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Un modo nuovo e innovativo per immagazzinare il metano potrebbe accelerare lo sviluppo di auto alimentate a gas naturale che non richiedono le alte pressioni o le temperature fredde

Il gas naturale brucia più pulito della benzina e oggi ci sono più di 150.000 veicoli a gas naturale compresso (CNG) sulla strada negli Stati Uniti, la maggior parte dei quali camion e autobus. Ma fino a quando i produttori possono trovare un modo per imballare più metano in un serbatoio a pressioni e temperature più basse, consentendo una maggiore autonomia e meno problemi alla pompa, è improbabile che le autovetture adottino il gas naturale come carburante.

I chimici di UC Berkeley hanno ora sviluppato un materiale poroso e flessibile — un cosiddetto metal-organic framework (MOF)-per lo stoccaggio del metano che risolve questi problemi. Il MOF flessibile crolla quando il metano viene estratto per far funzionare il motore, ma si espande quando il metano viene pompato solo a pressione moderata, all’interno della gamma prodotta da un compressore domestico.

“Si potrebbe potenzialmente riempire a casa,” ha detto Jeffrey Long, un professore di chimica UC Berkeley che ha guidato il progetto.

Il MOF flessibile può essere caricato con metano, l’ingrediente principale del gas naturale, a 35-65 volte la pressione atmosferica (500-900 psi), mentre i veicoli a gas naturale compresso (CNG) comprimono il gas naturale in un serbatoio vuoto sotto 250 atmosfere (3.600 psi).

I veicoli a gas naturale liquefatto (GNL) funzionano a pressioni inferiori ma richiedono un isolamento significativo nel sistema del serbatoio per mantenere il gas naturale a meno-162 gradi Celsius (meno-260 gradi Fahrenheit) in modo che rimanga liquido.

Next-gen NG vehicles
Long ha detto che i veicoli a gas naturale di prossima generazione richiederanno un materiale che lega il metano e lo imballa più densamente nel serbatoio del carburante, fornendo un campo pratica più ampio. Uno dei principali problemi è stato trovare un materiale che assorbe il metano a una pressione relativamente bassa, come 35 atmosfere, ma lo cede a una pressione in cui il motore può funzionare, tra 5 e 6 atmosfere. I MOF, che hanno molta superficie interna per adsorbire i gas-cioè perché le molecole di gas si attaccino alle superfici interne dei pori — e li immagazzinino ad alta densità, sono uno dei materiali più promettenti per lo stoccaggio del gas naturale adsorbito (ANG).

“Questo è un grande progresso sia in termini di capacità che di gestione termica”, ha detto Long. “Con questi nuovi MOF flessibili, è possibile ottenere capacità oltre ciò che si pensava possibile con i MOF rigidi.”

Tra gli altri vantaggi di MOF flessibili, Long dice, è che non si riscaldano tanto quanto altri assorbitori di metano, quindi c’è meno raffreddamento del carburante richiesto.

” Se si riempie un serbatoio che ha adsorbente, come il carbone attivo, quando il metano si lega rilascia calore”, ha detto. “Con il nostro materiale, parte di quel calore va a cambiare la struttura del materiale, in modo da avere meno calore da dissipare, meno calore da gestire. Non devi avere la stessa tecnologia di raffreddamento associata al riempimento del serbatoio.”

Il materiale flessibile MOF potrebbe forse anche essere collocato all’interno di una borsa a palloncino che si estende per ospitare il MOF in espansione mentre il metano viene pompato, in modo che parte del calore emesso vada ad allungare la borsa.

Long e i suoi colleghi presso l’Istituto Nazionale di Standard e tecnologia e in Europa pubblicheranno i loro risultati on-line ottobre. 26 prima della pubblicazione sulla rivista Nature.

Migliorare lo stoccaggio di gas naturale a bordo
Il gas naturale proveniente dai pozzi petroliferi è uno dei combustibili fossili più economici e puliti oggi, ampiamente utilizzato per riscaldare le case, nonché nella produzione e nella produzione di elettricità. Deve ancora essere ampiamente adottato nel settore dei trasporti, tuttavia, a causa dei costosi e grandi serbatoi di carburante compressi a bordo. Inoltre, la benzina confeziona oltre tre volte la densità di energia per volume come gas naturale, anche se compressa a 3.600 psi, il che si traduce in veicoli a gas naturale con un campo pratica più breve per riempimento.

Per far avanzare lo stoccaggio di gas naturale a bordo, Ford Motor Company ha collaborato con UC Berkeley su questo progetto, con il finanziamento della Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA–E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Ford è leader nei veicoli preparati a metano / propano con più di 57.000 venduti negli Stati Uniti dal 2009, più di tutti gli altri principali produttori di automobili statunitensi combinati.

Secondo Mike Veenstra, del gruppo di ricerca e ingegneria avanzata di Ford a Dearborn, nel Michigan, Ford ha riconosciuto che ANG ha il potenziale per ridurre il costo dei serbatoi di bordo, dei compressori delle stazioni e del carburante, oltre a servire ad aumentare il campo di guida dei veicoli alimentati a gas naturale all’interno dello spazio di carico limitato.

“Lo stoccaggio di gas naturale in materiali porosi offre il vantaggio chiave di poter immagazzinare quantità significative di gas naturale a basse pressioni rispetto al gas compresso alle stesse condizioni”, ha affermato Veenstra, il principal investigator di questo progetto ARPA-E. “Il vantaggio della bassa pressione è il vantaggio che offre sia a bordo del veicolo che fuori bordo alla stazione. Inoltre, l’applicazione a bassa pressione facilita nuovi concetti come serbatoi con spessori ridotti delle pareti e concetti conformabili che aiutano a ridurre la necessità di raggiungere la capacità volumetrica equivalente del GNC compresso ad alta pressione.”

Long ha esplorato i MOF come adsorbitori di gas per un decennio, sperando di usarli per catturare l’anidride carbonica emessa dalle centrali elettriche o immagazzinare idrogeno in veicoli alimentati a idrogeno, o per catalizzare le reazioni di gas per l’industria. L’anno scorso, tuttavia, uno studio di Berend Smit di UC Berkeley ha rilevato che i MOF rigidi hanno una capacità limitata di immagazzinare metano. Lo studente lungo e laureato e il primo autore Jarad Mason si sono invece rivolti ai MOF flessibili, notando che si comportano meglio quando il metano viene pompato dentro e fuori.

I MOF flessibili testati sono basati su atomi di cobalto e ferro dispersi in tutta la struttura, con collegamenti di benzenedipirazolato (bdp). Sia il cobalto (bdp) che il ferro (bdp) sono altamente porosi una volta espansi, ma si restringono essenzialmente senza pori quando sono crollati.

I loro primi esperimenti su questi composti superano già i limiti teorici per i MOF rigidi, ha detto Long. Questa è una scoperta fondamentale che ora ha bisogno di un sacco di ingegneria per scoprire il modo migliore per sfruttare queste nuove proprietà adsorbenti.”

Lui e i suoi colleghi stanno anche sviluppando MOF flessibili per immagazzinare idrogeno.

UC Berkeley co-autori sono Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman e Miguel Gonzalez. Per eseguire strutturali e termodinamici studi del Mof con e senza metano, il team ha collaborato con Matthew Hudson e Craig Brown del NIST; Julien Rodriguez e Filippo Llewellyn di Aix-Marseille University in Francia; Antonio Cervellino Paul Scherrer institut di Villigen, Svizzera; e Antonietta Guagliardi e Norberto Masciocchi dell’A.Sca.Laboratorio a Como, Italia.
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