Det kan være å finne nye materialer. Eller det kan være å finne alternative produksjonsmetoder som forurenser minimalt.

Jernproduksjon CO2-versting

Jern regnes som viktigste metall i den industrialiserte verden, og følgelig det metallet det produseres mest av. Det henger sammen med at jern har høy styrke og dessuten er rimelig å produsere.

Masovnene som brukes i tradisjonell jernproduksjon, er utrolig effektive og dessuten billige i drift. Til gjengjeld er miljøkostnadene skyhøye.

Jern- og stålproduksjonen utgjør en av de største kildene for CO2-utslipp i verden. Den spyr ut over to milliarder tonn CO2 årlig – nesten ti prosent av den samlede utslippsmengden.

I laboratorier ved NTNUs Institutt for materialteknologi pågår nå lovende eksperimenter med å framstille jern, helt uten utslipp av klimagasser. I kampen for å redde jorda kan dette bli et bidrag som monner.

Velkjent teknologi

Trondheimsforskerne eksperimenterer med forskjellige former for elektrolyse. Metoden brukes i produksjon av aluminium og flere andre metaller: kobber, sink, nikkel, magnesium og kobolt.

Teknologisk er det ingenting i veien for å anvende elektrolyse også til jernproduksjon. Aberet er at det blir fryktelig mye dyrere enn tradisjonelle produksjonsmetoder.

Prosessen består i å spalte mineralforbindelser ved hjelp av elektrisk strøm. Dette skjer ved at råvaren, som er enten mineral eller salt, løses opp i ioneform. Denne oppløsningen kalles elektrolytt.

Ved hjelp av to elektroder sendes elektrisk strøm gjennom elektrolytten. Den ene elektroden er negativt ladet (katode), den andre er positivt ladet (anode). Det som skjer da, er at ionene i elektrolytten deler seg og går til hver sin elektrode.

I forsøkene med jernelektrolyse brukes råstoffet hematitt, som er en forbindelse av jern og oksygen (jernoksid). Under elektrolysen samles jernet rundt katoden, mens oksygenet går til anoden.

Flere veier å gå

NTNU og Sintef eksperimenterer med to metoder: høytemperatur- og alkalie-elektrolyse. Forskning på en tredje metode, saltsmelte-elektrolyse, er foreløpig stilt i bero.

I høytemperatur-elektrolyse blir jernet flytende. Smeltepunktet for jern er ekstremt høyt, over 1530 grader celsius. Dette stiller store krav til materialet som kan brukes i elektrodene.

– Vi har funnet to materialer som tåler belastningen: molybden i katode og platina i anode. Prisen på platina gjør det uaktuelt å bruke store mengder, forklarer seniorforsker Sverre Rolseth ved SINTEF.

Elektrolyse i saltsmelte utføres under lavere temperatur, som gjør det lettere å finne elektrodematerialer. Ulempen er at jernet utfelles i fast form som tar opp i seg en del av elektrolytten.

Dette må fjernes gjennom en vaskeprosess og kompliserer framstillingen ytterligere.

Alkalie-elektrolyse er den prosessen som har kommet lengst og der forskerne ser det største potensialet.

Elektrolytten er natriumhydroksid løst i vann ved cirka 100 grader celsius. Råstoffet er finfordelt jernoksyd, som reduseres til et rent og kompakt jernbelegg rundt katoden.

To måter å regne på

Professor Geir Martin Haarberg forteller at prosessen bygger på et gammelt og velkjent patent.

– Utfordringen er å utvikle en mer lønnsom teknologi. Prosessen slik vi kjenner den i dag, krever forferdelig mye energi. Skal vi oppnå klimafordelen, må energien være fornybar og ren.

Dessuten må produksjonsanleggene skiftes ut. Dette er den hardeste nøtta å knekke – elektrolysekarene krever enormt stor plass, forklarer kjemiprofessoren.

Med disse forutsetningene vil kostnadene bli skyhøye – men bare hvis vi sammenligner med tradisjonell produksjonsmåte. Hvis vi benytter andre verdiberegninger og legger større vekt på miljøaspektet – ja, da blir regnestykket helt annerledes. Det kan vi fort bli tvunget til.

I mellomtida strijobber trondheimsforskerne med å finne enklere, smartere og billigere løsninger.

På høyt nivå

Forskningen skjer innenfor Ulcos (Ultra-Low CO2 Steelmaking). Ulcos er et konsortium av 48 europeiske selskaper og organisasjoner fra 15 europeiske land, som samarbeider om drastisk reduksjon av CO2-utslippene fra stålproduksjon.

Konsortiet støttes av EU og består av alle de store stålselskapene, kraftleverandørene, teknologiutviklerne og forskningsinstitusjonene innenfor EU. Målet med Ulcos-programmet er å redusere CO2-utslippene ved dagens beste produksjonsmetoder med minst 50 prosent.

Trondheimsmiljøet er trukket med på grunnlag av lang erfaring og bred kompetanse innenfor elektrolyse for aluminiumsproduksjon.