211service.com
Methanol: Det nye brint
Brint har fået masser af hype som et potentielt erstatningsbrændstof til transport, til at reducere kuldioxidemissioner og reducere afhængigheden af fossile brændstoffer. Men methanol ville være langt bedre end det mere reaktive og flygtige brint, hævder George Olah, en kemiker og nobelprismodtager, i en ny bog, Ud over olie og gas: Methanoløkonomien .
Olah bemærker, at methanol, en rent brændende væske, kun ville kræve mindre ændringer af eksisterende motorer og brændstofforsyningsinfrastruktur (se The Methanol Economy). Og fremstilling af det kunne endda gøre brug af kuldioxid, en kilde til global opvarmning. Methanols fordele har længe været forstået - nu kan de seneste fremskridt inden for methanolsyntese og methanolbrændselsceller gøre dette brændstof endnu mere attraktivt.
I øjeblikket stammer omkring 90 procent af den verdensomspændende produktion af methanol (CH3OH) fra metan (CH4), hovedbestanddelen af naturgas. Dagens metoder til fremstilling af methanol har to trin: omdannelse af metan til syngas, en blanding af primært kulilte og brint, og derefter til methanol. Selvom disse trin er blevet mere effektive med tiden, kan elimineringen af syngastrinnet spare penge, da det i øjeblikket tegner sig for op til 70 procent af omkostningerne ved at fremstille methanol.
I et forsøg på at eliminere disse omkostninger har Olah og hans kolleger undersøgt måder at omdanne metan direkte til methanol. Man tager metan og stikker kun ét iltatom ind, siger Olah, direktør for Loker Hydrocarbon Research Institute ved University of Southern California (USC). Nemt sagt, men ikke så let gjort. Problemet er, at metan er kemisk inert og kun kombineres med ilt ved høje temperaturer. En katalysator hjælper, men almindeligt anvendte katalysatorer fungerer kun ved 300 grader Celsius eller højere. Ved disse temperaturer oxideres det meste af den producerede methanol til kuldioxid og vand. Faktisk kan methanoludbytter fra sådanne reaktioner være så lave som 2 procent.
Nyligt opdagede lavere temperaturkatalysatorer giver bedre udbytte, siger Roy Periana, lektor i kemi ved USC. Ved at bruge en platinbaseret katalysator opløst i koncentreret svovlsyre ved 200 grader Celsius har Periana opnået et methanoludbytte på mere end 70 procent. Han leder nu efter billigere katalysatorer og har fundet nogle lovende.
Olah og hans kollega Surya Prakash, professor i kemi ved universitetet, har udviklet en alternativ metode til at omdanne metan til methanol ved hjælp af et halogen som brom. I nærvær af specielle katalysatorer og ved mindre end 250 grader Celsius reagerer metan med brom og danner methylbromid (CH3Br) og hydrogenbromid (HBr). Methylbromid reagerer derefter med vand og danner methanol. Bromet fra hydrogenbromidet kan genvindes ved reaktion med luft og genbruges.
At lave methanol af naturgas - som stadig involverer fossile brændstoffer og øger kuldioxiden i atmosfæren - er kun det første skridt, siger Olah. Kemikere har længe vidst, at methanol kan fremstilles ved at kombinere kuldioxid og brint. En sådan proces kræver betydelig energi, for eksempel at høste brinten fra vand, men denne energi kan komme fra kulstoffrie kilder som atomkraft eller vindkraft. Kuldioxiden kunne fanges fra røggasser og i sidste ende direkte fra atmosfæren, siger han.
I et sådant system vil den kuldioxid, der frigives ved afbrænding af methanol, blive udlignet af den kuldioxid, der fanges for at fremstille det. Så processen ville være kulstofneutral, og den producerede methanol ville være et bekvemt flydende brændstof, der kunne erstatte petroleumsbaserede brændstoffer. Hvis kuldioxiden kommer fra luft og brinten fra vand, ville denne metode til fremstilling af methanol være som hurtig fotosyntese: Vi behøver ikke vente på, at plantelivet langsomt omdanner overskydende kuldioxid til kulbrinter, siger Olah. Vi kan erstatte Moder Natur.
Olah understreger, at den methanol, der produceres på denne måde, ikke ville være en ny energikilde, men blot en bekvem måde at lagre energi på. Dens fordel i forhold til brint ville være muligheden for at bruge eksisterende motorer og infrastruktur med kun mindre ændringer.
På mange måder er methanol med sine lave emissioner og et oktantal på 100 allerede et bedre brændstof til forbrændingsmotorer end benzin. En methanolmotor kan køre med et højere kompressionsforhold og er lettere at køle. Men methanol har nogle ulemper: det har lavere damptryk end benzin, hvilket gør motorer træge ved koldstart, og det brænder med en usynlig flamme, hvilket kan udgøre en sikkerhedsrisiko, da det ville være svært for nødhjælpsarbejdere at opdage i en ulykke , for eksempel. For at afbøde disse problemer blandes methanol i dag normalt med 15 procent benzin for at lave en brændstofblanding kendt som M85.
Methanol er et endnu bedre brændstof til biler, når det bruges i kombination med brændselscelleteknologi, siger Paul Erickson, assisterende professor i maskinteknik ved University of California, Davis. Brændselsceller, som omdanner kemisk energi direkte til elektricitet, er mere effektive end motorer, der forbrænder brændstof. Især brintbrændselscellen er blevet bredt foreslået som et rent og effektivt alternativ til benzindrevne forbrændingsmotorer. Ericksons laboratorium har en fungerende brintbrændselscellebus med en indbygget reaktor, der reformerer methanol for at producere brint til sine brændselsceller. Vi slipper helt for at skulle opbevare brint, siger Erickson.
Ombordreformering kræver dog plads og energi. I 1993 opfandt Prakash, Olah og et team på Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA, i fællesskab en brændselscelle, der kører direkte på en blanding af methanol og vand. Cellens positive og negative elektroder er adskilt af en membran designet til kun at tillade protoner fra methanolen at migrere fra den ene elektrode til den anden. Tidlige versioner af denne membran tillod dog noget methanol at komme igennem og reagere med ilt ved den anden elektrode, hvilket reducerede cellens spænding og spildte energi i form af varme.
I 2001 udviklede Prakash og hans kolleger en ny membran, der både er billigere og mere modstandsdygtig over for crossover. Med denne forfining giver den direkte methanol-brændselscelle en effektivitet på 35 procent, cirka dobbelt så stor som en forbrændingsmotor, men langt under den teoretiske effektivitet på 97 procent.
Den direkte methanol-brændselscelle er i øjeblikket for dyr til at blive brugt i personbiler. Dens høje omkostninger kommer hovedsageligt fra platin og ruthenium, der bruges som katalysatorer. Prakash og andre udvikler en række forskellige tilgange til at reducere den nødvendige mængde katalysator: gør katalysatoren mere aktiv, øger dens overfladeareal og bruger metoder i nanoskala. Når denne teknologi modnes, mener Erickson, at den kan erstatte brintbrændselscellen. En billig, høj-effekt direkte methanol brændselscelle er den hellige gral, siger han.