211service.com
Metanol: nowy wodór
Wodór stał się bardzo popularny jako potencjalne paliwo zastępcze w transporcie, mające na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla i zmniejszenie zależności od paliw kopalnych. Ale metanol byłby znacznie lepszy niż bardziej reaktywny i lotny wodór, przekonuje George Olah, chemik i laureat Nagrody Nobla, w nowej książce: Poza ropą i gazem: gospodarka metanolem .
Olah zauważa, że metanol, czysto palący się płyn, wymagałby jedynie niewielkich modyfikacji istniejących silników i infrastruktury dostarczania paliwa (patrz: Gospodarka metanolem ). A produkcja może nawet wykorzystać dwutlenek węgla, źródło globalnego ocieplenia. Korzyści płynące z metanolu są od dawna rozumiane – teraz ostatnie postępy w syntezie metanolu i ogniwach paliwowych z metanolem mogą uczynić to paliwo jeszcze bardziej atrakcyjnym.
Obecnie około 90 procent światowej produkcji metanolu (CH3OH) pochodzi z metanu (CH4), głównego składnika gazu ziemnego. Dzisiejsze metody wytwarzania metanolu mają dwa etapy: przekształcanie metanu w gaz syntezowy, mieszaninę głównie tlenku węgla i wodoru, a następnie w metanol. Chociaż z czasem te etapy stały się bardziej wydajne, eliminacja etapu z gazem syntezowym może zaoszczędzić pieniądze, ponieważ obecnie stanowi on do 70 procent kosztów wytwarzania metanolu.
Starając się wyeliminować ten koszt, Olah i jego koledzy badali sposoby bezpośredniej konwersji metanu w metanol. Bierzesz metan i trzymasz tylko jeden atom tlenu, mówi Olah, dyrektor Loker Hydrocarbon Research Institute na Uniwersytecie Południowej Kalifornii (USC). Łatwo powiedzieć, ale nie tak łatwo. Problem polega na tym, że metan jest chemicznie obojętny i łatwo łączy się z tlenem tylko w wysokich temperaturach. Katalizator pomaga, ale powszechnie stosowane same katalizatory działają tylko w temperaturze 300 stopni Celsjusza lub wyższej. W tych temperaturach większość produkowanego metanolu utlenia się do dwutlenku węgla i wody. Rzeczywiście, wydajność metanolu z takich reakcji może wynosić zaledwie 2 procent.
Niedawno odkryte katalizatory niskotemperaturowe zapewniają lepszą wydajność, mówi Roy Periana, profesor chemii na USC. Używając katalizatora na bazie platyny rozpuszczonego w stężonym kwasie siarkowym w temperaturze 200 stopni Celsjusza, Periana osiągnęła wydajność metanolu ponad 70 procent. Teraz szuka tańszych katalizatorów i znalazł kilka obiecujących.
Olah i jego kolega Surya Prakash, profesor chemii na uniwersytecie, opracowali alternatywną metodę konwersji metanu do metanolu przy użyciu halogenu, takiego jak brom. W obecności specjalnych katalizatorów iw temperaturze poniżej 250 stopni Celsjusza metan reaguje z bromem, tworząc bromek metylu (CH3Br) i bromowodór (HBr). Bromek metylu reaguje następnie z wodą, tworząc metanol. Brom z bromowodoru można odzyskać przez reakcję z powietrzem i ponownie wykorzystać.
Wytwarzanie metanolu z gazu ziemnego – który nadal wykorzystuje paliwa kopalne i zwiększa poziom dwutlenku węgla w atmosferze – to tylko pierwszy krok, mówi Olah. Chemicy od dawna wiedzą, że metanol można wytwarzać łącząc dwutlenek węgla i wodór. Taki proces wymaga znacznej ilości energii, na przykład do pozyskiwania wodoru z wody, ale energia ta może pochodzić ze źródeł bezemisyjnych, takich jak energia jądrowa lub wiatrowa. Mówi, że dwutlenek węgla może być wychwytywany z gazów spalinowych, a ostatecznie bezpośrednio z atmosfery.
W takim systemie dwutlenek węgla uwolniony przez spalanie metanolu zostałby zniesiony przez dwutlenek węgla wychwycony w celu jego wytworzenia. Tak więc proces byłby neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla, a wytwarzany metanol byłby wygodnym paliwem płynnym, które mogłoby zastąpić paliwa na bazie ropy naftowej. Jeśli dwutlenek węgla pochodzi z powietrza, a wodór z wody, ta metoda wytwarzania metanolu przypominałaby szybką fotosyntezę: nie musimy czekać, aż rośliny powoli przekształcą nadmiar dwutlenku węgla w węglowodory, mówi Olah. Możemy zastąpić Matkę Naturę.
Olah podkreśla, że tak wytworzony metanol nie byłby nowym źródłem energii, ale po prostu wygodnym sposobem magazynowania energii. Jego przewagą nad wodorem byłaby możliwość wykorzystania istniejących silników i infrastruktury z niewielkimi modyfikacjami.
Pod wieloma względami, dzięki niskiej emisji i liczbie oktanowej 100, metanol jest już lepszym paliwem do silników spalinowych niż benzyna. Silnik na metanol może pracować przy wyższym stopniu sprężania i łatwiej go chłodzić. Ale metanol ma pewne wady: ma niższą prężność pary niż benzyna, co powoduje, że silniki są ociężałe podczas zimnych rozruchów i palą się niewidzialnym płomieniem, co może stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa, ponieważ ratownikom trudno byłoby wykryć je w razie wypadku , na przykład. Aby złagodzić te problemy, obecnie metanol jest zwykle mieszany z 15% benzyną, aby uzyskać mieszankę paliwową znaną jako M85.
Metanol jest jeszcze lepszym paliwem samochodowym w połączeniu z technologią ogniw paliwowych, mówi Paul Erickson, adiunkt w inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. Ogniwa paliwowe, które przetwarzają energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną, są bardziej wydajne niż silniki spalające paliwo. W szczególności wodorowe ogniwo paliwowe było szeroko proponowane jako czysta i wydajna alternatywa dla silników spalinowych napędzanych benzyną. Laboratorium Ericksona ma działający autobus na wodorowe ogniwa paliwowe z pokładowym reaktorem, który przetwarza metanol w celu produkcji wodoru do ogniw paliwowych. Całkowicie unikamy konieczności przechowywania wodoru, mówi Erickson.
Jednak reformowanie na pokładzie pochłania przestrzeń i energię. W 1993 roku Prakash, Olah i zespół z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii wspólnie wynaleźli ogniwo paliwowe działające bezpośrednio na mieszankę metanolu i wody. Elektrody dodatnie i ujemne ogniwa są oddzielone membraną zaprojektowaną tak, aby umożliwić migrację tylko protonów z metanolu z jednej elektrody do drugiej. Wczesne wersje tej membrany pozwalały jednak na przejście pewnej ilości metanolu i reakcję z tlenem na drugiej elektrodzie, co obniżyło napięcie ogniwa i zmarnowało energię w postaci ciepła.
W 2001 roku Prakash i jego koledzy opracowali nową membranę, która jest zarówno tańsza, jak i bardziej odporna na crossover. Dzięki temu udoskonaleniu bezpośrednie ogniwo paliwowe na metanol zapewnia sprawność 35%, około dwa razy większą niż silnik spalinowy, ale znacznie poniżej swojej teoretycznej sprawności 97%.
Bezpośrednie ogniwo paliwowe z metanolem jest obecnie zbyt drogie do stosowania w samochodach osobowych. Jego wysoki koszt wynika głównie z platyny i rutenu stosowanych jako katalizatory. Prakash i inni opracowują różne podejścia do zmniejszenia ilości potrzebnego katalizatora: zwiększenie aktywności katalizatora, zwiększenie jego powierzchni i zastosowanie metod w nanoskali. Erickson wierzy, że kiedy ta technologia dojrzeje, może zastąpić wodorowe ogniwo paliwowe. Niedrogie, o dużej mocy bezpośrednie ogniwo paliwowe na metanol to Święty Graal, mówi.