a vegyészek jobb módot találnak a földgáz üzemanyagtartályokba csomagolására
a metán tárolásának új és innovatív módja felgyorsíthatja a földgázüzemű autók fejlődését, amelyek nem igénylik a mai sűrített vagy cseppfolyósított földgáz járművek magas nyomását vagy hideg hőmérsékletét.
rugalmas MOF mennek drámai szerkezeti változás, amikor adszorbeálódik metán, gyorsan megy egy nem porózus egy erősen porózus anyag. Ez az animált gif az anyag egyik pórusát mutatja. Jarad Mason grafikus.
a földgáz tisztább égésű, mint a benzin, és ma már több mint 150 000 sűrített földgáz (CNG) jármű van az utakon az Egyesült Államokban, többségük teherautó és busz. De amíg a gyártók nem találnak módot arra, hogy alacsonyabb nyomáson és hőmérsékleten több metánt csomagoljanak egy tartályba, ami nagyobb vezetési távolságot és kevesebb gondot tesz lehetővé a szivattyúnál, addig a személygépkocsik valószínűleg nem fogadják el a földgázt üzemanyagként.
az UC Berkeley vegyészei kifejlesztettek egy porózus és rugalmas anyagot — az úgynevezett fém-szerves keretet (MOF)-a metán tárolására, amely megoldja ezeket a problémákat. A rugalmas MOF összeomlik, amikor a metánt kivonják a motor működtetéséhez, de kitágul, amikor a metánt csak mérsékelt nyomáson pumpálják be, az otthoni kompresszor által előállított tartományon belül.
“potenciálisan otthon is feltöltődhet” – mondta Jeffrey Long, az UC Berkeley kémiai professzora, aki a projektet vezette.
a rugalmas MOF feltölthető metánnal, a földgáz fő összetevőjével, 35-65-szeres légköri nyomáson (500-900 psi), míg a sűrített földgáz (CNG) járművek 250 atmoszféra (3600 psi) alatti üres tartályba tömörítik a földgázt.
a cseppfolyósított földgáz (LNG) járművek alacsonyabb nyomáson működnek, de jelentős szigetelést igényelnek a tartályrendszerben, hogy a földgázt mínusz-162 Celsius fokon (mínusz-260 Fahrenheit fokon) tartsák, hogy folyékony maradjon.
következő generációs földgáz járművek
Long azt mondta, hogy a következő generációs földgázüzemű járművekhez olyan anyagra lesz szükség, amely megköti a metánt, és sűrűbben Csomagolja az üzemanyagtartályba, nagyobb hatótávolságot biztosítva. Az egyik legnagyobb probléma egy olyan anyag megtalálása volt, amely viszonylag alacsony nyomáson, például 35 atmoszférában elnyeli a metánt, de mindezt olyan nyomáson adja fel, ahol a motor működhet, 5-6 atmoszféra között. Az adszorbeált földgáz (ANG) tárolásának egyik legígéretesebb anyaga a MOF — ok, amelyek nagy belső felülettel rendelkeznek a gázok adszorbeálásához — vagyis ahhoz, hogy a gázmolekulák tapadjanak a pórusok belső felületéhez -, és nagy sűrűségben tárolják őket.
a rugalmas MOF keresztmetszete megmutatja, hogyan változik a kémiai szerkezet, amikor a metán felszívódik. (Jarad Mason grafika)
“ez nagy előrelépés mind a kapacitás, mind a hőgazdálkodás szempontjából” – mondta Long. “Ezekkel az új rugalmas MOF-ekkel olyan kapacitásokat érhet el, amelyek meghaladják a merev MOF-ekkel lehetségesnek vélt kapacitásokat.”
a rugalmas MOF-ek egyéb előnyei között Long azt mondja, hogy nem melegednek fel annyira, mint más metánelnyelők, így kevesebb a szükséges üzemanyag hűtése.
“ha olyan tartályt tölt meg, amelyben adszorbens van, például aktív szén, amikor a metán megköti, akkor hőt bocsát ki” – mondta. “Anyagunkkal a hő egy része megváltoztatja az anyag szerkezetét, így kevesebb hőt kell eloszlatni, kevesebb hőt kell kezelni. Nem kell annyi hűtési technológiával rendelkeznie a tartály feltöltéséhez.”
a rugalmas MOF anyagot talán még egy ballonszerű zsákba is be lehet helyezni, amely a táguló MOF befogadására nyújtható, amikor a metánt pumpálják, így a leadott hő egy része a táska nyújtásába kerül.
Long és kollégái a National Institute of Standards And Technology és Európában közzéteszik eredményeiket az Interneten október. 26 A Nature folyóiratban való közzététel előtt.
a fedélzeti földgáztárolás javítása
az olajkutakból származó földgáz ma az egyik legolcsóbb és legtisztább fosszilis tüzelőanyag, amelyet széles körben használnak az otthonok fűtésére, valamint a gyártásra és a villamos energia előállítására. A drága és nagy fedélzeti sűrített üzemanyagtartályok miatt azonban még széles körben el kell fogadni a szállítási ágazatban. Ezenkívül a benzin a térfogatonkénti energiasűrűség több mint háromszorosát csomagolja földgázként, még akkor is, ha 3600 psi-re tömörítik, ami azt eredményezi, hogy a földgázüzemű járművek tankolásonként rövidebb hatótávolsággal rendelkeznek.
a fedélzeti földgáztárolás előmozdítása érdekében a Ford Motor Company összefogott az UC Berkeley-vel ezen a projekten, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E) támogatásával. A Ford vezető szerepet tölt be a CNG/propán preparált járművekben, több mint 57 000-et adtak el az Egyesült Államokban 2009 óta, többet, mint az összes többi nagy amerikai autógyártó együttvéve.
Mike Veenstra, a Ford Dearbornban (Michigan) működő kutató és haladó mérnöki csoportjának munkatársa szerint a Ford felismerte, hogy az ANG képes csökkenteni a fedélzeti tartályok, az állomáskompresszorok és az üzemanyag költségeit, valamint növelni a földgázüzemű járművek hatótávolságát a korlátozott raktéren belül.
“a földgáz porózus anyagokban történő tárolása kulcsfontosságú előnye, hogy jelentős mennyiségű földgázt képes tárolni alacsony nyomáson, mint a sűrített gáz azonos körülmények között”-mondta Veenstra, az ARPA-E projekt vezető kutatója. “Az alacsony nyomás előnye az az előny, amelyet mind a jármű fedélzetén, mind az állomáson kívül nyújt. Ezenkívül az alacsony nyomású alkalmazás megkönnyíti az új koncepciókat, például a csökkentett falvastagságú tartályokat, valamint a megfelelő koncepciókat, amelyek segítenek csökkenteni a sűrített CNG egyenértékű térfogatkapacitásának nagy nyomáson történő elérésének szükségességét.”
Long egy évtizede kutatja a MOF-eket gázadszorbensként, remélve, hogy felhasználhatja őket az erőművekből kibocsátott szén-dioxid megkötésére vagy a hidrogén hidrogénüzemű járművekben történő tárolására, vagy az ipar gázreakcióinak katalizálására. Tavaly azonban az UC Berkeley Berend Smit tanulmánya megállapította, hogy a merev MOF-ek korlátozott kapacitással rendelkeznek a metán tárolására. A hosszú és végzős hallgató és az első szerző Jarad Mason ehelyett rugalmas MOF-okhoz fordult, megjegyezve, hogy jobban viselkednek, ha metánt pumpálnak ki és be.
az általuk vizsgált rugalmas MOF-ek a szerkezetben diszpergált kobalt-és vasatomokon alapulnak, benzol-dipirazolát (bdp) kapcsolatokkal. Mind a kobalt (bdp), mind a vas (bdp) táguláskor erősen porózus, de összeomláskor lényegében pórusok nélkül zsugorodik.
ezekkel a vegyületekkel végzett első kísérleteik már meghaladják a merev MOF-ek elméleti határait, mondta Long. Ez egy alapvető felfedezés, amely most sok mérnöki munkát igényel, hogy megtudja, hogyan lehet a legjobban kihasználni ezeket az új adszorbens tulajdonságokat.”
ő és kollégái most is rugalmas MOF-eket fejlesztenek a hidrogén tárolására.
az UC Berkeley társszerzői Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman és Miguel Gonzalez. A metánnal és metánnal nem rendelkező MOF-ok szerkezeti és termodinamikai vizsgálatainak elvégzéséhez a csapat együttműködött Matthew Hudsonnal és Craig Brownnal a NIST-től; Julien Rodriguez és Philip Llewellyn a franciaországi Aix-Marseille Egyetemen; Antonio Cervellino a Paul Scherrer intézetből Villigenben, Svájcban; valamint Antonietta Guagliardi és Norberto Masciocchi a To-tól.Sca.Labor Comóban, Olaszországban.
kapcsolódó információk
- metán Tárolás rugalmas fém–szerves keretekben belső hőkezeléssel (Természet)
- Jeff Long csoport honlapja
- az új anyag az energiaköltség felével rögzíti a szenet (2015. március)
- az új anyag csökkenti a műanyag és az üzemanyagok gázválasztásának energiaköltségeit (2012. március)
- áttörés az üzemanyagcellák olcsóbb, hatékonyabb katalizátorainak tervezésében (2012. február)