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によって駆動されます。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、その結果生じた加圧ガスを使用してピストンまたは回転モーターを作動させることによって機能します。液体窒素で推進する車両は実証されていますが、商業的に使用されていません。そのような車両の 1 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を充電するための燃料タンクなどのハイブリッド システムにも組み込まれる場合があります。この種のシステムは、ハイブリッド液体窒素電気推進と呼ばれます。さらに、回生ブレーキもこのシステムと組み合わせて使用​​できます。

液体窒素自動車の利点の 1 つは、排気ガスが空気の成分である窒素だけなので、排気管からの排出物で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だったため、完全に汚染がないわけではありませんが、その液化プロセスは自動車の運転から離れた場所で実行でき、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できます。

液体窒素は、空気の主成分である窒素(N _{2 ) を液化する}極低温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、電気で動かすことも、}水力タービンや 風力タービンから直接機械的に動かすこともできます。液体窒素は断熱容器に分配され、貯蔵されます。断熱により、貯蔵された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、その後気体状態に移行するため必要です。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と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、常温で移送できます。

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 エンジンまたは極低温熱エンジンは、車両に動力を与え、電気を生成する手段を提供します。液体窒素は、冷蔵庫、電気機器、 エアコンユニットの直接冷却剤としても使用できます。液体窒素の消費は、実質的に窒素を沸騰させて大気中に戻すことです。

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認可した。^[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、膨張したガスは入ってくる加圧空気と混合されて高速のガス流を生成し、タービンの背面から噴出する。結果として生じるガス流は、発電機やその他の装置を駆動するために使用できる。このシステムは1kWを超える発電機に電力を供給することは実証されていないが、^[7]より高い出力は可能である可能性がある。

液体窒素は周囲温度よりも低温ですが、それでも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抽出することで動作します。液体窒素エンジンの場合、「高温」の貯蔵庫は周囲（「室温」）の空気であり、窒素を沸騰させるために使用されます。

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。

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

貯蔵タンクは次のような材料で作られます。

• 鋼鉄
• アルミニウム
• カーボンファイバー
• ケブラー
• その他の材料、または上記の組み合わせ。

繊維素材は金属よりかなり軽量ですが、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、定期的に腐食の検査を行う必要があります。液体窒素 (LN2) は、通常、大気圧で最大 50 リットルの断熱タンクで輸送されます。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 用の非常に大きなタンクは、使用場所で液体を移送しやすくするために、25 psi 未満に加圧されることがあります。

液体窒素で推進する乗り物「リキッド・エア」は 1902 年に実証されました。

²⁰¹⁶年6月、イギリスの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達車両群の試験が開始される^。車両が停止しメインエンジンがオフのときに、ディアマン窒素エンジンを使用して食品貨物の冷却用の電力を供給する。現在、配達用トラックには、メインエンジンがオフのときに冷却用の電力を供給するために、2台目の小型ディーゼルエンジンが搭載されていることが多い。^[9]

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に移します。排出のない発生源が利用できる場合は、汚染物質の純生産量を削減できます。中央発電所での排出制御対策は、広範囲に分散した車両の排出物を処理するよりも効果的でコストもかからない可能性があります。

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、バッテリーの代わりに液体窒素を使用してエネルギーを蓄えます。他の自動車に比べて潜在的な利点は次のとおりです。

• 電気自動車と同様に、液体窒素自動車も最終的には電力網を通じて電力が供給されるため、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を減らすこと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。これにより、コスト面で大きなメリットが得られます。燃料輸送中に発生する汚染も排除されます。
• メンテナンスコストの削減
• 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、補充速度は液体燃料に匹敵する可能性があります。
• ターボ複合システムでは、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稼働させることができます。ハイブリッドシステムとしても動作可能です。

主な欠点は、一次エネルギーの使用効率が悪いことです。エネルギーは窒素を液化するために使用され、それが今度は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供給システムがあり、液体窒素は液体酸素製造の副産物として豊富に生成されます。

液体窒素の生産はエネルギー集約型のプロセスです。現在、1日あたり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}液体酸素の生産の副産物として生産されています。^[4]

物質の相変化に依存するプロセスは、物質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、核反応よりもエネルギー密度が低くなります。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。これに比べて、液体炭化水素燃料はエネルギー密度が高いです。エネルギー密度が高いと、輸送と貯蔵のロジスティクスがより便利になります。利便性は、消費者に受け入れられるかどうかの重要な要素です。石油燃料の便利な貯蔵と低コストが相まって、比類のない成功につながっています。さらに、石油燃料は、エネルギー貯蔵および輸送媒体であるだけでなく、主要なエネルギー源でもあります。

エネルギー密度は窒素の等圧気化熱と気体状態での比熱から導かれ、大気圧および27℃の周囲温度で液体窒素から理論的に実現できるエネルギー密度は約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しか達成できない。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と比較すると、カルノー効率で使用される液体窒素の密度の14倍である。^[11]

等温膨張エンジンが内燃機関に匹敵する航続距離を持つためには、350リットル（92米ガロン）の断熱オンボード貯蔵容器が必要です。^[11]実用的な容量ですが、一般的な50リットル（13米ガロン）のガソリンタンクよりも大幅に増加しています。より複雑な動力サイクルを追加することで、この要件が軽減され、霜のない運転が可能になります。ただし、液体窒素を車両の推進に使用する商業的に実用的な例は存在しません。

内燃機関とは異なり、極低温作動流体を使用する場合は、作動流体を温めたり冷やしたりするための熱交換器が必要です。湿度の高い環境では、霜が付着すると熱の流れが妨げられ、エンジニアリング上の課題となります。霜の付着を防ぐために、複数の作動流体を使用することができます。これにより、熱交換器が氷点下にならないようにするためのトッピングサイクルが追加されます。霜のない操作を可能にするには、追加の熱交換器、重量、複雑さ、効率の低下、および費用が必要になります。^[11]

窒素燃料タンクの断熱がいかに効率的であっても、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、漏れた窒素によって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。窒素は無色無臭のガスであり、すでに空気の 78 パーセントを占めているため、このような変化を検出することは困難です。

極低温液体はこぼすと危険です。液体窒素は凍傷を引き起こし、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]

この物質の液体対ガス膨張率は1:694であるため、液体窒素が急速に気化すると、途方もない力が発生する可能性がある。2006年にテキサスA&M大学で発生した事故では、液体窒素のタンクの圧力解放装置が真鍮のプラグで密閉されていた。その結果、タンクは壊滅的な故障を起こし、爆発した。^[13]

• エネルギー貯蔵
• 極低温エネルギー貯蔵
• 将来のエネルギー開発
• 超低排出ガス車

• CA Ordonez、MC Plummer、RF 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博覧会の議事録、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 バージョン第 2 版」

• BBC ニュースレポートに埋め込まれた、液体空気で動く車のビデオ(車は 0 分 52 秒に登場)。
• LN2 車両 1 (Wayback Machineに 2007-02-05 にアーカイブ) 、北テキサス大学の極低温熱エンジンを使用した液体窒素駆動車。
• How stuff works での LN2 車両の実現可能性に関する議論
• 各種燃料の熱力学的特性（表形式データ）。