محرك النيتروجين السائل

على الرغم من أن النيتروجين السائل أبرد من درجة حرارة المحيط، إلا أن محرك النيتروجين السائل يُعد مثالاً على المحرك الحراري . يعمل المحرك الحراري عن طريق استخلاص الطاقة الحرارية من فرق درجة الحرارة بين خزان ساخن وآخر بارد؛ في حالة محرك النيتروجين السائل، يكون الخزان "الساخن" هو الهواء المحيط (درجة حرارة الغرفة)، والذي يُستخدم لغلي النيتروجين.

وبالتالي، فإن محرك النيتروجين يستخلص الطاقة من الطاقة الحرارية للهواء، ويمكن حساب كفاءة التحويل التي يحول بها الطاقة من قوانين الديناميكا الحرارية باستخدام معادلة كفاءة كارنو ، والتي تنطبق على جميع المحركات الحرارية.

يجب تصميم الخزانات التي يتم تخزين النيتروجين السائل وفقًا لمعايير السلامة المناسبة لأوعية الضغط ، مثل ISO 11439. ^{[ 8 ]}

قد يكون خزان التخزين مصنوعًا من:

• فُولاَذ
• الألومنيوم
• ألياف الكربون
• كيفلر
• مواد أخرى، أو مزيج مما سبق.

تتميز المواد الليفية بخفة وزنها مقارنةً بالمعادن، ولكنها أغلى ثمناً بشكل عام. تتحمل الخزانات المعدنية دورات ضغط متعددة، ولكن يجب فحصها دورياً للتأكد من خلوها من التآكل. يُنقل النيتروجين السائل (LN2) عادةً في خزانات معزولة، تصل سعتها إلى 50 لترًا، تحت الضغط الجوي. هذه الخزانات، لكونها غير مضغوطة، لا تخضع للتفتيش. في بعض الأحيان، تُضغط الخزانات الكبيرة جدًا المخصصة للنيتروجين السائل إلى أقل من 25 رطل لكل بوصة مربعة لتسهيل نقل السائل عند نقطة الاستخدام.

على غرار تقنيات تخزين الطاقة الأخرى غير الاحتراقية، تعمل مركبة النيتروجين السائل على نقل مصدر الانبعاثات من عادم المركبة إلى محطة توليد الكهرباء المركزية. وعند توفر مصادر خالية من الانبعاثات، يمكن تقليل صافي إنتاج الملوثات. وقد تكون تدابير التحكم في الانبعاثات في محطة التوليد المركزية أكثر فعالية وأقل تكلفة من معالجة انبعاثات المركبات المنتشرة على نطاق واسع.

تتشابه المركبات التي تعمل بالنيتروجين السائل مع المركبات الكهربائية في نواحٍ عديدة ، إلا أنها تستخدم النيتروجين السائل لتخزين الطاقة بدلاً من البطاريات. وتشمل مزاياها المحتملة مقارنةً بالمركبات الأخرى ما يلي:

• على غرار المركبات الكهربائية، سيتم تزويد مركبات النيتروجين السائل بالطاقة في نهاية المطاف من خلال الشبكة الكهربائية، مما يسهل التركيز على الحد من التلوث من مصدر واحد، بدلاً من ملايين المركبات على الطريق.
• لن تكون هناك حاجة لنقل الوقود نظراً لسحب الطاقة من الشبكة الكهربائية، مما يوفر وفورات كبيرة في التكاليف. كما سيتم القضاء على التلوث الناتج عن نقل الوقود.
• انخفاض تكاليف الصيانة
• يمكن التخلص من خزانات النيتروجين السائل أو إعادة تدويرها مع تلوث أقل من البطاريات.
• لا تعاني المركبات التي تعمل بالنيتروجين السائل من مشاكل التدهور المرتبطة بأنظمة البطاريات الحالية.
• قد يكون من الممكن إعادة ملء الخزان بشكل متكرر وفي وقت أقل من الوقت الذي يمكن فيه إعادة شحن البطاريات، بمعدلات إعادة تعبئة مماثلة للوقود السائل.
• يمكن أن يعمل هذا النظام كجزء من نظام توليد طاقة ذي دورة مركبة بالتزامن مع محرك بنزين أو ديزل، حيث يستخدم الحرارة المهدرة من أحدهما لتشغيل الآخر في نظام توربيني مركب . بل ويمكنه العمل كنظام هجين.

يتمثل العيب الرئيسي في الاستخدام غير الفعال للطاقة الأولية. تُستخدم الطاقة لتسييل النيتروجين، الذي بدوره يوفر الطاقة اللازمة لتشغيل المحرك. أي عملية تحويل للطاقة تنطوي على خسائر. بالنسبة لسيارات النيتروجين السائل، تُفقد الطاقة الكهربائية أثناء عملية تسييل النيتروجين.

لا يتوفر النيتروجين السائل في محطات التزود بالوقود العامة؛ ومع ذلك، توجد أنظمة توزيع لدى معظم موردي غاز اللحام، ويُعد النيتروجين السائل منتجًا ثانويًا وفيرًا لإنتاج الأكسجين السائل.

إنتاج النيتروجين السائل عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة. تعمل محطات التبريد العملية الحالية التي تنتج بضعة أطنان يوميًا من النيتروجين السائل بكفاءة تبلغ حوالي 50% من كفاءة كارنو . ^{[ 10 ]} يُنتج فائض النيتروجين السائل حاليًا كمنتج ثانوي في إنتاج الأكسجين السائل . ^{[ 4 ]}

أي عملية تعتمد على تغيير حالة المادة ستكون ذات كثافة طاقة أقل بكثير من العمليات التي تتضمن تفاعلاً كيميائياً في المادة، والتي بدورها ستكون ذات كثافة طاقة أقل من التفاعلات النووية. يتميز النيتروجين السائل، كمخزن للطاقة، بكثافة طاقة منخفضة. في المقابل، تتميز أنواع الوقود الهيدروكربوني السائل بكثافة طاقة عالية. وتسهل كثافة الطاقة العالية عمليات النقل والتخزين اللوجستية. وتُعد سهولة التخزين عاملاً مهماً في قبول المستهلك. وقد أدى سهولة تخزين الوقود البترولي، إلى جانب انخفاض تكلفته، إلى نجاح منقطع النظير. علاوة على ذلك، يُعد الوقود البترولي مصدراً أساسياً للطاقة ، وليس مجرد وسيلة لتخزينها ونقلها.

تبلغ كثافة الطاقة -المستمدة من حرارة تبخر النيتروجين عند ضغط ثابت وحرارته النوعية في الحالة الغازية- التي يمكن نظريًا الحصول عليها من النيتروجين السائل عند الضغط الجوي ودرجة  حرارة محيطة تبلغ 27 درجة مئوية، حوالي 213 واط ساعة لكل كيلوغرام (واط ساعة/كغ)، بينما لا يمكن عادةً تحقيق سوى 97 واط ساعة/كغ في الظروف الواقعية. ويُقارن هذا بـ 100-250 واط ساعة/كغ لبطارية أيونات الليثيوم و3000 واط ساعة/كغ لمحرك احتراق البنزين الذي يعمل بكفاءة حرارية تبلغ 28% ، أي ما يعادل 14 ضعف كثافة النيتروجين السائل المستخدم عند كفاءة كارنو. ^{[ 11 ]}

لكي يحقق محرك التمدد الحراري مدىً مماثلاً لمحرك الاحتراق الداخلي، يلزم وجود خزان تخزين معزول بسعة 350 لترًا (92 جالونًا أمريكيًا ) على متن المركبة. ^{[ 11 ]} وهو حجم عملي، ولكنه يمثل زيادة ملحوظة عن خزان البنزين النموذجي بسعة 50 لترًا (13 جالونًا أمريكيًا ) . من شأن إضافة دورات طاقة أكثر تعقيدًا أن يقلل من هذا المتطلب ويساعد على التشغيل دون تجمد. مع ذلك، لا توجد حاليًا أي تطبيقات عملية تجارية لاستخدام النيتروجين السائل في دفع المركبات.    

على عكس محركات الاحتراق الداخلي، يتطلب استخدام سائل تبريد فائق وجود مبادلات حرارية لتسخين وتبريد هذا السائل. في بيئة رطبة، يمنع تكون الصقيع تدفق الحرارة، مما يمثل تحديًا هندسيًا. ولمنع تراكم الصقيع، يمكن استخدام عدة سوائل تبريد. وهذا يتطلب دورات تبريد إضافية لضمان عدم انخفاض درجة حرارة المبادل الحراري إلى ما دون درجة التجمد. ويتطلب التشغيل الخالي من الصقيع مبادلات حرارية إضافية، مما يزيد الوزن والتعقيد، ويقلل من كفاءة التشغيل، ويرفع التكلفة. ^{[ 11 ]}

مهما بلغت كفاءة عزل خزان وقود النيتروجين، فسيحدث حتمًا تسربٌ للنيتروجين إلى الغلاف الجوي. إذا تم تخزين المركبة في مكان سيئ التهوية، فهناك خطرٌ من أن يؤدي تسرب النيتروجين إلى انخفاض تركيز الأكسجين في الهواء، مما قد يسبب الاختناق . ولأن النيتروجين غازٌ عديم اللون والرائحة، ويشكل بالفعل 78% من الهواء، فسيكون من الصعب اكتشاف هذا التغيير.

تُعدّ السوائل المبردة خطرة في حال انسكابها. فالنيتروجين السائل قد يُسبب قضمة الصقيع ، وقد يجعل بعض المواد هشة للغاية.

بما أن النيتروجين السائل أبرد من 90.2 كلفن، فإنه يمكن أن يتكثف الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي. ويمكن للأكسجين السائل أن يتفاعل تلقائياً وبعنف مع المواد الكيميائية العضوية، بما في ذلك المنتجات البترولية مثل الأسفلت. ^{[ 12 ]}

بما أن نسبة تمدد النيتروجين السائل إلى الغاز تبلغ 1:694، فإنه يمكن توليد قوة هائلة عند تبخيره بسرعة. في حادثة وقعت عام 2006 في جامعة تكساس إيه آند إم ، تم إغلاق صمامات تخفيف الضغط في خزان النيتروجين السائل بسدادات نحاسية. ونتيجة لذلك، انهار الخزان بشكل كارثي وانفجر. ^{[ 13 ]}