Efter mere end tre års forskning ser et dansk-kinesisk forskerhold ud til at have banet vejen for en mere bæredygtig produktion af ammoniak – en helt central ingrediens i kunstgødning og et af de mest producerede kemikalier i verden.
Ammoniak bruges i stor stil til at få afgrøder til at vokse. Problemet er blot, at produktionen af gødning er en energisluger, der primært laves af naturgas og står for omkring 1,5 procent af verdens CO2-udledninger.
Med DTU-professor Tejs Vegge i front har forskerne udviklet en ny type katalysator, der gør det muligt at producere ammoniak under lavere temperatur og et mindre tryk, end hvad der er muligt i dag.
\ Hvad er en katalysator?
Katalysatorer er materialer, der fremmer kemiske processer, for eksempel omdannelsen af molekyler som kvælstof og brint til andre molekyler som ammoniak, så de forløber med en rimelig hastighed og uden alt for stort energiforbrug.
Katalysatorer bruges alle vegne omkring os, blandt andet til fremstilling af kemikalier og medicin, rensning af udstødningsgasser fra biler og i brændselsceller.
Kilde: Katalysatorer skal optimere grøn energi
Den nye metode kan lægge kimen til en mindre energikrævende produktion af ammoniak, der drives af sol- og vindenergi på mindre anlæg – for eksempel i Afrika – hvor ammoniak enten er dyrt eller ikke er tilgængeligt.
Katalysatoren har kørt i mere end 100 timer i laboratoriet, og resultaterne er netop udgivet i tidsskriftet Nature Catalysis.
»Det unikke er måden, som katalysatoren virker på. Det er en helt ny mekanisme og en anderledes måde at fremstille ammoniak på, hvilket giver os mulighed for at sænke temperaturen og trykket betydeligt i produktionen af ammoniak, så metoden bliver mere energieffektiv,« siger professor Tejs Vegge, der er sektionsleder på DTU Energy, til Videnskab.dk.
Adjunkt Emil Drazevic finder den nye forskning »meget spændende.«
»Den nye katalysator, som de har lavet, har en langt bedre aktivitet end de Ruthenium-baserede (sjælden jordart, red.) katalysatorer, vi kender,« siger han.
»Vi lever i dag i en overbevisning om, at Haber-Bosch-processen (industriel proces til fremstilling af ammoniak, red.) er en 100 år gammel og meget optimeret proces, hvor der er ikke er meget plads til forbedring. Men de viser, at der er plads til en stor udvikling,« forklarer Emil Drazevic, der forsker ved Institut for Bio- og Kemiteknologi på Aarhus Universitet og ikke har været en del af studiet.
Skal bryde en af naturens stærke bindninger
Ammoniak produceres ved at bryde bindingerne i kvælstof, som naturen har udstyret med en af de allerstærkeste kemiske bindinger.
For at slå bindingerne itu kræver det en god katalysator, der sætter turbo på reaktionshastigheden.
Katalysatoren, som man har brugt de seneste 100 år, kræver en temperatur på over 400 grader for at være effektiv, og trykket skal helt op over 150 bar.
Det svarer til at have en vandsøjle på 1.500 meter over hovedet, tilføjer Tejs Vegge. Og netop den metode sluger en hulens masse energi at holde kørende.
Men ved at udvikle en ny form for katalysator – en metalhydridkatalysator – er forskerne lykkedes med producere ammoniak ved temperaturer under 300 grader og med på et tryk kun 1 bar i laboratoriet.
»Forestil dig, at du skal bryde en af de stærkeste bindinger, der findes i naturen. Det gør vi på den måde, at man først svækker bindingen ved gradvist at tilføre brint på kvælstof. Så bliver bindingen svagere og svagere, så man til sidst kan bryde den ved meget lavere temperaturer og tryk. Det er det, der er tricket her,« forklarer Tejs Vegge.
»Så i stedet for at prøve at køre op ad bakken i et hug, som kræver meget energi, så tager man den bid for bid i en række mindre skridt, der – når de spiller sammen – gør en krævende proces lettere. Det jo det, en god katalysator kan,« fortsætter han.
Forsker: Det har potentiale
Netop den metode gør resultaterne særligt interessante, lyder meldingen fra professor Jeppe Vang Lauritsen, som ikke har været en del af studiet.
»Studiet er rigtig spændende, i den forstand at mekanismen til at lave ammoniak er anderledes end den industrielle. Det minder lidt om den måde, naturens enzymer har løst problemet med at binde kvælstof. Derfor kan de sænke temperaturen og trykket så meget, så man får en mere energieffektiv proces,« skriver Jeppe Vang Lauritsen, som er professor ved iNANO på Aarhus Universitet, i en mail til Videnskab.dk.
Han tilføjer:
»Der er bestemt potentiale i at udvikle disse katalysatorer, da traditionel ammoniakproduktion er en af de helt store energislugere på verdensplan. Som regel er der dog nogle ret store skridt fra et spændende studie som dette til en reel ny proces. Så det er nok lidt for tidligt at sige, hvor det ender.«
Kan køre på grøn brint
I takt med, at der bliver flere maver at mætte på Jorden, forventes efterspørgslen på gødning at stige. Derfor er der brug for et grønnere alternativ til den nuværende produktion.
En af fordelene ved den nye katalysator er, at det vil være oplagt at skaffe brinten ved hjælp af såkaldt elektrolyse.
\ Et forskningssamarbejde
Forskningen er et forskningssamarbejde mellem DTU og Dalian Institute of chimical physics – Chinese academy og Sciences.
Tejs Vegge og professor Ping Chen fra Kina har stået i spidsen for forskningen, der har været flere år undervejs.
Forskningen er støttet af Villumfonden gennem VILLUM Center for the Science for Sustainable Fuels and Chemicals på DTU.
Her bruges strøm fra for eksempel sol- eller vindenergi til at spalte vandmolekyler, som via en kemisk proces ender som ilt og brint.
På den måde trækker man de fossile brændsler ud af ligningen, forklarer Tejs Vegge.
Størstedelen af den ammoniak, der bliver fremstillet i dag, er under højt tryk ved en kemisk reaktion mellem kvælstof og brint – det kaldes som nævnt i indledningen Haber-Bosch-processen, som er blevet forfinet over de seneste 100 år.
Men på nuværende tidspunkt er metan fra naturgas en af de store kilder til brint; Det er et problem, fordi metan og restproduktet CO2 er potente drivhusgasser, der er med til at varme kloden op.
Den metode er samtidig følsom over for høje priser på naturgas, som vi blandt andet oplevede for få måneder siden. Her blev ammoniakproduktionen reduceret flere steder i verden, hvilket kan få prisen på fødevarer til at stige, påpeger Tejs Vegge.
I faktaboksen herunder kan du læse om et stort ammoniakanlæg, der er på vej i Danmark, som skal fremstille brint med vedvarende energikilder.
\ Stort anlæg på vej i Danmark
I dag kan vi lave grønt ammoniak på en stor skala med en proces, som hedder Haber-Bosch, hvor man kobler det til et vand-elektrolyseanlæg. Haldor Topsøe og Vestas er ved at bygge en fabrik, som skal fremstille 5.000 ton om året udelukkende ved brug af vedvarende energi.
I Esbjerg har man ligeledes planer om at bygge et anlæg i stor skala. Men det er dyrt at banke de store anlæg op, og derfor kan der også være brug for mindre fabrikker, som ikke er kræver så ekstreme temperaturer og tryk – det er der, den nye katalysator kan gøre sig gældende.
En alternativ produktionsform uden fordyrende transport
Fordi ammoniakproduktionen i dag er samlet på nogle af de største – og meget dyre – fabrikker, der bliver bygget, skal kunstgødningen også transporteres rundt i verden.
Det afspejler sig i prisen og gør det for eksempel sværere for landmænd i for eksempel Afrika at få adgang til ammoniak.
»Hvis man kigger fra produktion til kunden – alt afhængig af, hvor du er i verden – så kan prisen på ammoniak dobles eller tredobles, når det skal transporteres. Derudover er der CO2-udledning forbundet med at transportere ammoniakken, og de aspekter tænker de færreste måske på,« uddyber Tejs Vegge.
Den produktionsform forsøger forskerne altså at levere et alternativ til.
Lykkes det i fremtiden at skalere teknologien op, vil det potentielt kunne åbne døren for mindre anlæg, der kan placeres i områder, som ikke har adgang til store mængder af ammoniak til kunstgødning, vurderer Tejs Vegge.»Så kan man have et lille, decentralt anlæg der kan så gradvist producere ammoniak, som man kan lagre, indtil man skal bruge det til gødning eller til et brændstof. Her kan det potentielt have rigtig stor anvendelse, så man kan bygge mindre enheder eller transportere enheder, som kan stå i de områder,« uddyber Tejs Vegge.
Emil Drazevic er enig, men påpeger, at en decentraliseret produktion ikke vil få så stor en del af markedet, som den klassiske Haber-Bosch-proces har.
»En ny katalysator baner vejen for en lavtryk-produktion af ammoniak, som har betydning for en produktion i mindre skala, fordi den har lavere kapitalomkostninger.«
Vil erstatte dyr jordart
Forskningen har været mere end tre år undervejs, og på nuværende tidspunkt har forskerne haft succes med at køre processen i laboratoriet.
Vejen til mere klimavenlig produktion af ammoniak er stadig lang, men Tejs Vegge bemærker, at der nu er lagt et fundament for det videre arbejde.
»Vi kigger nu på at sætte katalysatoren ind i systemer, som kan producere ammoniakken ved lavere tryk og temperaturer og inkludere et lagringselement, så det er muligt at lagre ammoniakken direkte på anlægget, til når man skal bruge det.«
\ Red Verden
I en stor serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.
Du kan debattere løsninger med over 6.000 andre danskere i Facebook-gruppen Red Verden.
Tejs Vegge og resten af holdet arbejdere nu videre i to spor:
- Få industrien interesseret i det, så man kan lave et lille, centralt anlæg, hvor katalysatorer som denne indgår.
- Finde en sammensætning af katalysatoren, som er lige så god – eller næsten lige så god – men som ikke indeholder den sjældne og dyre jordart Ruthenium, så man har råd til bare at den have stående.
Forskernes katalysator indeholder nemlig mindre mængder af Ruthenium end de nuværende, og derfor er det oplagt at finde bedre alternativer.
»Det skal man gerne have udskiftet med et materiale som jern for eksempel. Vi ved, at jern kan lave de samme komplekse metalhydrider, men det er bare ikke helt så effektivt endnu, så vi skal have fundet jernhesten, der kan erstatte Ruthenium i denne nye klasse af ammoniak-katalysatorer.«
