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Une nouvelle façon innovante de stocker le méthane pourrait accélérer le développement de voitures alimentées au gaz naturel qui ne nécessitent pas les hautes pressions ou les températures froides des véhicules au gaz naturel comprimé ou liquéfié d’aujourd’hui.

La combustion du gaz naturel est plus propre que l’essence, et il y a aujourd’hui plus de 150 000 véhicules au gaz naturel comprimé (GNC) sur la route aux États-Unis, la plupart étant des camions et des autobus. Mais jusqu’à ce que les fabricants puissent trouver un moyen d’emballer plus de méthane dans un réservoir à des pressions et des températures plus basses, ce qui permet une plus grande autonomie et moins de tracas à la pompe, il est peu probable que les voitures particulières adoptent le gaz naturel comme carburant.

Les chimistes de l’Université de Berkeley ont maintenant mis au point un matériau poreux et flexible — un cadre dit métal-organique (MOF) – pour stocker le méthane qui résout ces problèmes. Le MOF flexible s’effondre lorsque le méthane est extrait pour faire fonctionner le moteur, mais se dilate lorsque le méthane est pompé à une pression modérée, dans la plage produite par un compresseur domestique.

« Vous pourriez potentiellement faire le plein à la maison », a déclaré Jeffrey Long, professeur de chimie à l’Université de Berkeley qui a dirigé le projet.

Le MOF flexible peut être chargé de méthane, l’ingrédient principal du gaz naturel, à 35 à 65 fois la pression atmosphérique (500-900 psi), tandis que les véhicules au gaz naturel comprimé (GNC) compressent le gaz naturel dans un réservoir vide sous 250 atmosphères (3 600 psi).

Les véhicules au gaz naturel liquéfié (GNL) fonctionnent à des pressions plus basses, mais nécessitent une isolation importante dans le système de réservoir pour maintenir le gaz naturel à moins-162 degrés Celsius (moins-260 degrés Fahrenheit) afin qu’il reste liquide.

Véhicules au gaz naturel de nouvelle génération
Long a déclaré que les véhicules au gaz naturel de nouvelle génération nécessiteraient un matériau qui lie le méthane et l’emballe plus densément dans le réservoir de carburant, offrant une autonomie plus grande. L’un des problèmes majeurs a été de trouver un matériau qui absorbe le méthane à une pression relativement basse, telle que 35 atmosphères, mais qui donne tout à une pression où le moteur peut fonctionner, entre 5 et 6 atmosphères. Les MOF, qui ont une grande surface interne pour adsorber les gaz — c’est—à-dire pour que les molécules de gaz adhèrent aux surfaces internes des pores – et les stockent à haute densité, sont l’un des matériaux les plus prometteurs pour le stockage de gaz naturel adsorbé (ANG).

 » C’est une grande avancée à la fois en termes de capacité et de gestion thermique « , a déclaré Long.  » Avec ces nouveaux MOF flexibles, vous pouvez atteindre des capacités au-delà de ce que l’on pensait possible avec des MOF rigides. »

Parmi les autres avantages des MOF flexibles, dit Long, c’est qu’ils ne chauffent pas autant que les autres absorbeurs de méthane, donc il y a moins de refroidissement du carburant nécessaire.

« Si vous remplissez un réservoir contenant un adsorbant, tel que du charbon actif, lorsque le méthane se lie, il libère de la chaleur », a-t-il déclaré. « Avec notre matériau, une partie de cette chaleur entre dans la modification de la structure du matériau, de sorte que vous avez moins de chaleur à dissiper, moins de chaleur à gérer. Vous n’avez pas besoin d’avoir autant de technologie de refroidissement associée au remplissage de votre réservoir. »

Le matériau MOF flexible pourrait peut-être même être placé à l’intérieur d’un sac en forme de ballon qui s’étire pour accueillir le MOF en expansion lorsque le méthane est pompé, de sorte qu’une partie de la chaleur dégagée entre dans l’étirement du sac.

Long et ses collègues de l’Institut National des Normes et de la Technologie et en Europe publieront leurs résultats en ligne Oct. 26 avant la publication dans la revue Nature.

Amélioration du stockage de gaz naturel à bord
Le gaz naturel des puits de pétrole est aujourd’hui l’un des combustibles fossiles les moins chers et les plus propres, largement utilisé pour chauffer les maisons ainsi que dans la fabrication et pour produire de l’électricité. Il n’a cependant pas encore été largement adopté dans le secteur des transports, en raison des réservoirs de carburant comprimés embarqués coûteux et volumineux. De plus, l’essence emballe plus de trois fois la densité d’énergie par volume que le gaz naturel, même lorsqu’elle est comprimée à 3 600 psi, ce qui donne aux véhicules au gaz naturel une autonomie de conduite plus courte par remplissage.

Afin de faire progresser le stockage de gaz naturel à bord, Ford Motor Company s’est associée à UC Berkeley sur ce projet, avec un financement de l’Agence des projets de recherche avancée – Énergie (ARPA–E) du Département de l’Énergie des États-Unis. Ford est un chef de file des véhicules préparés au GNC et au propane avec plus de 57 000 véhicules vendus aux États-Unis depuis 2009, plus que tous les autres grands constructeurs automobiles américains réunis.

Selon Mike Veenstra, du groupe de recherche et d’ingénierie avancée de Ford à Dearborn, Michigan, Ford a reconnu qu’ANG pouvait réduire le coût des réservoirs embarqués, des compresseurs de station et du carburant, tout en augmentant l’autonomie des véhicules alimentés au gaz naturel dans l’espace de chargement limité.

« Le stockage du gaz naturel dans des matériaux poreux offre l’avantage clé de pouvoir stocker des quantités importantes de gaz naturel à basse pression que le gaz comprimé dans les mêmes conditions », a déclaré Veenstra, le chercheur principal de ce projet ARPA-E. « L’avantage de la basse pression est l’avantage qu’elle procure à la fois à bord du véhicule et en dehors de la station. En outre, l’application basse pression facilite de nouveaux concepts tels que des réservoirs avec des épaisseurs de paroi réduites ainsi que des concepts conformables qui aident à réduire la nécessité d’atteindre la capacité volumétrique équivalente du GNC comprimé à haute pression. »

Long explore les MOF comme adsorbeurs de gaz depuis une décennie, dans l’espoir de les utiliser pour capturer le dioxyde de carbone émis par les centrales électriques ou stocker l’hydrogène dans des véhicules alimentés à l’hydrogène, ou pour catalyser des réactions de gaz pour l’industrie. L’année dernière, cependant, une étude de Berend Smit de l’UC Berkeley a révélé que les MOF rigides ont une capacité limitée de stockage du méthane. Jarad Mason, étudiant de longue date et premier auteur diplômé, s’est plutôt tourné vers des MOF flexibles, notant qu’ils se comportent mieux lorsque le méthane est pompé à l’entrée et à la sortie.

Les MOF flexibles qu’ils ont testés sont basés sur des atomes de cobalt et de fer dispersés dans toute la structure, avec des liens de benzènedipyrazolate (bdp). Le cobalt (bdp) et le fer (bdp) sont très poreux lorsqu’ils sont dilatés, mais ils ne rétrécissent pratiquement pas lorsqu’ils sont effondrés.

Leurs premières expériences sur ces composés dépassent déjà les limites théoriques des MOF rigides, a déclaré Long. C’est une découverte fondamentale qui nécessite maintenant beaucoup d’ingénierie pour savoir comment tirer le meilleur parti de ces nouvelles propriétés adsorbantes. »

Lui et ses collègues développent également des MOF flexibles pour stocker l’hydrogène.

Les coauteurs de l’UC Berkeley sont Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman et Miguel Gonzalez. Pour réaliser des études structurales et thermodynamiques des MOF avec et sans méthane, l’équipe a collaboré avec Matthew Hudson et Craig Brown du NIST; Julien Rodriguez et Philip Llewellyn de l’Université d’Aix-Marseille en France; Antonio Cervellino de l’Institut Paul Scherrer à Villigen, en Suisse; et Antonietta Guagliardi et Norberto Masciocchi du To.Sca.Laboratoire à Côme, Italie.
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