Ny katalysator kan blive grundstenen i effektiv genbrug af CO2
DTU-forskere har vist, at vi med en ny katalysator bedre kan genbruge CO2 til at lave bæredygtige brændstoffer. Vi er ikke i mål, men det er et væsentligt skridt på vejen mod bæredygtig transport til lands, til vands og i luften.
Illustration af tankstationer drevet af CO2 og bæredygtig elektricitet. (Illustration: Cube3D)

Illustration af tankstationer drevet af CO2 og bæredygtig elektricitet. (Illustration: Cube3D)

Illustration af tankstationer drevet af CO2 og bæredygtig elektricitet. (Illustration: Cube3D)

Hjulene begynder at trille. Summen af motoren fra den flotte Audi A8 overdøves kun af klapsalven.

Det er en almindelig forbrændingsmotor, der sidder i den tyske ministers bil, men brændstoffet er helt og aldeles klimavenligt.

Det lykkedes allerede i 2015 for tyske Sunfire at lave syntetisk 'e-diesel' fra CO2, vand og bæredygtig strøm. Ved at lave brændstof fra CO2 fanget fra atmosfæren samt vindmølle-strøm kan vi fortsætte med at benytte vores forbrændingsmotorer og benzin-infrastruktur – men med god samvittighed.

Perspektivet går heldigvis langt ud over dyre ministerbiler. Containerskibe og fly står over for en stor udfordring, når de skal følge elektrificeringen af for eksempel personbiler.

Der skal enormt tunge og store batterier til for at drive disse fartøjer fremad, og der er ikke tid til at parkere et containerskib i et døgn for at lade batteriet op halvvejs fra Kina til Europa.

Dertil kommer den kemiske industri, som også har brug for grønne byggesten såsom carbonmonoxid (CO).

Hvis vi kunne benytte den infrastruktur, vi allerede har opbygget, men med bæredygtige brændstoffer og kemikalier, ville vi kunne tackle klimaudfordringen langt hurtigere. Og det kan vi.

Men hvorfor kører vi så ikke allesammen rundt på e-diesel allerede? I denne artikel vil jeg gennemgå nogle af udfordringerne, og hvordan vi på DTU er kommet et godt stykke i forhold til at løse dem.

Videnskab.dk's kæmpe klimafokus

9.-12. oktober 2019 mødes borgmestre fra 90 af verdens største byer i København ved klimatopmødet C40.

Derfor skriver Videnskab.dk i samme periode kun om klimaforandringer. Vi dykker ned i årsagerne, konsekvenserne og løsningerne.

Vil du diskutere løsningerne? Meld dig ind i Videnskab.dk's Facebook-gruppe Red Verden.

De tre ingredienser i syntetisk brændstof

Der skal blot tre ting til for at lave syntetisk brændstof.

Den første ingrediens, grøn strøm, har vi allerede i dag en hel del af. Faktisk så meget at vi på blæsefulde efterårsdage må betale nabolandene for at komme af med overproduktion.

Det er selvfølgelig fantastisk, at vi er så gode til at producere elektricitet med vindmøller, men vi kan som sagt ikke klare os alene med strøm.

Den anden ingrediens er gas. Vi har brug for både vanddamp og CO2. Vi har i princippet rigeligt af begge dele, og CO2 har vi som bekendt for meget af – det er dog ikke nemt at trække CO2 ud af atmosfæren.

Det schweiziske firma, ClimeWorks, har et produkt, som er i stand til at gøre det, men det er ikke billigt. Der skal politiske tiltag til for at gøre det finansielt attraktivt at trække CO2 ud af atmosfæren eller måske i første omgang at indfange den direkte fra den CO2-tunge industri.

Den tredje ingrediens er dog den mest begrænsende faktor i dag. Elektrolyse er teknologien, som kan gøre det hele muligt. Med strøm kan vi lave elektrolyse af både damp og CO2 og dermed få brint og CO. Men der skal forskning til for at gøre den teknologi rentabel.

Hvad er elektrolyse?

Elektrolyse er en elektrokemisk reaktion, hvor en type gas omdannes til en anden ved hjælp af strøm. For eksempel kan damp (H2O) spaltes til brint (H2) og ilt (O2). På denne måde kan man opgradere en gas med ringe værdi (damp) til én med højere værdi (brint).

Læs mere om elektrolyse i Forskerzonen-artiklen 'Elektrolyse kan lagre grøn energi – ny forskningsmetode skal gøre teknologien rentabel', forfattet af min kollega Søren Bredmose Simonsen.

Elektrolyse af CO2 er (indtil videre) en dyr løsning

Elektrolyse-celler er stadig dyre at producere, og desværre holder de ikke lang tid nok – endnu.

Til gengæld er de effektive, og når man benytter den type, som virker ved høj temperatur, kan man lave CO2-elektrolyse. Det foregår ved at fjerne et oxygen-atom fra CO2 og dermed lave CO.

Dette molekyle kan man sætte sammen med brint (som også kan laves med elektrolyse), og ved hjælp af nogle kendte kemiske reaktioner kan man så lave syntetiske brændstoffer.

Alternativt kan man bruge CO direkte i den kemiske industri, for eksempel inden for medicin og elektronik.

Problemet med kulstof

Når man prøver at fjerne et oxygen-atom fra CO2, sker det meget nemt, at man fjerner begge oxygen-atomer, og dermed står tilbage med blot et enkelt kulstof-atom, C.

Kulstof, eller grafit, er det, du skriver med, når du tager noter med din blyant. Desværre er det ikke så smart at lave kulstof inden i en elektrolyse-celle. Der er simpelthen ikke plads, og cellen knækker hurtigt.

CO2-elektrolyse foregår ved høj temperatur, men reaktionen starter ikke af sig selv blot ved at varme cellen op. Der skal mere til. Der skal en katalysator til. 

Illustration af pumper baseret på elektrolyse med henholdsvis nikkel og ceriumoxid katalysatorer. (Illustration: Cube3D)

Illustration af pumper baseret på elektrolyse med henholdsvis nikkel og ceriumoxid katalysatorer. (Illustration: Cube3D)

I en typisk elektrolyse-celle bruger man et metal som katalysator, nemlig nikkel. Nikkel er en super god katalysator og kan let reducere CO2 til CO, præcis som vi gerne vil have.

Problemet er bare, at det desværre også er en rigtig god katalysator for det næste skridt, nemlig at fjerne et oxygen-atom mere fra CO og dermed lave det uønskede C.

Hvordan løser vi så dette problem?

Danmark i førersædet

Vi er faktisk førende indenfor CO2-elektrolyse her i Danmark. Danske Haldor Topsoe laver elektrolyse-anlæg, som producerer CO fra CO2 og har leaset flere anlæg i USA.

Teknologien fungerer, og man har fundet et niche-marked i den kemiske industri, hvor det er dyrt at bringe CO ud til små anlæg. For anvendelse i større anlæg er der stadig brug for at bringe prisen ned for at kunne konkurrere med CO fra kul eller naturgas.

En af grundene til, at prisen for CO2-elektrolyse stadig er høj, er, at man er nødt til at begrænse, hvor meget CO2, man omdanner. Hvis ikke man gør det, får man lavet kul og står tilbage med en knækket celle.

For at skalere op vil det være en fordel at finde en anden katalysator end nikkel, der som nævnt laver kul.

Red Verden


I en serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Du kan være med til at debattere måder at redde verden på i Facebook-gruppen RED VERDEN.

Jagten på en ny katalysator

Vi har længe ledt efter en katalysator, som kunne erstatte nikkel. Det er ikke nemt, da der er mange krav, når man skal på jagt efter et nyt materiale til en kemisk reaktion.

I dette tilfælde skulle materialet både være billigt, stabilt ved høje temperaturer, være en god katalysator for CO2 til CO-reaktionen, men på samme tid forhindre reaktionen fra CO til C.

Heldigvis har vi på DTU Energi nu fundet et lovende materiale til at erstatte nikkel: Ceriumoxid.

Vi er ikke de første til at prøve dette materiale.

Det bruges nemlig også i lignende kemiske reaktioner, blandt andet som katalysator for at rense udstødningsgassen fra biler. Efter nogle indledende eksperimenter med dette materiale, kunne vi hurtigt se potentialet inden for CO2-elektrolyse.

Det så ikke ud til, at der blev dannet kul inden i cellen. For at optimere materialet til CO2-elektrolyse krævede det dog, at vi forstod, hvorfor ceriumoxid ikke dannede kul.

Vi drog afsted til USA.

Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Californiske cyklotroner

I nærheden af San Francisco, Californien, ligger fødestedet for den første cyklotron. En cyklotron er en partikel-accelerator opfundet af Ernest Lawrence, og den spillede en afgørende rolle i 2. verdenskrig i forbindelse med arbejdet på atombomben.

I dag findes der mange cyklotroner, som bruges til forskning og medicin. Desuden findes der nu mange typer cyklotroner, blandt andet synchrotroner, som er mange gange større og kraftigere.

Med synchrotronen på Lawrence Berkeley National Laboratory var vi i stand til at skyde meget kraftige røntgenstråler på vores elektrolyse-celler.

Vi varmede nogle elektrolyse-celler op, og tilføjede CO2 og strøm. Vi analyserede, hvordan røntgenstrålerne interagerede med overfladen af vores celler.

Dermed kunne vi se præcis hvornår og hvordan, der blev dannet kul på henholdsvis en nikkel-katalysator og en ceriumoxid-katalysator.

Nøjagtigt som forventet skulle der meget mere til, før vi kunne se kul på ceriumoxid-katalysatoren. Vi kunne også se, at i stedet for at lave rent kul, ville kulstof-atomet hellere binde sig til andre oxygen-atomer, som ceriumoxid har en masse af.

Måske dette var grunden til, at ceriumoxid bedre kunne modstå kuldannelsen?

På vej mod de første bæredygtige flyvemaskiner

Vi besøgte en gruppe på Stanford University, ikke langt fra synchrotronen, som vi håbede kunne hjælpe os med at forstå mekanismen til bunds.

Kollegaerne på Stanfords SUNCAT center, som på det tidspunkt blev ledet af den danske professor Jens Nørskov, lavede nogle computersimuleringer af materialerne.

Med disse kunne vi bekræfte, hvad vi så med røntgenstråle-eksperimenterne: Nemlig at oxygen-atomerne fungerer som en 'fælde' for kulstof-atomet, og fanger det på overfladen, inden det kan gøre skade.

Med ceriumoxid kan vi altså undgå, at kulstof-atomerne hober sig op oven på hinanden og danner lange kæder, som ellers vil ødelægge cellen.

Illustration af de to celler. Øverst ses cellen med en nikkel-katalysator, og nederst cellen med en ceriumoxid-katalysator. Begge celler fungerer overordnet set ens ved at trække et oxygen-atom fra CO2 og dermed danne CO. Efterfølgende ledes oxygen-atomet

Illustration af de to celler. Øverst ses cellen med en nikkel-katalysator, og nederst cellen med en ceriumoxid-katalysator. Begge celler fungerer overordnet set ens ved at trække et oxygen-atom fra CO2 og dermed danne CO. Efterfølgende ledes oxygen-atomet igennem elektrolytten og udledes som ilt på den anden side af cellen. For at få reaktionen til at forløbe ledes der elektroner fra den ene side til den anden, hvilket drives af bæredygtig elektricitet. Nikkel-katalysatoren danner kul, og cellen revner, mens ceriumoxid-cellen forbliver intakt. (Illustration: Skafte, T. L. et al. i Nature Energy. Vindmølle-ikon: R. M. Ortiz de la Morena)

Vi havde nu en grundlæggende forståelse for, hvorfor ceriumoxid fungerer som CO2-katalysator, men ikke reducerer CO2 hele vejen til det skadelige kulstof.

Med disse nyfundne resultater i hænde kunne vi tage hjem til DTU Energi og designe en bedre elektrolyse-celle.

I en videnskabelig artikel viste vi efterfølgende, at elektrolyse med ceriumoxid kunne producere CO med næsten 100 procents selektivitet, hvilket betyder, at næsten al den CO2, vi fodrer cellen med, bliver omdannet til CO.

Dette vel at mærke uden at lave rent kulstof, og uden at cellen knækker.

Der mangler stadig flere brikker i puslespillet – eksempelvis implementeringen af katalysatoren i en elektrolysecelle der kan skaleres op, og så er der også spørgsmålet om, hvor CO2'en præcis skal komme fra – men én af grundstenene for en mere effektiv udnyttelse af CO2 er hermed lagt.

Forhåbentlig går der ikke længe, før vi med en grøn samvittighed kan stige ombord på et bæredygtigt fly med e-jetfuel i tanken.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.