Etter over tre års forskning ser en dansk-kinesisk forskergruppe ut til å ha banet vei for en mer bærekraftig produksjon av ammoniakk – en helt sentral ingrediens i kunstgjødsel og et av de kjemikaliene det produseres mest av i verden.

Ammoniakk brukes til gjødsel. Problemet er bare at produksjonen krever enorme mengder energi, lages av naturgass og står for omkring 1,5 prosent av verdens CO2-utslipp.

DTU-professor Tejs Vegge og forskergruppen hans har utviklet en ny type katalysator som gjør det mulig å produsere ammoniakk under lavere temperatur og et mindre trykk.

Den nye metoden kan gjøre produksjonen mindre energikrevende, og den kan foregå på mindre anlegg i områder, for eksempel i Afrika, ammoniakk har vært for dyrt.

Katalysatoren har kjørt i mer enn 100 timer i laboratoriet, og forskningen er nettopp utgitt i tidsskriftet Nature Catalysis.

– Det unike er måten katalysatoren virker på. Det er en helt ny mekanisme og en annerledes måte å produsere ammoniakk på, noe som gir oss muligheter for å senke temperaturen og trykket slik at metoden blir mer energieffektiv, sier Tejs Vegge, som er seksjonsleder ved DTU Energy.

Adjunkt Emil Drazevic mener den nye forskningen er «veldig spennende.»

– Den nye katalysatoren som de har laget, har en mye bedre aktivitet enn de ruthenium-baserte katalysatorene som brukes i dag, sier han.

– Haber-Bosch-prosessen er 100 år gammel, men forskerne viser her at det er plass til en stor forbedring, forklarer Drazevic, som arbeider ved Institut for Bio- og Kemiteknologi ved Aarhus Universitet.

Må bryte en av naturens sterkeste bindinger

Ammoniakk produseres ved å bryte bindingene i nitrogen, som naturen har utstyrt med en av de aller sterkeste kjemiske bindingene.

For å slå i stykker bindingene krever det en god katalysator som setter fart på reaksjonen.

Katalysatoren som man har brukt de siste 100 årene, krever en temperatur på over 400 grader for å være effektiv, og trykket må over 150 bar.

Det tilsvarer å ha 1.500 meter vann over hodet, forteller Tejs Vegge. Og den metoden krever masse energi.

Men ved å utvikle en ny form for katalysator – en metallhydrid-katalysator – kan forskerne klare seg med temperaturer under 300 grader og et trykk bare 1 bar.

– Forestill deg at du skal bryte en av de sterkeste bindingene i naturen. Det gjør vi på den måten at man først svekker bindingen ved gradvis å tilføre hydrogen. Så blir bindingen svakere og svakere så man til slutt kan bryte den ved mye lavere temperaturer og trykk. Det er det som er trikset her, forklarer Vegge.

– Så i stedet for å prøve å kjøre i oppoverbakke i ett hopp, noe krever mye energi, så tar man det bit for bit i en rekke mindre skritt som – når de spiller på lag – gjør en krevende prosess lettere. Det jo det en god katalysator kan, fortsetter han.

Forsker: Det har potensial

Nettopp den metoden gjør resultatene spesielt interessante, sier professor Jeppe Vang Lauritsen.

– Studien er veldig spennende, i den forstand at mekanismen er helt ny. Det minner litt om den måten naturens enzymer har løst problemet med å binde nitrogen. Derfor kan de senke temperaturen og trykket og få en mer energieffektiv prosess, skriver Lauritsen, som er professor ved iNANO ved Aarhus Universitet, i en e-post.

Han legger til:

– Det er absolutt potensial i å utvikle disse katalysatorene, for tradisjonell ammoniakkproduksjon krever enormt med energi. Men som regel er det ganske store skritt fra en spennende studie til en virkelig ny prosess. Så det er nok litt for tidlig å si hvor det ender.

Kan gå på grønt hydrogen

I takt med at det blir flere munner å mette på jorden, forventes det at etterspørselen etter gjødsel vil stige. Derfor er det behov for et grønnere alternativ til den nåværende produksjonen.

En av fordelene med den nye katalysatoren er at det vil være mulig å bruke hydrogen fra såkalt elektrolyse.

Her brukes strøm fra for eksempel sol- eller vindenergi til å spalte vannmolekyler som via en kjemisk prosess ender som oksygen og hydrogen.

Dermed klarer man seg uten fossile ingredienser, forklarer Tejs Vegge.

I da er metan fra naturgass råstoff til hydrogenet; Det er et problem fordi metan og restproduktet CO2 er kraftige drivhusgasser.

Den metoden er samtidig følsom overfor høye priser på naturgass som vi blant annet opplevde for noen få måneder siden. Da ble ammoniakkproduksjonen redusert flere steder i verden, noe som kan få prisen på matvarer til å stige, påpeker Tejs Vegge.

I faktaboksen under kan du lese om et stort ammoniakkanlegg som skal produsere hydrogen med fornybare energikilder.

En alternativ produksjonsform uten fordyrende transport

Fordi ammoniakkproduksjonen i dag er samlet på store – og veldig dyre – fabrikker, må kunstgjødselen også transporteres rundt i verden.

Det gjør det dyrere for bønder i for eksempel Afrika å få adgang til ammoniakk.

– Prisen på ammoniakk kan dobles eller tredobles på grunn av transporten. Dessuten er det CO2-utslipp forbundet med transporten, utdyper Vegge.

Den produksjonsformen forsøker forskerne altså å levere et alternativ til.

Hvis de klarer å skalere opp teknologien, vil det åpne døren for mindre anlegg i områder som ikke har adgang til store mengder ammoniakk til kunstgjødsel, mener Vegge.

– Da kan man ha et lite, desentralisert anlegg som kan gradvis produsere ammoniakk som man kan lagre til man trenger det til gjødsel eller som drivstoff, forteller Vegge.

Emil Drazevic er enig, men påpeker at en desentralisert produksjon ikke vil få en så stor del av markedet som den klassiske Haber-Bosch-prosessen har.

– En ny katalysator baner veien for en lavtrykkproduksjon av ammoniakk, med lavere kapitalkostnader.

Vil erstatte dyr jordart

Forskningen har tatt mer enn tre år, og forskerne hatt nå prosessen kjørende i laboratoriet.

Veien til mer klimavennlig produksjon av ammoniakk er fortsatt lang, men Tejs Vegge påpeker at det nå er lagt et fundament for det videre arbeidet.

– Vi ser blant annet på å sette inn katalysatoren i systemer med et lagringselement.

Vegge og resten av teamet arbeidere nå videre langs to spor:

1. Få industrien interessert i det, så man kan lage et lite anlegg med slike katalysatorer.
2. Finne en sammensetning av katalysatoren som er like god – eller nesten like god – men som ikke inneholder den sjeldne og dyre jordarten ruthenium, slik at systemet ikke må kjøre døgnet rundt.

Forskernes katalysator inneholder nemlig mindre mengder ruthenium enn de som har vært brukt så langt.

– Vi vil gjerne bruke for eksempel jern i stedet. Vi vet at jern kan lage de samme komplekse metallhydridene, men det er fortsatt ikke like effektivt.

Referanse:

Qianru Wang, Tejs Vegge mfl.: Ternary ruthenium complex hydrides for ammonia synthesis via the associative mechanism. Nature Catalysis, 2021. (Sammendrag) Doi.org/10.1038/s41929-021-00698-8

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.