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Eine neue und innovative Möglichkeit, Methan zu speichern, könnte die Entwicklung von erdgasbetriebenen Autos beschleunigen, die nicht die hohen Drücke oder kalten Temperaturen der heutigen komprimierten oder verflüssigten Erdgasfahrzeuge benötigen.

Erdgas verbrennt sauberer als Benzin, und heute sind in den USA mehr als 150.000 Fahrzeuge mit komprimiertem Erdgas (CNG) unterwegs, die meisten davon Lastwagen und Busse. Aber bis die Hersteller einen Weg finden, mehr Methan bei niedrigeren Drücken und Temperaturen in einen Tank zu packen, was eine größere Reichweite und weniger Ärger an der Pumpe ermöglicht, ist es unwahrscheinlich, dass Personenkraftwagen Erdgas als Kraftstoff verwenden.

Chemiker der UC Berkeley haben nun ein poröses und flexibles Material — ein sogenanntes Metal-Organic Framework (MOF) – zur Speicherung von Methan entwickelt, das diese Probleme löst. Das flexible MOF kollabiert, wenn das Methan extrahiert wird, um den Motor zu betreiben, dehnt sich jedoch aus, wenn das Methan nur mit mäßigem Druck innerhalb des von einem Heimkompressor erzeugten Bereichs eingepumpt wird.

„Sie könnten möglicherweise zu Hause tanken“, sagte Jeffrey Long, ein UC Berkeley Professor für Chemie, der das Projekt leitete.

Der flexible MOF kann mit Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, bei einem 35- bis 65-fachen Atmosphärendruck (500-900 psi) beladen werden, während Fahrzeuge mit komprimiertem Erdgas (CNG) Erdgas unter 250 Atmosphären (3.600 psi) in einen leeren Tank komprimieren.

Flüssigerdgas (LNG) -Fahrzeuge arbeiten bei niedrigeren Drücken, erfordern jedoch eine erhebliche Isolierung im Tanksystem, um das Erdgas auf minus-162 Grad Celsius (minus-260 Grad Fahrenheit) zu halten, damit es flüssig bleibt.

NG-Fahrzeuge der nächsten Generation
Long sagte, dass Erdgasfahrzeuge der nächsten Generation ein Material benötigen, das das Methan bindet und es dichter in den Kraftstofftank packt, was eine größere Reichweite bietet. Eines der Hauptprobleme bestand darin, ein Material zu finden, das das Methan bei einem relativ niedrigen Druck wie 35 Atmosphären absorbiert, aber alles bei einem Druck abgibt, bei dem der Motor zwischen 5 und 6 Atmosphären arbeiten kann. MOFs, die eine große innere Oberfläche haben, um Gase zu adsorbieren — das heißt, damit Gasmoleküle an den inneren Oberflächen der Poren haften bleiben – und sie in hoher Dichte speichern, sind eines der vielversprechendsten Materialien für die adsorbierte Erdgasspeicherung (ANG).

“ Dies ist ein großer Fortschritt sowohl in Bezug auf die Kapazität als auch auf das Wärmemanagement „, sagte Long. „Mit diesen neuen flexiblen MOFs können Sie Kapazitäten erreichen, die über das hinausgehen, was mit starren MOFs möglich war.“

Zu den weiteren Vorteilen flexibler MOFs gehört laut Long, dass sie sich nicht so stark erwärmen wie andere Methanabsorber, sodass der Kraftstoff weniger gekühlt werden muss.

„Wenn Sie einen Tank füllen, der Adsorptionsmittel wie Aktivkohle enthält, setzt das Methan beim Binden Wärme frei“, sagte er. „Bei unserem Material fließt ein Teil dieser Wärme in die Veränderung der Struktur des Materials, sodass Sie weniger Wärme abführen und weniger Wärme verwalten müssen. Sie müssen nicht so viel Kühltechnologie haben, um Ihren Tank zu füllen.“

Das flexible MOF-Material könnte vielleicht sogar in einen ballonartigen Beutel gelegt werden, der sich ausdehnt, um das expandierende MOF aufzunehmen, wenn Methan eingepumpt wird, so dass ein Teil der abgegebenen Wärme in das Dehnen des Beutels fließt.

Long und seine Kollegen am National Institute of Standards and Technology und in Europa werden ihre Ergebnisse im Oktober online veröffentlichen. 26 im Vorfeld der Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature.

Verbesserung der Erdgasspeicherung an Bord
Erdgas aus Ölquellen ist heute einer der billigsten und saubersten fossilen Brennstoffe, der häufig zum Heizen von Häusern sowie in der Fertigung und zur Stromerzeugung verwendet wird. Es ist jedoch noch nicht weit verbreitet im Transportsektor, wegen der teuren und großen On-Board-komprimierten Kraftstofftanks. Darüber hinaus hat Benzin mehr als die dreifache Energiedichte pro Volumen wie Erdgas, selbst wenn es auf 3.600 psi komprimiert wird, was zu Erdgasfahrzeugen mit einer kürzeren Reichweite pro Tankvorgang führt.

Um die Erdgasspeicherung an Bord voranzutreiben, hat sich die Ford Motor Company mit der UC Berkeley bei diesem Projekt zusammengetan, finanziert von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA–E) des US-Energieministeriums. Ford ist ein führendes Unternehmen in CNG / Propan-prepped Fahrzeuge mit mehr als 57.000 in den USA seit 2009 verkauft, mehr als alle anderen großen US-Autohersteller kombiniert.

Laut Mike Veenstra von der Ford Research and Advanced Engineering Group in Dearborn, Michigan, erkannte Ford, dass ANG das Potenzial hat, die Kosten für Bordtanks, Stationskompressoren und Kraftstoff zu senken und die Reichweite von erdgasbetriebenen Fahrzeugen innerhalb des begrenzten Laderaums zu erhöhen.

„Die Erdgasspeicherung in porösen Materialien bietet den entscheidenden Vorteil, dass sie unter den gleichen Bedingungen erhebliche Mengen an Erdgas bei niedrigen Drücken speichern kann als komprimiertes Gas“, sagte Veenstra, der Hauptforscher dieses ARPA-E-Projekts. „Der Vorteil des Niederdrucks ist der Vorteil, den er sowohl an Bord des Fahrzeugs als auch außerhalb der Station bietet. Darüber hinaus ermöglicht die Niederdruckanwendung neuartige Konzepte wie Tanks mit reduzierten Wandstärken sowie anpassungsfähige Konzepte, die dazu beitragen, die Notwendigkeit zu verringern, die äquivalente volumetrische Kapazität von komprimiertem CNG bei hohem Druck zu erreichen.“

Long erforscht seit einem Jahrzehnt MOFs als Gasadsorber und hofft, damit Kohlendioxid aus Kraftwerken abzuscheiden oder Wasserstoff in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen zu speichern oder Gasreaktionen für die Industrie zu katalysieren. Im vergangenen Jahr fand jedoch eine Studie von Berend Smit von der UC Berkeley heraus, dass starre MOFs eine begrenzte Kapazität zur Speicherung von Methan haben. Long und Doktorand und Erstautor Jarad Mason wandte sich stattdessen flexiblen MOFs zu und stellte fest, dass sie sich besser verhalten, wenn Methan ein- und ausgepumpt wird.

Die von ihnen getesteten flexiblen MOFs basieren auf Kobalt- und Eisenatomen, die in der gesamten Struktur verteilt sind, mit Verbindungen von Benzoldipyrazolat (bdp). Sowohl Kobalt (bdp) als auch Eisen (bdp) sind beim Expandieren hochporös, schrumpfen aber beim Kollabieren im Wesentlichen zu keinen Poren.

Ihre ersten Experimente mit diesen Verbindungen übertreffen bereits die theoretischen Grenzen für starre MOFs, sagte Long. Dies ist eine grundlegende Entdeckung, die jetzt viel Technik erfordert, um herauszufinden, wie diese neuen Adsorptionseigenschaften am besten genutzt werden können.“

Er und seine Kollegen entwickeln jetzt auch flexible MOFs zur Speicherung von Wasserstoff.

UC Berkeley Co-Autoren sind Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman und Miguel Gonzalez. Um strukturelle und thermodynamische Studien der MOFs mit und ohne Methan durchzuführen, arbeitete das Team mit Matthew Hudson und Craig Brown vom NIST zusammen; Julien Rodriguez und Philip Llewellyn von der Universität Aix-Marseille in Frankreich; Antonio Cervellino vom Paul Scherrer Institut in Villigen, Schweiz; und Antonietta Guagliardi und Norberto Masciocchi vom To.Sca.Labor in Como, Italien.
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