multe prototipuri de motoare cu aer comprimat , care în practică preiau căldura din mediul înconjurător și o transformă în energie cinetică. Aceste motoare se blochează adesea din cauza frigului excesiv, iar condensul de pe gazele de evacuare îngheață, chiar dacă rezervoarele lor (în Kevlar ) conțin aer comprimat la temperaturi egale sau mai mari decât cele din mediul înconjurător. De fapt, aerul este alcătuit din 78% azot molecular.

Se utilizează la distilarea apei de mare prin condensare

Luând apa de mare relativ fierbinte (20-40 ° C) prezentă în golfurile și lagunele atolilor tropicali, încălzind-o în continuare cu oglinzi parabolice sau arzătoare de gaz la aproximativ 60-80 ° C și apoi evaporându-l într-un recipient etanș la apă. la presiune scăzută (la aproximativ 70-80% din presiunea atmosferică), poate fi condensat într-un recipient ulterior la aproximativ 5-10 ° C, răcit într-un recipient coaxial cu un lichid de lucru netoxic (cum ar fi etanolul ) și cu un punct de topire scăzut, care la rândul său este răcit prin trecerea în jurul unui rezervor de azot lichid. Prin conectarea rezervorului de evaporare la rezervorul de condensare cu o conductă mare echipată cu turbine de aer de joasă presiune, este posibilă și generarea de energie electrică.

În rezervorul de evaporare, concentrația de sare va crește considerabil și, prin urmare, va fi necesar să goliți periodic recipientul. Apa fierbinte reziduală obținută, cu o concentrație mare de sare, poate fi plasată în bazine deschise de unde, după un timp, sarea de mare obișnuită de gătit (NaCl) va fi obținută prin evaporare. Lichidul de lucru (de exemplu, etanolul), intrând în contact cu apa de mare, este adus la temperaturi în jur de 20-25 ° C, care pot fi utile pentru aerul condiționat.

Producția de azot (din aer)

Azotul lichid este generat de congelatoare și condensatoare criogenice sau prin compresie obținută de la un motor refrigerat Stirling , aducând aerul comun la presiuni și temperaturi care pot induce schimbarea fazei , în stare lichidă , componenta principală a aerului, azotul (N 2 , egal cu 78% din aerul pe care îl respirăm). Aceste sisteme de răcire pot fi alimentate cu energie regenerabilă generând electricitate sau prin exploatarea directă a lucrărilor mecanice (cu motorul Stirling) obținute de la turbine eoliene sau turbine cu apă , de preferință situate în climă rece .

Azotul lichid este produs și depozitat în recipiente izolate speciale : izolația, minimizând fluxul de căldură către interiorul recipientului, reduce pierderile de azot datorate evaporării și transformării în gaz. Cerințele de depozitare împiedică distribuirea azotului prin conducte: ar fi neeconomic să se mențină întreaga conductă la temperatura necesară.

Folosind motorul Stirling în sens invers

Consumul de azot lichid nu ar fi altceva decât inversul producției sale: același motor Stirling care a făcut ca lichidul de azot să-l transforme în gaz, recuperând energia cheltuită în procesul de lichefiere și asigurând o sursă de energie pentru autovehicule și electrice. generatoare. De asemenea, ar fi posibil să se utilizeze azot lichid direct ca agent frigorific pentru frigidere și aparate de aer condiționat, permițând apoi azotului gaz rezultat să se întoarcă în atmosfera din care a fost extras.

Argumente politice

Posibilitatea de a face motoarele termice actuale adaptabile la azot lichid și realizarea diferitelor mijloace de producție ar putea duce probabil la diversificare, localizare și stabilitate a pieței energiei. [ fără sursă ]

Un potențial pentru diversificarea energiei include economia hidrogenului , fotovoltaica și alternative la biocombustibili.

Dependența de economia petrolului Arhivat 6 decembrie 2011 la Internet Archive . are o influență globală dramatică. Rezervele de petrol, puțurile și câmpurile petroliere sunt „ active ” autentice ale puterii politice și monetare actuale, care guvernează și monopolizează informațiile. Mai mult, conform teoriei de vârf a petrolului , până în 2015 consumul de petrol va depăși capacitatea maximă de producție, ducând la o creștere suplimentară a prețurilor.

În prezent, investițiile economice mari și eforturile politice și militare considerabile vizează asigurarea stabilității pe termen lung a aprovizionării cu cărbune, petrol și gaze, iar această nevoie imperioasă modelează politicile și acțiunile militare ale multor țări, la care pentru a asigura aprovizionarea cu energie renunță adesea lupta pentru drepturile omului .

Din punct de vedere al mediului, impactul generat de dioxidul de carbon produs de combustibilii fosili este (împreună cu defrișările ) una dintre principalele cauze ale efectului de seră . Alte daune colaterale produse de combustibilii fosili sunt ploile acide , devastarea peisajului , poluarea acviferului și a mării. Este vital să găsim alternative la combustibilii fosili, care să permită stocarea și transportul de energie pe distanțe mari.

Critici

Această abordare a fost criticată pe baza următoarelor aspecte, care alternativ pot fi considerate ca provocări inginerești care trebuie depășite.

Cost de productie

Producția de azot lichid este un proces care consumă multă energie. În prezent, sistemele practice de refrigerare produc câteva tone pe zi de azot lichid și funcționează cu aproximativ 50% din eficiența Carnot [6] .

Densitatea energetică a azotului lichid

Orice proces care se bazează pe o schimbare de fază a unei substanțe va avea densități energetice mai mici decât procesele care implică o reacție chimică într-o substanță, care la rândul său are densități energetice mai mici decât reacțiile nucleare. Azotul lichid ca mediu de stocare a energiei are o densitate redusă a energiei. În comparație, hidrocarburile lichide au o densitate energetică mai mare. O densitate ridicată a energiei face logistica de transport și stocare mai convenabilă, o particularitate care rămâne fundamentală pentru a induce acceptarea de către consumatori. Ușurința de depozitare a combustibililor petrolieri, împreună cu o istorie medie a costurilor mici (dacă nu sunt impozitate) au dus la succesul lor incontestabil. În plus, combustibilii petrolieri sunt o sursă primară de energie, nu doar un mijloc (cum ar fi hidrogenul sau azotul) de stocare și transport al energiei.

Densitate redusă de energie: 213 Wh / Kg

Densitatea maximă de energie care poate fi obținută cu azot lichid la presiunea atmosferică este de 213 wați-oră pe kilogram (Wh / Kg). Aceasta este mult mai mică decât cei 3.000 Wh / kg obținuți cu cele mai moderne tipuri de motoare cu combustie internă pe benzină , care funcționează la 28% eficiență termică, egală cu 14 ori densitatea azotului lichid utilizat la rata de eficiență Carnot. [7] .

Pentru ca un motor de expansiune izotermă să aibă o autonomie egală cu cea a unei mașini cu motor cu ardere internă, este necesar să aveți la bord un container Dewar de 350 litri. Trebuie adăugat că recipientul trebuie să aibă izolație groasă. Un volum nu imposibil de transportat, dar totuși o creștere semnificativă comparativ cu rezervorul tipic de benzină de 50 de litri. Adăugarea de cicluri de alimentare mai complexe (schimbătoare de căldură cu alt tip de fluid de lucru și rezervoare multiple de rezervoare) ar putea reduce necesitatea unei izolații groase și ar putea permite funcționarea acestuia, prevenind în același timp crustele de gheață. Cu toate acestea, până în prezent nu există un model practic de vehicul sau de componente destinate propulsiei vehiculelor prin intermediul rezervoarelor de azot lichid și a motoarelor Stirling cu expansiune izotermă.

Motorul Stirling extrage căldura din aerul înconjurător

O altă caracteristică a acestui motor este că, pentru a funcționa eficient, acesta trebuie încălzit constant de aerisirea aerului și, prin urmare, trebuie să aibă un ventilator mare. Vehiculul va avea probleme majore atunci când staționează în locuri închise și reci, ceea ce ar putea duce la o scădere semnificativă a temperaturii motorului, deteriorându-l (chiar dacă fricțiunea internă ar trebui să o încălzească). Practic, acest motor „extrage” energia termică din mediul înconjurător și, prin urmare, va fi aproape imposibil să ai încălzire în habitaclu, cu excepția cazului în care ai și baterii și rezistențe electrice. În concluzie: utilizarea mașinilor cu azot lichid este neverosimilă în climă rece sau temperată.

Crustă de gheață

Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, utilizarea expansiunii unui fluid criogen face necesară utilizarea schimbătorilor de căldură pentru încălzirea și răcirea fluidului de lucru. În mediile umede, formarea gheții va împiedica fluxul de căldură și va prezenta o provocare tehnică. Pentru a preveni crustarea gheții, ar putea fi utilizată o „cascadă” de fluide de lucru. Acest lucru adaugă cicluri de topping pentru a se asigura că schimbătorul de căldură final în contact cu aerul atmosferic nu este prea fierbinte sub punctul de îngheț. Schimbătoarele de căldură suplimentare adaugă greutate, complexitate, pierderi de eficiență și costuri de construcție și funcționare (completarea lichidelor) și pot să nu fie pe deplin eficiente în asigurarea funcționării fără gheață în climă mai rece [7] .

Notă

  1. ^ NASA - 1981 KSC Chronology Partea 1 - paginile 84, 85, 100; Partea 2 - paginile 181, 194, 195, Arhivat la 5 iunie 2001 la Internet Archive .
  2. ^ Sam Kean, The Disappearing Spoon (2010), p. 188
  3. ^ "One Dead In Shuttle Accident" , Spartanburg, SC - Herald-Journal Newspaper , 20 martie 1981
  4. ^ Cum să nu o facă rezervoare de azot Liqui. Arhivării 11 iunie 2010 la Internet Archive .
  5. ^ http://www.wdcb.ru/NGC/IAMAS.html
  6. ^ J. Franz, CA Ordonez, A. Carlos, Motoare de căldură criogenice fabricate cu condensatori electrocalorici , Societatea Americană de Fizică, Întâlnirea de toamnă a secțiunii Texas, 4-6 octombrie 2001 Fort Worth, Texas ID întâlnire: TSF01, rezumat # EC.009, 10/2001.
  7. ^ a b C. Knowlen, AT Mattick, AP Bruckner și A. Hertzberg, "Sisteme de conversie de înaltă eficiență pentru automobile cu azot lichid" Arhivat 17 decembrie 2008 la Internet Archive ., Society of Automotive Engineers Inc, 1988.

Bibliografie

  • CA Ordonez, MC Plummer, RF Reidy "Motoare de căldură criogenice pentru alimentarea vehiculelor cu emisii zero" , lucrările Congresului și expoziției internaționale ASME din 2001, 11-16 noiembrie 2001, New York, NY.
  • Kleppe JA, Schneider RN, „A Nitrogen Economy”, Winter Meeting ASEE, Honolulu, HI, decembrie 1974.
  • Gordon J. Van Wylan și Richard F. Sontag, Fundamentals of Thermodynamics Classical SI Version 2nd Ed.

Elemente conexe

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Economia_ad_azoto_liquido&oldid=117459146 ”