Det kommer næppe som en overraskelse, at vi står over for en enorm klimakrise. CO2-niveauet i vores atmosfære har ikke været højere i fire millioner år.
Når vi skal reducere vores CO2-udledning, er det oplagt at kigge på den globale skibsfartsindustri. Den er nemlig en kæmpe synder i CO2 regnskabet, da den bidrager med omkring tre procent af verdens CO2-udledninger.
Hvis det var et land, ville det svare til den sjettestørste CO2-udleder lige før Tyskland og efter Japan.
Desuden udleder skibsfartsindustrien ikke kun CO2, men også en masse andre kemiske forbindelser, som alle har en negativ indvirkning på klimaet og på menneskers sundhed.
Heldigvis har Den Internationale Søfartsorganisation (IMO) forpligtet sig til en reduktion på 50 procent i drivhusgasemissioner inden 2050 sammenlignet med niveauerne i 2008. Mærsk har et mål om at være CO2-neutrale inden 2040. Der er dog lang vej igen, før at det er en realitet.
Men hvad kan skibsfarten gøre, hvis der stadig skal sejles madvarer, forbrugsgoder og diverse andre ting på kryds og tværs af verden? Svaret kan være et stof, de fleste kender – nemlig ammoniak.
Det findes i for eksempel rengøringsmidler med salmiak, og så er det også ammoniak, der er skyld i den ubehagelige lugt fra gylle. Det vil du dog muligvis være klar til at tilgive, når du i denne artikel læser, hvor stor forskel stoffet kan gøre for klimaet.
Forskellige muligheder for grønt brændstof
Der er en række forskellige kandidater til mere klimavenligt brændstof til skibe, som du kan læse mere om i boksen længere nede i artiklen.
Ammoniak er den mest lovende, men der er stadig nogle udfordringer, der skal overvindes. Det er netop de udfordringer, vi har taget de første skridt til at løse i vores forskning.
Ammoniaks kemiske formel er NH3, fordi det består af et kvælstofatom (N) og tre brintatomer (H). Ammoniaks helt store fordel er, at det er karbonfrit.
I en forbrænding vil produkterne kun være kvælstof (hvilket 78 procent af atmosfæren består af) og brint, som reagerer med ilt fra luften og bliver til vand. Det er altså potentielt meget klimavenligt.
Nogle af udfordringerne med ammoniak er, at det har en såkaldt langsommere flammehastighed end brint og metanol, og det brænder ikke lige så godt. Det betyder, at det kræver en højere temperatur at antænde ammoniak, og at det skaber mindre varme.
Det er ellers vigtige parametre i en motor, hvor det er hastigheden af forbrændingen, der afgør, hvor mange omdrejninger motoren kan køre med.
Det kan imidlertid løses. Flammehastighedden, og dermed motorens effektivitet, kan nemlig øges, hvis man blander ammoniak med brint. Det kan du læse meget mere om efter faktaboksen.
\ Brændstof til en grøn skibsfartsindustri
Det er essentielt at finde et alternativ til fossile brændstoffer, som for eksempel diesel, for at opnå målene. Flere alternativer er blevet foreslået. Alle de forskellige teknologier har fordele og ulemper, og der er mange forhold, man skal tage hensyn til:
- Elektrificering ved hjælp af batterier er en meget dyr løsning, da batterier er meget tunge, og derfor er det dyrt at have dem ombord på lange rejser. På kortere og mellemlange ture kan batterier bruges og bliver allerede benyttet på nogle færger.
- Brint anses som et lovende brændstof på grund af dets CO2-neutrale forbrænding og gode evne til at brænde. Problemet med brint er opbevaringen. Enten kan man opbevare det under tryk, hvor man har dårlig energitæthed. Ellers skal det opbevares flydende ved -253 C, hvor der tabes brint, efterhånden som brinten damper af. Det er kun flydende brint, som bliver overvejet til skibe, og afdampningen sætter en grænse for, hvor længe brint kan opbevares, og derved hvor langt skibet kan sejle. Desuden har brint en eksplosiv karakter og tendens til lækage, hvilket gør lagringen kompleks.
- Metanol anses for at være et lovende alternativt brændstof på grund af dets flydende tilstand ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, hvilket gør det nemmere at bruge i en skibsmotor. Derudover er energitætheden af metanol højere, og det gør omkostningerne ved lagring mindre sammenlignet med batterier og brint. Dog er det afgørende for at reducere CO2-udledninger, at produktionen af metanol er grøn, hvilket er komplekst og økonomisk udfordrende og kræver CO2-indfangelse. Derfor er der er tvivl om, hvorvidt metanol er bæredygtigt på længere sigt.
- Ammoniak Ligesom metanol kræver det ikke et højt tryk eller en lav temperatur at have ammoniak flydende. Ammoniak har den store fordel, at det er karbonfrit. I en forbrænding vil produkterne kun være kvælstof (hvilket 78 procent af atmosfæren består af) og brint, som reagerer med ilt fra luften og bliver til vand. Et at problemerne ved ammoniak er, at det har en lavere brændværdi. Den kan dog øges, hvis man blander ammoniak med brint.
Hvis forbrændingen ikke er fuldkommen, vil der være en udledning af ammoniak og NOX, som rigtig gerne undgås, da det er sundhedsskadeligt.
Sådan kan ammoniak blive en realistisk mulighed
Som beskrevet ovenfor, kan ammoniak blive mere egnet som brændstof til skibe, hvis det tilføres brint, fordi det derved får en bedre brændingsevne.
Men den brint skal jo komme et sted fra, når et skib ligger ude på havet – og brint er vanskeligt at opbevare.
Derfor har jeg forsket i, hvordan man kan spalte ammoniak til kvælstof og brint. Processen kaldes ’ammoniak cracking’ eller dekomponering, og målet er at splitte ammoniakmolekylet 2NH3 til N2 (kvælstof) og 3H2 (brint) ved en så lav temperatur som muligt.
Når det er gjort, kan den omdannede brint tilføres til ren ammoniak, så man har en blanding med cirka 20 procent brint og 80 procent ammoniak.
Denne blanding vil være et godt brændstof, fordi det øger ammoniaks antændelsesevne.
En anden fordel ved den proces er, at det bliver nemmere at opnå en fuldstændig forbrænding af ammoniakken, når brændingsværdien bliver højere. Det er vigtigt – for hvis forbrændingen ikke er fuldkommen, vil der være en udledning af ammoniak og af NOX-partikler, som er sundhedsskadelige og skaber problemer med luftforurening, som vi rigtig gerne vil undgå.
På figuren nedenfor ses en model over, hvordan processen vil forløbe, når skibe i fremtiden forhåbentligt skal sejle på klimavenlig ammoniak.
I den såkaldte 'cracking' reaktor om bord på skibet, vil ammoniak bliv 'cracket', og den brint, der bliver dannet, vil blive mixet med ren ammoniak. Blandingen vil blive efterfølgende blive brugt som brændstof i motoren.
Til sidst vil der være en katalysator, som omdanner uønskede restprodukter i form af NOx og N2O til kvælstof (N2) og vand (H2O), hvilket er en kendt teknologi.
Høje temperaturer spænder ben
Det virker jo alt sammen ret fornuftigt – men der er naturligvis en række benspænd, der betyder, at verdens skibe ikke allerede sejler rundt på ammoniak. En af dem handler om, at 'cracking' af ammoniak foregår ved temperaturer, der er så høje, at det giver udfordringer ombord på et skib. Derfor skal temperaturen meget ned, for at metoden kan bruges i praksis.
Og nu kommer vores nye resultat ind i billedet. Lad mig forklare:
Ammoniak-'cracking' foregår i en såkaldt katalytisk proces, hvor et metal bliver brugt til at facilitere processen og øge hastigheden for den kemiske reaktion. Ruthenium er det metal, hvor processen forløber bedst ved lave temperaturer (lave temperaturer er i denne sammenhæng omkring 500 C). Desværre er ruthenium et ædelmetal, hvilket gør det uforholdsmæssigt dyrt.
Vi har i vores forskning fundet ud af, at hvis vi tilfører barium på overfladen af kobolt, så ændres kobolts egenskaber, hvilket teoretisk betyder, at kobolt kan facilitere 'cracking' af ammoniak ved lavere temperaturer end ren kobolt, og resultaterne viser, at vi næsten kan komme ned på samme temperaturer som ved brug af ruthenium.
Der er tre materialer, som indgår i vores prøve. Først er der et supportmateriale. Supportmaterialet indgår ikke i reaktionen, men kan have en påvirkning på katalysatoren. Katalysatoren, som er et metal, sidder på supportmaterialet. Katalysatoren består af to metaller, hvor man har hovedkatalysatoren, og hvor et andet metal bliver tilføjet overfladen.
Efter mange forsøg med forskellige kombinationer af supportmaterialer og barium på forskellige katalysatorer, fandt vi, at med en katalysator bestående af barium på kobolt på et supportmateriale bestående af karbon, kunne vi sænke temperaturen for ammoniak-'cracking'.
Og det er helt afgørende, hvis metoden skal kunne bruges på skibene.
Temperaturen med vores nyudviklede katalysator kan sammenlignes med de laveste rapporteret med en ruthenium-fri katalysator. Ikke nok med det: Vi kunne også vise, at vores katalysator var stabil over en periode på 72 timer.
Vores forskning fortsætter for at sænke temperaturen yderligere. Håbet er at komme så langt ned i temperatur, at 'crackingen' kan forgå ved at benytte temperaturen fra skibets forbrændingsmotor.
Alt arbejdet er udført under supervision af Prof. Jakob Kibsgaard, Christian Damsgaard, Prof. Cathrine Frandsen, Prof. Jens Nørskov og Prof. Ib Chorkendorff, samt i samarbejde med Alexander Gunnarson, Miriam Varón, Thomas Veile og Ang Cao. Projektet er en del af AFLOAT, finansieret af Innovation Fund Denmark.
\ Red Verden med Videnskab.dk
I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.
Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.
- Bør vi sætte alt ind på at begrænse overbefolkning?
- Virker det at købe CO2-aflad?
- Er cirkulær økonomi en løsning?
- Hvordan kan jeg handle anderledes i hverdagen?
- Og har verden overhovedet brug for at blive reddet?
Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?
Du kan få mange gode tips og råd i vores Red Verden-nyhedsbrev og i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.
