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Una forma nueva e innovadora de almacenar metano podría acelerar el desarrollo de automóviles a gas natural que no requieren las altas presiones o temperaturas frías de los vehículos de gas natural comprimido o licuado de hoy en día.

El gas natural es de combustión más limpia que la gasolina, y hoy en día hay más de 150.000 vehículos de gas natural comprimido (GNC) en circulación en los Estados Unidos, la mayoría de ellos camiones y autobuses. Pero hasta que los fabricantes puedan encontrar una manera de empacar más metano en un tanque a presiones y temperaturas más bajas, lo que permite un mayor rango de conducción y menos problemas en la bomba, es poco probable que los automóviles de pasajeros adopten el gas natural como combustible.

Los químicos de la Universidad de California en Berkeley han desarrollado un material poroso y flexible, el llamado marco orgánico metálico (MOF), para almacenar metano que aborda estos problemas. El MOF flexible colapsa cuando se extrae el metano para hacer funcionar el motor, pero se expande cuando el metano se bombea a una presión moderada, dentro del rango producido por un compresor doméstico.

» Podría llenarse en casa», dijo Jeffrey Long, profesor de química de la Universidad de California en Berkeley que dirigió el proyecto.

El MOF flexible se puede cargar con metano, el ingrediente principal del gas natural, a una presión atmosférica de 35 a 65 veces (500-900 psi), mientras que los vehículos de gas natural comprimido (GNC) comprimen el gas natural en un tanque vacío a menos de 250 atmósferas (3.600 psi).

Los vehículos de gas natural licuado (GNL) operan a presiones más bajas, pero requieren un aislamiento significativo en el sistema de tanques para mantener el gas natural a menos-162 grados Celsius (menos-260 grados Fahrenheit) para que permanezca líquido.

Vehículos a GAS natural de próxima generación
Long dijo que los vehículos a gas natural de próxima generación requerirán un material que ate el metano y lo empaquete más densamente en el tanque de combustible, proporcionando un rango de conducción más grande. Uno de los principales problemas ha sido encontrar un material que absorbe el metano a una presión relativamente baja, como 35 atmósferas, pero que lo abandona todo a una presión donde el motor puede funcionar, entre 5 y 6 atmósferas. Los MOF, que tienen una gran superficie interna para adsorber gases, es decir, para que las moléculas de gas se adhieran a las superficies internas de los poros, y los almacenen en alta densidad, son uno de los materiales más prometedores para el almacenamiento de gas natural adsorbido (ANG).

«Este es un gran avance tanto en términos de capacidad como de gestión térmica», dijo Long. «Con estos nuevos MOF flexibles, puede llegar a capacidades más allá de lo que se creía posible con los MOF rígidos.»

Entre las otras ventajas de los MOF flexibles, dice Long, es que no se calientan tanto como otros absorbentes de metano, por lo que hay menos enfriamiento del combustible requerido.

«Si se llena un tanque que tiene adsorbente, como el carbón activado, cuando el metano se une libera calor», dijo. «Con nuestro material, parte de ese calor se usa para cambiar la estructura del material, de modo que hay menos calor que disipar y menos calor que manejar. No es necesario que tenga tanta tecnología de enfriamiento asociada con el llenado de su tanque.»

El material flexible de MOF tal vez incluso se podría colocar dentro de una bolsa en forma de globo que se estira para acomodar el MOF en expansión a medida que se bombea metano, de modo que parte del calor emitido vaya a estirar la bolsa.

Long y sus colegas en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología y en Europa publicarán sus hallazgos en línea en octubre. 26 antes de su publicación en la revista Nature.

Mejorar el almacenamiento de gas natural a bordo
El gas natural de los pozos de petróleo es uno de los combustibles fósiles más baratos y limpios de la actualidad, utilizado ampliamente para calentar hogares, así como en la fabricación y para producir electricidad. Sin embargo, todavía no se ha adoptado ampliamente en el sector del transporte, debido a los costosos y grandes tanques de combustible comprimido a bordo. Además, la gasolina tiene más de tres veces la densidad de energía por volumen que el gas natural, incluso cuando se comprime a 3.600 psi, lo que resulta en vehículos a gas natural con un rango de conducción más corto por llenado.

Para avanzar en el almacenamiento de gas natural a bordo, Ford Motor Company se asoció con UC Berkeley en este proyecto, con fondos de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada–Energía (ARPA-E) del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Ford es líder en vehículos preparados a GNC/propano con más de 57.000 unidades vendidas en los Estados Unidos desde 2009, más que todos los principales fabricantes de automóviles de Estados Unidos combinados.

De acuerdo con Mike Veenstra, del grupo de investigación e ingeniería avanzada de Ford en Dearborn, Michigan, Ford reconoció que ANG tiene el potencial de reducir el costo de los tanques a bordo, los compresores de las estaciones y el combustible, además de servir para aumentar el alcance de conducción de los vehículos a gas natural dentro del espacio de carga limitado.

» El almacenamiento de gas natural en materiales porosos proporciona la ventaja clave de poder almacenar cantidades significativas de gas natural a bajas presiones que el gas comprimido en las mismas condiciones», dijo Veenstra, el investigador principal de este proyecto ARPA-E. «La ventaja de la baja presión es el beneficio que proporciona tanto a bordo del vehículo como fuera de ella en la estación. Además, la aplicación de baja presión facilita conceptos novedosos, como tanques con espesores de pared reducidos, junto con conceptos conformes que ayudan a disminuir la necesidad de lograr la capacidad volumétrica equivalente del GNC comprimido a alta presión.»

Long ha estado explorando los MOF como adsorbentes de gas durante una década, con la esperanza de usarlos para capturar el dióxido de carbono emitido por las centrales eléctricas o almacenar hidrógeno en vehículos alimentados con hidrógeno, o para catalizar reacciones de gas para la industria. El año pasado, sin embargo, un estudio realizado por Berend Smit de la Universidad de Berkeley encontró que los MOF rígidos tienen una capacidad limitada para almacenar metano. Jarad Mason, estudiante de posgrado y primer autor, recurrió a los MOF flexibles, señalando que se comportan mejor cuando se bombea metano hacia adentro y hacia afuera.

Los MOF flexibles que probaron se basan en átomos de cobalto y hierro dispersos por toda la estructura, con enlaces de bencenodipirazolato (bdp). Tanto el cobalto (bdp) como el hierro (bdp) son altamente porosos cuando se expanden, pero se encogen hasta no tener poros cuando se colapsan.

Sus primeros experimentos con estos compuestos ya superan los límites teóricos para los MOF rígidos, dijo Long. Este es un descubrimiento fundamental que ahora necesita mucha ingeniería para descubrir la mejor manera de aprovechar estas nuevas propiedades adsorbentes.»

Él y sus colegas también están desarrollando MOF flexibles para almacenar hidrógeno.

Los coautores de UC Berkeley son Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman y Miguel González. Para realizar estudios estructurales y termodinámicos de los MOF con y sin metano, el equipo colaboró con Matthew Hudson y Craig Brown del NIST; Julien Rodríguez y Philip Llewellyn de la Universidad de Aix-Marsella en Francia; Antonio Cervellino del Instituto Paul Scherrer en Villigen, Suiza; y Antonietta Guagliardi y Norberto Masciocchi del To.Sca.Laboratorio en Como, Italia.
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