211service.com
Methanol: de nieuwe waterstof
Waterstof heeft veel hype gekregen als mogelijke vervangende transportbrandstof, om de uitstoot van kooldioxide te verminderen en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Maar methanol zou veel beter zijn dan de meer reactieve en vluchtige waterstof, betoogt George Olah, een chemicus en Nobelprijswinnaar, in een nieuw boek, Voorbij olie en gas: de methanoleconomie .
Olah merkt op dat methanol, een schoon brandende vloeistof, slechts kleine aanpassingen aan bestaande motoren en brandstoftoevoerinfrastructuur vereist (zie The Methanol Economy). En bij de productie ervan kan zelfs gebruik worden gemaakt van koolstofdioxide, een bron van opwarming van de aarde. De voordelen van methanol zijn al lang bekend - nu kunnen recente ontwikkelingen op het gebied van methanolsynthese en methanolbrandstofcellen deze brandstof nog aantrekkelijker maken.
Momenteel is ongeveer 90 procent van de wereldwijde productie van methanol (CH3OH) afkomstig van methaan (CH4), het hoofdbestanddeel van aardgas. De huidige methoden om methanol te maken bestaan uit twee fasen: het omzetten van methaan in syngas, een mengsel van voornamelijk koolmonoxide en waterstof, en vervolgens in methanol. Hoewel deze stappen in de loop van de tijd efficiënter zijn geworden, zou de eliminatie van de syngasstap geld kunnen besparen, aangezien deze momenteel tot 70 procent van de kosten van het maken van methanol vertegenwoordigt.
In een poging om deze kosten te elimineren, hebben Olah en zijn collega's manieren onderzocht om methaan rechtstreeks om te zetten in methanol. Je neemt methaan en steekt er maar één zuurstofatoom in, zegt Olah, directeur van het Loker Hydrocarbon Research Institute van de University of Southern California (USC). Makkelijk gezegd, maar niet zo makkelijk gedaan. Het probleem is dat methaan chemisch inert is en alleen bij hoge temperaturen gemakkelijk met zuurstof kan worden gecombineerd. Een katalysator helpt, maar veelgebruikte katalysatoren werken zelf pas bij 300 graden Celsius of hoger. Bij deze temperaturen wordt het grootste deel van de geproduceerde methanol geoxideerd tot koolstofdioxide en water. De methanolopbrengsten van dergelijke reacties kunnen zelfs zo laag zijn als 2 procent.
Onlangs ontdekte katalysatoren bij lagere temperaturen bieden betere opbrengsten, zegt Roy Periana, universitair hoofddocent chemie aan het USC. Met behulp van een op platina gebaseerde katalysator opgelost in geconcentreerd zwavelzuur bij 200 graden Celsius, heeft Periana een methanolopbrengst van meer dan 70 procent behaald. Hij is nu op zoek naar goedkopere katalysatoren en heeft een aantal veelbelovende gevonden.
Olah en zijn collega Surya Prakash, hoogleraar scheikunde aan de universiteit, hebben een alternatieve methode ontwikkeld om methaan om te zetten in methanol, met een halogeen als broom. In aanwezigheid van speciale katalysatoren en bij minder dan 250 graden Celsius reageert methaan met broom tot methylbromide (CH3Br) en waterstofbromide (HBr). Methylbromide reageert vervolgens met water om methanol te vormen. Het broom uit het waterstofbromide kan door reactie met lucht worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt.
Het maken van methanol uit aardgas – waarbij nog steeds fossiele brandstoffen worden gebruikt en de koolstofdioxide in de atmosfeer toeneemt – is slechts de eerste stap, zegt Olah. Chemici weten al lang dat methanol kan worden gemaakt door kooldioxide en waterstof te combineren. Zo'n proces vereist veel energie om bijvoorbeeld waterstof uit water te halen, maar deze energie kan afkomstig zijn van koolstofvrije bronnen zoals kern- of windenergie. De koolstofdioxide kan worden opgevangen uit rookgassen en uiteindelijk rechtstreeks uit de atmosfeer, zegt hij.
In een dergelijk systeem zou de koolstofdioxide die vrijkomt bij de verbranding van methanol worden tenietgedaan door de koolstofdioxide die wordt opgevangen om het te maken. Het proces zou dus koolstofneutraal zijn en de geproduceerde methanol zou een handige vloeibare brandstof zijn die op aardolie gebaseerde brandstoffen zou kunnen vervangen. Als de koolstofdioxide uit lucht komt en de waterstof uit water, zou deze methode om methanol te maken vergelijkbaar zijn met snelle fotosynthese: we hoeven niet te wachten tot het plantenleven het overtollige koolstofdioxide langzaam omzet in koolwaterstoffen, zegt Olah. We kunnen Moeder Natuur vervangen.
Olah benadrukt dat de op deze manier geproduceerde methanol geen nieuwe energiebron zou zijn, maar gewoon een handige manier om energie op te slaan. Het voordeel ten opzichte van waterstof zou de mogelijkheid zijn om bestaande motoren en infrastructuur te gebruiken met slechts kleine aanpassingen.
Met zijn lage uitstoot en een octaangetal van 100 is methanol in veel opzichten al een betere brandstof voor verbrandingsmotoren dan benzine. Een methanolmotor kan op een hogere compressieverhouding draaien en is gemakkelijker te koelen. Maar methanol heeft enkele nadelen: het heeft een lagere dampdruk dan benzine, waardoor motoren traag worden bij koude starts, en het brandt met een onzichtbare vlam, wat een veiligheidsrisico kan vormen, omdat het voor hulpverleners moeilijk te detecteren zou zijn bij een ongeval , bijvoorbeeld. Om deze problemen te verminderen, wordt methanol tegenwoordig meestal gemengd met 15 procent benzine om een brandstofmix te maken die bekend staat als M85.
Methanol is een nog betere autobrandstof bij gebruik in combinatie met brandstofceltechnologie, zegt Paul Erickson, universitair docent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Californië, Davis. Brandstofcellen, die chemische energie direct omzetten in elektriciteit, zijn efficiënter dan motoren die brandstof verbranden. Vooral de waterstofbrandstofcel is algemeen voorgesteld als een schoon en efficiënt alternatief voor benzine-aangedreven verbrandingsmotoren. Het laboratorium van Erickson heeft een functionerende waterstof-brandstofcelbus met een ingebouwde reactor die methanol hervormt om waterstof te produceren voor zijn brandstofcellen. We vermijden volledig dat we waterstof moeten opslaan, zegt Erickson.
Hervormen aan boord kost echter ruimte en energie. In 1993 vonden Prakash, Olah, en een team van het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, CA, gezamenlijk een brandstofcel uit die rechtstreeks op een mengsel van methanol en water werkt. De positieve en negatieve elektroden van de cel worden gescheiden door een membraan dat is ontworpen om alleen protonen van de methanol van de ene elektrode naar de andere te laten migreren. Vroege versies van dit membraan lieten echter wat methanol toe om over te komen en te reageren met zuurstof bij de tweede elektrode, waardoor de spanning van de cel daalde en energie werd verspild in de vorm van warmte.
In 2001 ontwikkelden Prakash en zijn collega's een nieuw membraan dat zowel goedkoper als beter bestand is tegen crossover. Met deze verfijning geeft de directe methanolbrandstofcel een rendement van 35 procent, ongeveer twee keer dat van een interne verbrandingsmotor, maar ver beneden het theoretische rendement van 97 procent.
De directe brandstofcel met methanol is momenteel te duur voor gebruik in personenauto's. De hoge kosten komen voornamelijk van het platina en ruthenium dat als katalysatoren worden gebruikt. Prakash en anderen ontwikkelen verschillende benaderingen om de benodigde hoeveelheid katalysator te verminderen: de katalysator actiever maken, het oppervlak vergroten en methoden op nanoschaal gebruiken. Wanneer deze technologie volwassen wordt, denkt Erickson dat deze de waterstofbrandstofcel kan vervangen. Een goedkope, krachtige directe methanolbrandstofcel is de heilige graal, zegt hij.