kemistit löytävät paremman tavan pakata maakaasua polttoainesäiliöihin
uusi ja innovatiivinen tapa varastoida metaania voisi nopeuttaa sellaisten maakaasukäyttöisten autojen kehitystä, jotka eivät vaadi nykypäivän paine-tai nesteytysajoneuvojen korkeita paineita tai kylmiä lämpötiloja.
taipuisa MOF käy läpi dramaattisen rakennemuutoksen, kun ne adsorboivat metaania ja muuttuvat nopeasti huokosettomasta materiaalista erittäin huokoiseksi materiaaliksi. Tämä animoitu gif näyttää yhden huokonen materiaalia. Jarad Mason graphic.
maakaasu palaa puhtaammin kuin bensiini, ja nykyään Yhdysvalloissa on maanteillä yli 150 000 paineistettua maakaasua (CNG) käyttävää ajoneuvoa, joista suurin osa on kuorma-autoja ja linja-autoja. Mutta ennen kuin valmistajat löytävät keinon pakata enemmän metaania säiliöön alemmissa paineissa ja lämpötiloissa, mikä mahdollistaa suuremman ajoetäisyyden ja vähemmän vaivaa pumpulla, henkilöautot eivät todennäköisesti käytä maakaasua polttoaineena.
UC Berkeleyn kemistit ovat nyt kehittäneet huokoisen ja joustavan materiaalin — niin kutsutun metalli-orgaanisen kehyksen (MOF)-metaanin varastoimiseen, joka ratkaisee nämä ongelmat. Joustava MOF romahtaa, kun metaania otetaan Moottorin pyörittämiseen, mutta laajenee, kun metaania pumpataan sisään VAIN kohtalaisella paineella, kodin kompressorin tuottamalla alueella.
”voisit mahdollisesti tankata kotona”, sanoi projektia johtanut UC Berkeleyn kemian professori Jeffrey Long.
joustava MOF voidaan kuormittaa metaanilla, maakaasun pääainesosalla, 35-65-kertaisella ilmanpaineella (500-900 psi), kun taas paineistetut maakaasuajoneuvot puristavat maakaasua tyhjään säiliöön 250 ilmakehän (3 600 psi) alueella.
nesteytetyn maakaasun (LNG) ajoneuvot toimivat pienemmillä paineilla, mutta ne vaativat merkittävää eristystä säiliöjärjestelmässä, jotta maakaasu pysyy nestemäisenä -162 celsiusasteessa (-260 celsiusasteessa).
Next-gen ng vehicles
Long sanoi, että seuraavan sukupolven maakaasuautoissa tarvitaan materiaalia, joka sitoo metaanin ja pakkaa sen tiiviimmin polttoainesäiliöön, jolloin saadaan suurempi ajoalue. Yksi suurimmista ongelmista on ollut löytää materiaali, joka imee metaania suhteellisen alhaisessa paineessa, kuten 35 ilmakehässä, mutta luovuttaa sen kaiken paineessa, jossa moottori voi toimia, välillä 5-6 ilmakehää. MOF: t, joilla on paljon sisäpinta — alaa kaasujen adsorboimiseksi — eli kaasumolekyylien tarttumiseksi huokosten sisäpintoihin-ja niiden varastoimiseksi suurella tiheydellä, ovat lupaavimpia materiaaleja adsorboituneen maakaasun (ANG) varastointiin.
poikkileikkaus joustavan MOF: n läpi osoittaa, miten kemiallinen rakenne muuttuu, kun metaani imeytyy. (Jarad Mason graphic)
”tämä on iso edistysaskel sekä kapasiteetin että lämmönhallinnan kannalta, Long sanoi. ”Nämä uudet joustavat MOFs, voit saada valmiuksia kuin mitä oli ajatellut mahdollista jäykkä MOFs.”
Longin mukaan joustavien MOF: ien muita etuja on se, että ne eivät kuumene yhtä paljon kuin muut metaanin absorboijat, joten tarvittavan polttoaineen jäähdytys on vähäisempää.
”jos täytät säiliön, jossa on adsorbentti, kuten aktiivihiili, kun metaani sitoo sen, se vapauttaa lämpöä”, hän sanoi. ”Materiaalimme avulla osa lämmöstä menee materiaalin rakenteen muuttamiseen, joten sinulla on vähemmän lämpöä haihdutettavana, vähemmän lämpöä hallittavana. Sinulla ei tarvitse olla niin paljon jäähdytysteknologiaa, joka liittyy säiliön täyttämiseen.”
joustava MOF-materiaali voitaisiin ehkä jopa sijoittaa ilmapallon kaltaiseen pussiin, joka venyy mukautumaan laajenevaan MOF: ään, kun metaania pumpataan sisään, niin että osa päästetystä lämmöstä menee pussin venyttämiseen.
Long ja hänen kollegansa kansallisessa standardointi – ja teknologiainstituutissa ja Euroopassa julkaisevat tuloksensa verkossa lokakuussa. 26 ennen julkaisua Nature-lehdessä.
maakaasun varastoinnin parantaminen aluksilla
öljylähteistä peräisin oleva maakaasu on yksi halvimmista ja puhtaimmista fossiilisista polttoaineista, jota käytetään laajalti kotien lämmittämiseen sekä teollisuudessa ja sähkön tuottamiseen. Sitä ei kuitenkaan ole vielä laajalti otettu käyttöön kuljetusalalla, koska aluksella on kalliita ja suuria paineistettuja polttoainesäiliöitä. Lisäksi bensiini pakkaa yli kolminkertaisen energiatiheyden tilavuuteen verrattuna maakaasuun, vaikka se puristettaisiin 3 600 psi: iin, jolloin maakaasuautoilla on lyhyempi ajoetäisyys tankkausta kohden.
edistääkseen maakaasun varastointia aluksissa Ford Motor Company teki yhteistyötä UC Berkeleyn kanssa tässä hankkeessa Yhdysvaltain energiaministeriön Advanced Research Projects Agency–Energyn (ARPA-e) rahoituksella. Ford on johtava CNG / propaani-prepped ajoneuvojen yli 57,000 myyty Yhdysvalloissa vuodesta 2009, enemmän kuin kaikki muut suuret Yhdysvaltain autonvalmistajat yhteensä.
Mike Veenstra Fordin Dearbornissa Michiganissa toimivasta tutkimus-ja kehitystekniikan ryhmästä tunnusti, että ANG: llä on mahdollisuus alentaa junaan asennettujen tankkien, asemakompressorien ja polttoaineen kustannuksia sekä lisätä maakaasukäyttöisten ajoneuvojen ajettavuutta rajoitetussa lastitilassa.
”maakaasun varastointi huokoisiin materiaaleihin tarjoaa keskeisen edun, koska se pystyy varastoimaan merkittäviä määriä maakaasua matalissa paineissa kuin painekaasu samoissa olosuhteissa”, sanoi Veenstra, arpa-e-hankkeen päätutkija. ”Matalapaineen etuna on se hyöty, jonka se tarjoaa sekä ajoneuvossa että aseman ulkopuolella. Lisäksi matalapainesovelluksella helpotetaan uusia käsitteitä, kuten säiliöitä, joiden seinämän paksuus on pienentynyt, sekä mukautuvia käsitteitä, jotka auttavat vähentämään tarvetta saavuttaa paineistetun CNG: n vastaava tilavuuskapasiteetti korkeassa paineessa.”
Long on tutkinut MOF: iä kaasujen adsorbereina vuosikymmenen ajan toivoen voivansa käyttää niitä voimalaitosten hiilidioksidin talteenottoon tai varastoimaan vetyä vetykäyttöisiin ajoneuvoihin tai katalysoimaan kaasureaktioita teollisuudelle. Viime vuonna UC Berkeleyn Berend Smitin tutkimuksessa kuitenkin havaittiin, että jäykillä Mofeilla on rajallinen kyky varastoida metaania. Pitkä ja jatko-opiskelija ja ensimmäinen kirjailija Jarad Mason sen sijaan kääntyi joustava MOFs, toteaa, että ne käyttäytyvät paremmin, kun metaania pumpataan sisään ja ulos.
heidän testaamansa joustavat MOF: t perustuvat koko rakenteeseen hajonneisiin koboltti-ja rauta-atomeihin, joissa on bentseenidipyratsolaatin (bdp) sidoksia. Sekä koboltti (bdp) että rauta (bdp) ovat laajentuessaan erittäin huokoisia, mutta kutistuvat olemattomiin huokosiin romahtaessaan.
heidän ensimmäiset kokeensa näillä yhdisteillä ylittävät jo jäykän MOF: n teoreettiset rajat, Long sanoi. Tämä on perustavanlaatuinen löytö, joka tarvitsee nyt paljon suunnittelua selvittääkseen, miten parhaiten hyödyntää näitä uusia adsorbenttiominaisuuksia.”
hän ja hänen kollegansa kehittävät nyt myös joustavia Mofeja vedyn varastoimiseksi.
UC Berkeleyn kirjoittajia ovat Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman ja Miguel Gonzalez. Tehdäkseen rakenteellisia ja termodynaamisia tutkimuksia MOFs: stä metaanin kanssa ja ilman metaania tiimi teki yhteistyötä Matthew Hudsonin ja Craig Brownin NIST: stä, Julien Rodriguezin ja Philip Llewellyn Aix-Marseillen yliopistosta Ranskasta, Antonio Cervellinon Paul Scherrer-instituutista Villigenistä Sveitsistä sekä Antonietta Guagliardin ja Norberto Masciocchin To: sta.Sca.Laboratorio Comossa, Italiassa.
aiheeseen liittyviä tietoja
- metaanin varastointi joustavissa metalli–orgaanisissa kehyksissä, joilla on luontainen lämmönhallinta (luonto)
- Jeff Longin konsernin verkkosivusto
- Uusi materiaali vangitsee hiilen puoleen energiakustannuksista (Maaliskuu 2015)
- Uusi materiaali leikkaa muovien ja polttoaineiden kaasun erottamisen energiakustannuksia (maaliskuu 2012)
- läpimurto polttokennojen halvempien ja tehokkaampien katalyyttien suunnittelussa (helmikuu 2012)