kemister hittar bättre sätt att packa naturgas i bränsletankar
ett nytt och innovativt sätt att lagra metan kan påskynda utvecklingen av naturgasdrivna bilar som inte kräver höga tryck eller kalla temperaturer i dagens komprimerade eller flytande naturgasfordon.
flexibla MOF genomgår en dramatisk strukturell förändring när de adsorberar metan, som snabbt går från ett icke-poröst till ett mycket poröst material. Denna animerade gif visar en pore av materialet. Jarad Mason grafisk.
naturgas är renare än bensin, och idag finns det mer än 150 000 komprimerad naturgas (CNG) fordon på vägen i USA, de flesta lastbilar och bussar. Men tills tillverkare kan hitta ett sätt att packa mer metan i en tank vid lägre tryck och temperaturer, vilket möjliggör ett större körområde och mindre krångel vid pumpen, är det osannolikt att personbilar använder naturgas som bränsle.
UC Berkeley — kemister har nu utvecklat ett poröst och flexibelt material-en så kallad metallorganisk ram (MOF)-för lagring av metan som hanterar dessa problem. Den flexibla MOF kollapsar när metan extraheras för att köra motorn, men expanderar när metan pumpas in vid endast måttligt tryck, inom det område som produceras av en hemkompressor.
” du kan eventuellt fylla hemma”, säger Jeffrey Long, en UC Berkeley professor i kemi som ledde projektet.
den flexibla MOF kan laddas med metan, huvudingrediensen i naturgas, vid 35 till 65 gånger atmosfärstryck (500-900 psi), medan komprimerad naturgas (CNG) fordon komprimerar naturgas till en tom tank under 250 atmosfärer (3600 psi).
flytande naturgas (LNG) fordon arbetar vid lägre tryck men kräver betydande isolering i tanksystemet för att hålla naturgasen vid minus-162 grader Celsius (minus-260 grader Fahrenheit) så att den förblir flytande.
nästa generations NG-fordon
Long sa att nästa generations naturgasfordon kommer att kräva ett material som binder metan och packar det tätare i bränsletanken, vilket ger ett större körområde. Ett av de största problemen har varit att hitta ett material som absorberar metan vid ett relativt lågt tryck, till exempel 35 atmosfärer, men ger allt upp vid ett tryck där motorn kan fungera, mellan 5 och 6 atmosfärer. Mof, som har mycket inre yta för att adsorbera gaser — det vill säga för gasmolekyler att hålla fast vid porernas inre ytor-och lagra dem med hög densitet, är ett av de mest lovande materialen för adsorberad naturgas (ANG) Lagring.
ett tvärsnitt genom en flexibel MOF visar hur den kemiska strukturen skiftar när metan absorberas. (Jarad Mason grafisk)
”Detta är ett stort framsteg både när det gäller kapacitet och termisk hantering,” sa Long. ”Med dessa nya flexibla MOFs kan du komma till kapacitet utöver vad som trodde var möjligt med styva MOFs.”
bland de andra fördelarna med flexibla MOF, säger Long, är att de inte värmer upp lika mycket som andra metanabsorbenter, så det krävs mindre kylning av bränslet.
” om du fyller en tank som har adsorbent, såsom aktivt kol, när metan binder det släpper ut värme”, sa han. ”Med vårt material går en del av den värmen till att ändra materialets struktur, så att du har mindre värme att sprida, mindre värme att hantera. Du behöver inte ha så mycket kylteknik i samband med att fylla din tank.”
det flexibla MOF-materialet kan kanske till och med placeras i en ballongliknande påse som sträcker sig för att rymma den expanderande MOF när metan pumpas in, så att en del av den avgivna värmen går in i att sträcka påsen.
Long och hans kollegor vid National Institute of Standards and Technology och i Europa kommer att publicera sina resultat online oktober. 26 före publicering i tidskriften Nature.
förbättra ombord naturgas Lagring
naturgas från oljebrunnar är en av de billigaste och renaste fossila bränslen idag, används i stor utsträckning för att värma bostäder samt i tillverkning och för att producera el. Det har dock ännu inte antagits allmänt inom transportsektorn på grund av de dyra och stora komprimerade bränsletankarna ombord. Dessutom packar bensin över tre gånger energitätheten per volym som naturgas, även när den komprimeras till 3 600 psi, vilket resulterar i naturgasfordon med kortare körområde per påfyllning.
för att avancera ombord naturgas Lagring, Ford Motor Company slagit sig ihop med UC Berkeley på detta projekt, med finansiering från Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA–E) av US Department of Energy. Ford är ledande inom CNG / propan-prepped fordon med mer än 57 000 sålda i USA sedan 2009, mer än alla andra stora amerikanska biltillverkare tillsammans.
enligt Mike Veenstra, Fords research and advanced engineering group i Dearborn, Michigan, erkände Ford att ANG har potential att sänka kostnaden för ombord tankar, stationskompressorer och bränsle tillsammans med tjänar till att öka naturgasdrivna fordon driving range inom det begränsade lastutrymmet.
”Naturgaslagring i porösa material ger den viktigaste fördelen att kunna lagra betydande mängder naturgas vid låga tryck än komprimerad gas vid samma förhållanden”, säger Veenstra, huvudutredaren för detta ARPA-E-projekt. ”Fördelen med lågt tryck är den fördel det ger både ombord på fordonet och ombord på stationen. Dessutom underlättar lågtrycksapplikationen nya koncept som tankar med reducerade väggtjocklekar tillsammans med formbara koncept som hjälper till att minska behovet av att uppnå motsvarande volymetrisk kapacitet för komprimerad CNG vid högt tryck.”
Long har utforskat Mof som Gas adsorberare i ett decennium, i hopp om att använda dem för att fånga koldioxid som släpps ut från kraftverk eller lagra väte i vätgasdrivna fordon eller för att katalysera gasreaktioner för industrin. Förra året fann emellertid en studie av UC Berkeleys Berend Smit att styva MOF har en begränsad kapacitet att lagra metan. Lång och doktorand och första författare Jarad Mason vände sig istället till flexibla MOFs och noterade att de beter sig bättre när metan pumpas in och ut.
de flexibla MOF: erna som de testade är baserade på kobolt-och järnatomer dispergerade genom hela strukturen, med länkar av bensenedipyrazolat (bdp). Både kobolt (bdp) och järn (BDP) är mycket porösa när de expanderas, men krymper till väsentligen inga porer när de kollapsas.
deras första experiment på dessa föreningar överträffar redan de teoretiska gränserna för styva MOF, sade Long. Detta är en grundläggande upptäckt som nu behöver mycket teknik för att ta reda på hur man bäst kan dra nytta av dessa nya adsorbentegenskaper.”
han och hans kollegor utvecklar nu också flexibla MOF för att lagra väte.
UC Berkeley medförfattare är Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman och Miguel Gonzalez. För att utföra strukturella och termodynamiska studier av MOFs med och utan metan samarbetade teamet med Matthew Hudson och Craig Brown från NIST; Julien Rodriguez och Philip Llewellyn från Aix-Marseille University i Frankrike; Antonio Cervellino från Paul Scherrer Institute i Villigen, Schweiz; och Antonietta Guagliardi och Norberto Masciocchi från To.Sca.Lab i Como, Italien.
relaterad INFORMATION
- Metanlagring i flexibla metallorganiska ramar med inneboende termisk hantering (Natur)
- Jeff Longs gruppwebbplats
- nytt material fångar kol till hälften av energikostnaden (mars 2015)
- nytt material minskar energikostnaderna för att separera gas för plast och bränslen (mars 2012)
- genombrott i design av billigare, effektivare katalysatorer för bränsleceller (februari 2012)