液体窒素エンジン

液体窒素エンジンは、タンクに貯蔵された液体窒素を動力源とします。従来の窒素エンジンの設計は、熱交換器で液体窒素を加熱し、周囲の空気から熱を抽出して得られた加圧ガスでピストンまたは回転モーターを駆動することで機能します。液体窒素で推進する車両は実証されていますが、商業的には利用されていません。そのような車両の一つである「液体空気」は、1902年に実証されました。

液体窒素推進は、バッテリー電気推進とバッテリー充電用の燃料タンクを備えたハイブリッドシステムにも組み込まれることがあります。このようなシステムは、液体窒素電気ハイブリッド推進と呼ばれます。さらに、このシステムでは回生ブレーキも併用できます。

液体窒素車両の利点の一つは、排気ガスが空気の成分である窒素のみであるため、排気管からの排出ガスによる局所的な大気汚染が発生しないことです。窒素を液化するためにエネルギーが必要となるため、これは完全に無公害というわけではありませんが、液化プロセスは車両の運転とは無関係に行うことができ、原理的には再生可能エネルギーまたはクリーンエネルギー源で駆動することが可能です。

説明

液体窒素は、空気の主成分である窒素（N2 ）を液化する極低温冷却器または逆スターリングエンジン[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]冷却器によって生成されます。冷却器は、電気または水力タービンや 風力タービンからの直接の機械的作業によって駆動できます。液体窒素は断熱容器に分配および貯蔵されます。断熱により貯蔵窒素への熱流入が減少します。これは、周囲の環境からの熱によって液体が沸騰し、その後気体状態に変化するため必要です。流入する熱を減らすことで、貯蔵中の液体窒素の損失が減ります。貯蔵の要件により、輸送手段としてパイプラインを使用することはできません。長距離パイプラインは断熱要件のためにコストがかかるため、液体窒素の製造に遠方のエネルギー源を使用するのはコストがかかります。石油埋蔵量は通常、消費地から非常に遠いですが、室温で移送できます。

液体窒素の消費は、本質的には逆の生産です。スターリングエンジン、あるいは極低温熱機関は、車両の動力源として、また発電手段として利用されています。液体窒素は、冷蔵庫、電気機器、 エアコンの直接冷却剤としても利用できます。液体窒素の消費は、実質的に窒素を沸騰させて大気中に放出することを意味します。

ディアマンエンジンでは、窒素はエンジンのシリンダー内の熱交換流体と結合して加熱されます。[ 4 ] [ 5 ]

2008年、米国特許庁は液体窒素を動力源とするタービンエンジンの特許を取得した。[ 6 ]タービンは、タービンの高圧部に噴射された液体窒素を急速膨張させ、膨張したガスを流入する加圧空気と混合することで高速のガス流を発生させ、タービン後部から噴出させる。このガス流は発電機などの機器を駆動するために利用できる。このシステムは1kWを超える発電機への電力供給は実証されていないが、[ 7 ]より高い出力は可能かもしれない。

カルノーサイクル

液体窒素は周囲温度よりも低い温度ですが、液体窒素エンジンは熱機関の一例です。熱機関は、高温の貯蔵庫と低温の貯蔵庫の温度差から熱エネルギーを取り出すことで動作します。液体窒素エンジンの場合、「高温」の貯蔵庫とは、窒素を沸騰させるために使用される周囲（室温）の空気です。

したがって、窒素エンジンは空気の熱エネルギーからエネルギーを抽出しており、エネルギーを変換する変換効率は、すべての熱エンジンに適用される カルノー効率方程式を使用して熱力学の法則から計算できます。

戦車

液体窒素を貯蔵するタンクは、 ISO 11439などの圧力容器に適切な安全基準に従って設計されなければならない。[ 8 ]

液体窒素タンク（トルコ、イズミル）

貯蔵タンクは次のような材料で作られます。

繊維素材は金属よりもかなり軽量ですが、一般的に高価です。金属製のタンクは多数の圧力サイクルに耐えることができますが、定期的に腐食検査を行う必要があります。液体窒素（LN2）は、通常、最大50リットルの断熱タンクで大気圧下で輸送されます。これらのタンクは非加圧タンクであるため、検査の対象ではありません。LN2用の非常に大型のタンクは、使用場所で液体を移送しやすくするために、25psi未満に加圧されることがあります。

液体窒素車両

液体窒素で推進する乗り物「液体空気」は 1902 年に実証されました。

2016年6月、英国ロンドンでスーパーマーケットJ.セインズベリーの食品配送車両を用いた試験運用が開始されます。この試験運用では、ディアマン社製の窒素エンジンを使用し、車両が停車しメインエンジンが停止している際に、食品貨物の冷却に必要な電力を供給します。現在、配送トラックの多くは、メインエンジン停止時に冷却用の電力を供給するため、2基目の小型ディーゼルエンジンを搭載しています。[ 9 ]

排出量

他の非燃焼エネルギー貯蔵技術と同様に、液体窒素車両は排出源を車両の排気管から中央発電所へと移します。排出ガスのない発生源が利用できる場合、汚染物質の純排出量を削減できます。中央発電所における排出抑制対策は、広範囲に分散した車両の排出ガスを処理するよりも効果的でコストも低い可能性があります。

利点

液体窒素自動車は多くの点で電気自動車に似ていますが、バッテリーではなく液体窒素でエネルギーを蓄えます。他の自動車に比べて、以下のような潜在的な利点があります。

  • 電気自動車と同様に、液体窒素自動車は最終的には電力網を通じて電力を供給されるため、路上を走る何百万台もの自動車ではなく、ひとつの発生源からの汚染の削減に集中しやすくなります。
  • 電力網から電力を引き出すため、燃料の輸送は不要になります。これは大きなコスト削減をもたらします。燃料輸送中に発生する汚染物質も排除されます。
  • メンテナンスコストの低減
  • 液体窒素タンクは、バッテリーよりも汚染が少なく廃棄またはリサイクルできます。
  • 液体窒素車両は、現在のバッテリーシステムに伴う劣化の問題に制約されません。
  • タンクは、バッテリーを充電するよりも頻繁に、より短時間で補充することができ、燃料補給率は液体燃料に匹敵する可能性があります。
  • ターボコンパウンドシステムでは、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンと組み合わせた複合サイクルパワートレインの一部として動作し、一方のエンジンの廃熱を利用してもう一方のエンジンを駆動します。さらに、ハイブリッドシステムとしても動作可能です。

デメリット

主な欠点は、一次エネルギーの利用効率が低いことです。エネルギーは窒素を液化するために使用され、それがモーターを動かすエネルギーとなります。エネルギーの変換には必ず損失が伴います。液体窒素自動車の場合、窒素の液化プロセス中に電気エネルギーが失われます。

液体窒素は公共の燃料補給ステーションでは入手できませんが、ほとんどの溶接ガス供給業者には配給システムがあり、液体窒素は液体酸素製造の副産物として豊富に供給されています。

批判

生産コスト

液体窒素の製造はエネルギー集約型のプロセスです。現在、1日に数トンの液体窒素を生産する実用的な冷凍プラントは、カルノー効率の約50%で稼働しています。[ 10 ]現在、余剰の液体窒素は液体酸素の製造における副産物として生成されています。[ 4 ]

液体窒素のエネルギー密度

物質の相変化を利用するプロセスは、物質内の化学反応を伴うプロセスよりもはるかに低いエネルギー密度を持ちます。化学反応を伴うプロセスは、核反応よりも低いエネルギー密度を持ちます。エネルギー貯蔵庫としての液体窒素はエネルギー密度が低いです。一方、液体炭化水素燃料はエネルギー密度が高いです。高いエネルギー密度は、輸送と保管のロジスティクスをより便利にします。利便性は、消費者の受け入れにおいて重要な要素です。石油燃料は、その保管の利便性と低コストが相まって、比類のない成功を収めています。さらに、石油燃料は単なるエネルギー貯蔵・輸送媒体ではなく、 主要なエネルギー源です。

窒素の等圧蒸発熱と気体状態における比熱から導かれるエネルギー密度は、大気圧下、周囲温度27℃の液体窒素から理論的に実現可能な約213ワット時/キログラム（W·h/kg）であるが、現実的な状況下では通常97 W·h/kgにしか達しない。これは、リチウムイオン電池の100～250 W·h/kg、熱効率28%で稼働するガソリン燃焼エンジンの3,000 W·h/kgに匹敵する。これは、カルノー効率で使用される液体窒素の密度の14倍に相当する。[ 11 ]

等温膨張エンジンが内燃機関に匹敵する航続距離を実現するには、350リットル（92米ガロン）の断熱された車載貯蔵容器が必要である。[ 11 ]これは実用的な容量だが、一般的な50リットル（13米ガロン）のガソリンタンクと比べて大幅に増加する。より複雑な動力サイクルを追加することで、この要件は緩和され、凍結のない運転が可能になる。しかしながら、液体窒素を車両の推進力として商業的に実用化した事例は存在しない。

霜の形成

内燃機関とは異なり、極低温作動流体を使用する場合、作動流体を加熱・冷却するための熱交換器が必要です。湿度の高い環境では、霜の発生により熱の流れが阻害されるため、工学的な課題となります。霜の付着を防ぐには、複数の作動流体を使用することがあります。これにより、熱交換器の温度が氷点下にならないようにするための補充サイクルが追加されます。霜のない運転を実現するには、追加の熱交換器、重量、複雑さ、効率の低下、そして費用が必要になります。[ 11 ]

安全性

窒素燃料タンクの断熱性能がどれほど優れていても、大気への蒸発による損失は避けられません。車両が換気の悪い場所に保管されている場合、窒素が漏れると空気中の酸素濃度が低下し、窒息を引き起こすリスクがあります。窒素は無色無臭の気体であり、既に空気の78%を占めているため、このような変化を検知することは困難です。

極低温液体はこぼれると危険です。液体窒素は凍傷を引き起こす可能性があり、一部の材料を極めて脆くする可能性があります。

液体窒素は90.2Kよりも低いため、大気中の酸素が凝縮する可能性があります。液体酸素は、アスファルトなどの石油製品を含む有機化学物質と自発的に激しく反応する可能性があります。[ 12 ]

この物質の液体と気体の膨張比は1:694であるため、液体窒素を急速に気化させると途方もない力が発生します。2006年にテキサスA&M大学で発生した事故では、液体窒素タンクの圧力開放装置が真鍮製のプラグで密閉されていました。その結果、タンクは壊滅的な損傷を受け、爆発しました。[ 13 ]

参照

さらに読む

  • CA Ordonez、MC Plummer、R.F. Reidy 「ゼロエミッション車両を動かす極低温熱エンジン」、2001 ASME 国際機械工学会議および展示会の議事録、2001 年 11 月 11 ～ 16 日、ニューヨーク、ニューヨーク州。
  • Kleppe JA、Schneider RN、「窒素経済」、ASEE冬季会議、ホノルル、ハワイ、1974年12月。
  • Gordon J. Van Wylen および Richard F. Sontag、「古典熱力学の基礎 SI 版第 2 版」

参考文献

  1. ^バルマー, ロバート・T. (2011). 「14.15 逆スターリングサイクル冷凍」 .現代工学熱力学.アカデミック・プレス. ISBN 978-0-12-374996-3。
  2. ^ 「私たちの歴史」www.stirlingultracold.com。
  3. ^ 「Stirling Cryogenics - 極低温および極低温発電機エンジニア」www.stirlingcryogenics.com。2013年2月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年2月11日閲覧。商用スターリングエンジンの冷却
  4. ^ a bライリ・レイノ (2012-10-22)。「Mullistava idea: Tulevaisuuden auto voi kulkea typpimoottorilla」 [革命的なアイデア: 未来の自動車は窒素エンジンで走行できる]。Tekniikka&Talous (フィンランド語)。2013 年 9 月 1 日にオリジナルからアーカイブされました。2012 年 10 月 22 日に取得。
  5. ^ 「The Technology」。Dearman Engine Company。2012年。2012年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ De Reyes, Edward (2013年6月25日)、液体窒素エンジン（米国特許US8468829B2）、2016年11月18日閲覧– www.google.ch経由
  7. ^ 「LN2タービン - クリーンでグリーンなエネルギー」 www.nitroturbodyne.com 2016年11月18日閲覧。
  8. ^ 「ISO 11439:2000」。ISO 。
  9. ^ 「セインズベリー、ディアマンの世界最先端の冷却技術を試験」 Innovate UK、2016年6月22日。 2025年3月31日閲覧。
  10. ^ J. Franz, CA Ordonez, A. Carlos,電気熱量コンデンサを用いた極低温熱エンジン, アメリカ物理学会テキサス支部秋季会議, 2001年10月4日～6日, テキサス州フォートワース 会議ID: TSF01, 抄録#EC.009, 10/2001.書誌コード: 2001APS..TSF.EC009F
  11. ^ a b c Knowlen, C.; Mattick, AT; Bruckner, AP; Hertzberg, A. (1998-08-11). 「液体窒素自動車向け高効率エネルギー変換システム」(PDF) . Society of Automotive Engineers . SAE Technical Paper Series. 1. Warrendale, PA. doi : 10.4271/981898 . 2003-04-24にオリジナル(PDF)からアーカイブ – University of Washington College of Engineering経由.
  12. ^ Werley, Barry L.（編）（1991年）「酸素システムにおける火災危険」ASTM技術専門家研修会。フィラデルフィア：ASTM国際小委員会G-4.05。
  13. ^ブレント・S・マトックス「化学実験室301Aシリンダー爆発に関する調査報告書」（PDF）テキサスA&M大学。 2008年10月31日時点のオリジナル（再版）からアーカイブ。
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