211service.com
Metanol: Det nya vätet
Vätgas har fått massor av hype som ett potentiellt ersättningsbränsle för transporter, för att minska koldioxidutsläppen och minska beroendet av fossila bränslen. Men metanol skulle vara mycket bättre än det mer reaktiva och flyktiga vätet, hävdar George Olah, en kemist och nobelpristagare, i en ny bok, Bortom olja och gas: Metanolekonomin .
Olah noterar att metanol, en rent brinnande vätska, endast skulle kräva mindre modifieringar av befintliga motorer och infrastruktur för bränsleleverans (se Metanolekonomin). Och att tillverka den kan till och med använda koldioxid, en källa till global uppvärmning. Metanols fördelar har länge förståtts - nu kan de senaste framstegen inom metanolsyntes och metanolbränsleceller göra detta bränsle ännu mer attraktivt.
För närvarande härrör cirka 90 procent av den globala produktionen av metanol (CH3OH) från metan (CH4), huvudkomponenten i naturgas. Dagens metoder för att tillverka metanol har två steg: omvandling av metan till syngas, en blandning av främst kolmonoxid och väte, och sedan till metanol. Även om dessa steg har blivit mer effektiva med tiden, kan elimineringen av syngassteget spara pengar, eftersom det för närvarande står för upp till 70 procent av kostnaden för att tillverka metanol.
I ett försök att eliminera denna kostnad har Olah och hans kollegor undersökt sätt att omvandla metan direkt till metanol. Du tar metan och sticker in bara en syreatom, säger Olah, chef för Loker Hydrocarbon Research Institute vid University of Southern California (USC). Lätt sagt, men inte så lätt gjort. Problemet är att metan är kemiskt inert och kombineras lätt med syre endast vid höga temperaturer. En katalysator hjälper, men vanliga katalysatorer fungerar bara vid 300 grader Celsius eller högre. Vid dessa temperaturer oxideras det mesta av den metanol som produceras till koldioxid och vatten. Metanolutbytena från sådana reaktioner kan faktiskt vara så låga som 2 procent.
Nyligen upptäckta lägre temperaturkatalysatorer ger bättre avkastning, säger Roy Periana, docent i kemi vid USC. Med hjälp av en platinabaserad katalysator löst i koncentrerad svavelsyra vid 200 grader Celsius har Periana uppnått ett metanolutbyte på mer än 70 procent. Han letar nu efter billigare katalysatorer och har hittat några lovande.
Olah och hans kollega Surya Prakash, professor i kemi vid universitetet, har utvecklat en alternativ metod för att omvandla metan till metanol, med hjälp av en halogen som brom. I närvaro av speciella katalysatorer och vid mindre än 250 grader Celsius reagerar metan med brom och bildar metylbromid (CH3Br) och vätebromid (HBr). Metylbromid reagerar sedan med vatten och bildar metanol. Bromet från vätebromiden kan utvinnas genom reaktion med luft och återanvändas.
Att göra metanol av naturgas – som fortfarande involverar fossila bränslen och ökar koldioxiden i atmosfären – är bara det första steget, säger Olah. Kemister har länge vetat att metanol kan tillverkas genom att kombinera koldioxid och väte. En sådan process kräver avsevärd energi, till exempel för att skörda vätgas från vatten, men denna energi kan komma från kolfria källor som kärnkraft eller vindkraft. Koldioxiden skulle kunna fångas upp från rökgaser, och så småningom direkt från atmosfären, säger han.
I ett sådant system skulle koldioxiden som frigörs genom förbränning av metanol elimineras av den koldioxid som fångas upp för att göra den. Så processen skulle vara kolneutral, och metanolen som produceras skulle vara ett bekvämt flytande bränsle som kan ersätta petroleumbaserade bränslen. Om koldioxiden kommer från luft och väte från vatten, skulle den här metoden att tillverka metanol vara som snabb fotosyntes: Vi behöver inte vänta på att växtlivet långsamt omvandlar överskott av koldioxid till kolväten, säger Olah. Vi kan ersätta Moder Natur.
Olah betonar att den metanol som produceras på detta sätt inte skulle vara en ny energikälla, utan helt enkelt ett bekvämt sätt att lagra energi. Dess fördel gentemot väte skulle vara möjligheten att använda befintliga motorer och infrastruktur med endast mindre modifieringar.
På många sätt, med sina låga utsläpp och ett oktantal på 100, är metanol redan ett bättre bränsle för förbränningsmotorer än bensin. En metanolmotor kan köras med ett högre kompressionsförhållande och är lättare att kyla. Men metanol har några nackdelar: den har lägre ångtryck än bensin, vilket gör motorer tröga vid kallstarter, och den brinner med en osynlig låga, vilket kan utgöra en säkerhetsrisk, eftersom det skulle vara svårt för räddningspersonal att upptäcka i en olycka , till exempel. För att mildra dessa problem blandas metanol idag vanligtvis med 15 procent bensin för att göra en bränsleblandning känd som M85.
Metanol är ett ännu bättre fordonsbränsle när det används i kombination med bränslecellsteknologi, säger Paul Erickson, biträdande professor i maskinteknik vid University of California, Davis. Bränsleceller, som omvandlar kemisk energi direkt till elektricitet, är effektivare än motorer som förbränner bränsle. Särskilt vätebränslecellen har föreslagits allmänt som ett rent och effektivt alternativ till bensindrivna förbränningsmotorer. Ericksons laboratorium har en fungerande vätebränslecellsbuss med en inbyggd reaktor som reformerar metanol för att producera väte till sina bränsleceller. Vi slipper helt att behöva lagra vätgas, säger Erickson.
Reformering ombord kräver dock utrymme och energi. 1993 uppfann Prakash, Olah och ett team vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA, tillsammans en bränslecell som körs direkt på en blandning av metanol och vatten. Cellens positiva och negativa elektroder separeras av ett membran utformat för att endast tillåta protoner från metanolen att migrera från en elektrod till den andra. Tidiga versioner av detta membran lät dock lite metanol komma över och reagera med syre vid den andra elektroden, vilket minskade cellens spänning och slösade bort energi i form av värme.
2001 utvecklade Prakash och hans kollegor ett nytt membran som är både billigare och mer motståndskraftigt mot crossover. Med denna förfining ger den direkta metanolbränslecellen en verkningsgrad på 35 procent, ungefär dubbelt så stor som en förbränningsmotor, men långt under sin teoretiska verkningsgrad på 97 procent.
Den direkta metanolbränslecellen är för närvarande för dyr för att användas i personbilar. Dess höga kostnad kommer främst från platina och rutenium som används som katalysatorer. Prakash och andra utvecklar en mängd olika tillvägagångssätt för att minska mängden katalysator som behövs: att göra katalysatorn mer aktiv, öka dess yta och använda metoder i nanoskala. När denna teknik mognar tror Erickson att den kan ersätta vätebränslecellen. En billig, högeffekts direkt metanolbränslecell är den heliga gralen, säger han.