천연가스(Natural Gas)를 이용하는 자동차는 휘발유 자동차와 비교했을 때 연료 가격이 그리 높지 않고 적은 양의 이산화탄소를 생성한다는 장점이 있다. 그렇지만 전세계 일부 지역을 제외하고 천연가스 자동차는 틈새시장 제품이 되고 있다. 이와 관련한 한 연구 결과는 새로운 종류의 합성 물질이 자동차에 연료를 공급하고 가스를 저장하는데 있어 더 쉽고 경제적인 환경을 제공하여 천연가스 자동차 확대에 기여할 것으로 보인다.
천연가스 자동차 보급에 있어 한 가지 장애물은 일반 온도 및 대기압 상태 하에서 천연가스는 휘발유의 동일 부피를 유지하는데 필요한 에너지가 훨씬 많다는 점이다. 이에 대한 대안으로 고압에서 천연가스를 압축하고 저장하고 있지만 저장된 가스를 다시 자동차에 공급하기 위해서는 고비용의 연료 보급소가 필요하고, 자동차 공간에 있어 귀중한 면적을 대규모의 탱크가 차지한다는 단점이 있다. 또한 가스 압축은 에너지를 낭비하는 일이기도 하다.
미 캘리포니아 대학(University of California)의 Jeffrey Long 교수와 연구진은 이와 같은 문제에 대해 최근 MOF(Metal-organic Framework)라고 불리는 물질을 기반으로 하는 유용한 해결방안을 제안하였다. MOF는 훨씬 낮은 압력에서도 같은 양의 가스를 자동차에 저장할 수 있게 해줄 것으로 기대된다.
압축천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)에 대해 최근 부상하고 있는 대체방안은 흡착천연가스(Adsorbed Natural Gas, ANG)이다. 이 탱크는 큰 표면적을 가진 다공성의 물질로 채워져있다. 가스 분자들은 이 물질의 표면에 달라붙기 때문에 가스 저장이 가능하다. 일반적으로 CNG 시스템은 약 250atm에서 가스를 저장할 수 있다. 연구진의 목표는 35~65 atm에서 저장할 수 있는 ANG 시스템을 설계하는 것이다. 35atm에서 저장이 가능하다는 것은 난방이나 요리를 위해 가정에서 천연가스를 사용하는 이용자들이 값싼 압축장치를 이용하여 간단하게 천연가스 자동차에 연료를 공급할 수 있다는 의미이다.
아직까지 상업적으로 가용한 ANG 자동차는 없지만 이 기술에 대한 관심은 상당하다. 미 에너지부(U.S. Department of Energy)는 이번 프로젝트를 지원하고 있다. 또한 연구진은 지난 2009년 이후 60,000대의 CNG 차량을 판매해 온 포드 사의 기술적 지원을 받고 있다.
ANG 시스템 개발에 있어 문제는 35atm의 목표 압력에서 가스를 흡착하였다가 5~6atm에 도달하기 전에 저장되었던 가스를 모두 배출하는 물질을 개발하는 일이었다. 과거 실증 시스템에서는 너무 많은 가스가 탱크에 남아있어서 제대로 활용할 수 없다는 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 구조적 유연성을 갖는 MOF를 사용하였다. 이는 과거 ANG 시스템에 시도되었던 단단한 구조의 MOF와는 다르다. 이 물질은 특정 압력에 도달하면 팽창되어 MOF의 기공이 열리게 되고 이를 통해 가스를 흡착할 수 있다. 이와 반대로 차량이 움직일 정도의 최소 압력보다 약간 높은 상태에서는 MOF가 수축하면서 저장했던 모든 가스를 내보내어 엔진에서 이를 사용할 수 있다.
새로운 연구결과는 이들 물질에 기반을 둔 ANG 시스템이 더 높은 저장용량에 도달할 수 있다는 가능성을 보여준다. 따라서 자동차의 운행 거리는 기존 단단한 구조의 MOF를 사용했던 시스템과 비교했을 때 개선될 것으로 예상된다. Long 교수는 이러한 시스템이 상업화되기 위해서는 많은 엔지니어링 작업이 필요할 것이라고 말했다.
New Material Makes It Easier to Store Lots of Natural Gas
Natural gas cars remain a niche product except in a few places around the world, even though the fuel is inexpensive and burning it emits less carbon dioxide than gasoline. But new research suggests that a novel class of synthetic materials could spur more widespread adoption of natural gas vehicles by making it easier and cheaper to fuel the car and store the gas.
One obstacle for natural gas vehicles is that at normal temperatures and atmospheric pressure, natural gas holds much less energy than the same volume of gasoline does. A common work-around is to compress the gas and store it at high pressure, but that requires expensive fueling stations and bulky tanks that take up valuable space in the car. Compressing the gas also wastes energy.
Jeffrey Long, a professor of chemistry and chemical and biomolecular engineering at the University of California, Berkeley, and colleagues recently demonstrated a promising solution based on designer materials called metal-organic frameworks, which could allow cars to store the same amount of gas at much lower pressure.
An emerging alternative to compressed natural gas (CNG) storage is so-called adsorbed natural gas (ANG) storage, in which the tank is filled by a porous material with a large amount of surface area. The gas is stored because its molecules adhere to the material’s surface. CNG systems store gas at about 250 atmospheres of pressure, but Long says his group is aiming to design an ANG system that can store it at 35 to 65 atmospheres. Storing at 35 atmospheres would mean that people who use natural gas for heating and cooking in their homes could refuel their cars at home using a simple and inexpensive compressor, he says.
There are not yet any commercially available ANG vehicles, but there is significant interest in the technology, and it’s fairly mature. This project was supported by the U.S. Department of Energy’s Advanced Research Projects Agency-Energy, and Long’s group also received technical assistance from Ford Motor Company, which has sold nearly 60,000 CNG vehicles since 2009.
So far, however, physics has limited the range of cars using ANG systems. The challenge has been to develop a material that adsorbs gas at the target pressure of 35 atmospheres but also releases all of it before the pressure reaches five to six atmospheres, the minimum pressure at which the engine can run. In previously demonstrated systems, too much gas remains stuck in the tank and can’t be used, says Long.
To get around this, the group used “flexible” metal-organic frameworks that are unlike the rigid ones tried before in ANG systems. The materials expand after a certain pressure is reached, opening their pores to adsorb the gas during fill-up. At a lower pressure, but one slightly higher than the minimum pressure at which the engine runs, the materials collapse and push all the gas out so the engine can use it.
The new results suggest that ANG systems based on these materials could achieve higher storage capacities—and thus longer ranges—than were possible in systems that use rigid materials. It’s an important proof-of-principle, but a fair amount of engineering work is needed before systems based on materials like these could be commercialized, says Long.
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