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Metanolo: il nuovo idrogeno
L'idrogeno sta ottenendo molto clamore come potenziale carburante sostitutivo per i trasporti, per ridurre le emissioni di anidride carbonica e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Ma il metanolo sarebbe molto meglio dell'idrogeno più reattivo e volatile, sostiene George Olah, chimico e premio Nobel, in un nuovo libro, Oltre il petrolio e il gas: l'economia del metanolo .
Olah osserva che il metanolo, un liquido a combustione pulita, richiederebbe solo piccole modifiche ai motori esistenti e alle infrastrutture di consegna del carburante (vedi The Methanol Economy). E la sua produzione potrebbe persino utilizzare l'anidride carbonica, una fonte di riscaldamento globale. I vantaggi del metanolo sono stati compresi da tempo: ora i recenti progressi nella sintesi del metanolo e nelle celle a combustibile a metanolo potrebbero rendere questo combustibile ancora più attraente.
Attualmente, circa il 90% della produzione mondiale di metanolo (CH3OH) deriva dal metano (CH4), il principale componente del gas naturale. I metodi odierni per produrre il metanolo hanno due fasi: convertire il metano in syngas, una miscela principalmente di monossido di carbonio e idrogeno, e poi in metanolo. Sebbene queste fasi siano diventate più efficienti nel tempo, l'eliminazione della fase di syngas potrebbe far risparmiare denaro, poiché attualmente rappresenta fino al 70% del costo di produzione del metanolo.
Nel tentativo di eliminare questo costo, Olah ei suoi colleghi hanno esplorato modi per convertire il metano direttamente in metanolo. Prendi il metano e inserisci un solo atomo di ossigeno, afferma Olah, direttore del Loker Hydrocarbon Research Institute presso la University of Southern California (USC). Facilmente detto, ma non così facilmente realizzabile. Il problema è che il metano è chimicamente inerte e si combina facilmente con l'ossigeno solo ad alte temperature. Un catalizzatore aiuta, ma gli stessi catalizzatori comunemente usati funzionano solo a 300 gradi Celsius o più. A queste temperature, la maggior parte del metanolo prodotto viene ossidato ad anidride carbonica e acqua. In effetti, le rese di metanolo da tali reazioni possono arrivare fino al 2%.
I catalizzatori a bassa temperatura scoperti di recente offrono rese migliori, afferma Roy Periana, professore associato di chimica alla USC. Utilizzando un catalizzatore a base di platino disciolto in acido solforico concentrato a 200 gradi Celsius, Periana ha ottenuto una resa di metanolo superiore al 70%. Ora sta cercando catalizzatori meno costosi e ne ha trovati di promettenti.
Olah e il suo collega Surya Prakash, professore di chimica all'università, hanno sviluppato un metodo alternativo per convertire il metano in metanolo, utilizzando un alogeno come il bromo. In presenza di catalizzatori speciali ea meno di 250 gradi Celsius, il metano reagisce con il bromo per formare bromuro di metile (CH3Br) e bromuro di idrogeno (HBr). Il bromuro di metile reagisce quindi con l'acqua per formare metanolo. Il bromo dal bromuro di idrogeno può essere recuperato per reazione con l'aria e riutilizzato.
La produzione di metanolo dal gas naturale, che utilizza ancora combustibili fossili e aumenta l'anidride carbonica nell'atmosfera, è solo il primo passo, afferma Olah. I chimici sanno da tempo che il metanolo può essere prodotto combinando anidride carbonica e idrogeno. Un tale processo richiede una notevole energia, ad esempio, per raccogliere l'idrogeno dall'acqua, ma questa energia potrebbe provenire da fonti prive di carbonio come l'energia nucleare o eolica. L'anidride carbonica potrebbe essere catturata dai gas di combustione e, infine, direttamente dall'atmosfera, afferma.
In un tale sistema, l'anidride carbonica rilasciata dalla combustione del metanolo verrebbe annullata dall'anidride carbonica catturata per produrla. Quindi il processo sarebbe carbon neutral e il metanolo prodotto sarebbe un conveniente combustibile liquido che potrebbe sostituire i combustibili a base di petrolio. Se l'anidride carbonica proviene dall'aria e l'idrogeno dall'acqua, questo metodo per produrre metanolo sarebbe come la fotosintesi rapida: non dobbiamo aspettare che la vita delle piante converta lentamente l'anidride carbonica in eccesso in idrocarburi, afferma Olah. Possiamo sostituire Madre Natura.
Olah sottolinea che il metanolo prodotto in questo modo non sarebbe una nuova fonte di energia, ma semplicemente un modo conveniente di immagazzinare energia. Il suo vantaggio rispetto all'idrogeno sarebbe la possibilità di utilizzare i motori e le infrastrutture esistenti con solo piccole modifiche.
In molti modi, con le sue basse emissioni e un numero di ottano di 100, il metanolo è già un carburante migliore per i motori a combustione interna rispetto alla benzina. Un motore a metanolo può funzionare con un rapporto di compressione più elevato ed è più facile da raffreddare. Ma il metanolo ha alcuni inconvenienti: ha una pressione di vapore inferiore rispetto alla benzina, il che rende i motori lenti nelle partenze a freddo, e brucia con una fiamma invisibile, il che potrebbe essere un pericolo per la sicurezza, poiché sarebbe difficile da rilevare in caso di incidente per i soccorritori. , Per esempio. Per mitigare questi problemi, il metanolo oggi viene solitamente miscelato con il 15% di benzina per ottenere una miscela di carburante nota come M85.
Il metanolo è un carburante per autoveicoli ancora migliore se utilizzato in combinazione con la tecnologia delle celle a combustibile, afferma Paul Erickson, assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università della California, Davis. Le celle a combustibile, che convertono l'energia chimica direttamente in elettricità, sono più efficienti dei motori che bruciano carburante. La cella a combustibile a idrogeno, in particolare, è stata ampiamente proposta come alternativa pulita ed efficiente ai motori a combustione interna alimentati a benzina. Il laboratorio di Erickson ha un autobus a celle a combustibile a idrogeno funzionante con un reattore a bordo che riforma il metanolo per produrre idrogeno per le sue celle a combustibile. Evitiamo completamente di dover immagazzinare idrogeno, afferma Erickson.
Il reforming a bordo, tuttavia, consuma spazio ed energia. Nel 1993, Prakash, Olah e un team del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, in California, hanno inventato insieme una cella a combustibile che funziona direttamente con una miscela di metanolo e acqua. Gli elettrodi positivo e negativo della cella sono separati da una membrana progettata per consentire solo ai protoni del metanolo di migrare da un elettrodo all'altro. Le prime versioni di questa membrana, tuttavia, consentivano al metanolo di attraversare e reagire con l'ossigeno al secondo elettrodo, riducendo il voltaggio della cella e sprecando energia sotto forma di calore.
Nel 2001, Prakash ei suoi colleghi hanno sviluppato una nuova membrana che è sia più economica che più resistente al crossover. Con questo perfezionamento, la cella a combustibile a metanolo diretto fornisce un'efficienza del 35 percento, circa il doppio di quella di un motore a combustione interna, ma ben al di sotto della sua efficienza teorica del 97 percento.
La cella a combustibile a metanolo diretto è attualmente troppo costosa per essere utilizzata nelle autovetture. Il suo alto costo deriva principalmente dal platino e dal rutenio utilizzati come catalizzatori. Prakash e altri stanno sviluppando una varietà di approcci per ridurre la quantità di catalizzatore necessaria: rendere il catalizzatore più attivo, aumentare la sua superficie e utilizzare metodi su scala nanometrica. Quando questa tecnologia maturerà, Erickson crede che potrebbe sostituire la cella a combustibile a idrogeno. Una cella a combustibile a metanolo diretto economico e ad alta potenza è il Santo Graal, dice.