Ammoniakk brukes i dag stort sett til å framstille kunstgjødsel, men interessen for å ta i bruk ammoniakk som drivstoff har økt. Særlig har skipsindustrien vist interesse for ammoniakk, siden det har en rekke fordeler sammenlignet med alternative løsninger som hydrogen. Det har fått SINTEF til å se nærmere på løsningen.
Dette er forskjellen mellom ammoniakk og hydrogen som drivstoff:
For å produsere ammoniakk må en først lage hydrogen og kombinere det med nitrogen som trekkes ut av lufta. Prosessen er dermed mer energikrevende enn produksjon av hydrogen alene.
Men, for at det skal være praktisk å bruke hydrogen som drivstoff, må energitettheten økes ved å komprimere hydrogengassen eller kjøle den ned så den blir flytende og dermed opptar mindre plass. Hydrogen må kjøles ned til –253 C for å bli flytende, mens ammoniakk blir flytende allerede ved –33 C. Dette gjør ammoniakk lettere å lagre og transportere enn hydrogen.
Flytende ammoniakk inneholder dessuten omtrent 50 prosent mer energi per liter enn flytende hydrogen, noe som gjør det attraktivt spesielt for langdistanse skipsfart som må frakte store mengder drivstoff.
Karbonfritt alternativ
Ammoniakk inneholder ikke karbon og vil derfor ikke slippe ut CO2 ved bruk, noe som gjør stoffet til et klimavennlig alternativ til diesel. Ammoniakk kan brukes som drivstoff ved forbrenning i en motor, eller det omdannes til elektrisk energi for bruk i en elektrisk motor.
En lovende måte å gjøre det siste på, er å bruke høytemperatur brenselceller (SOFC). Men til nå har det gitt utfordringer. Høytemperatur brenselceller er nemlig først og fremst utviklet for naturgass og hydrogen.
– Når ammoniakk tas i bruk i disse brenselcellene oppstår det problemer. Ammoniakk inneholder nitrogen. Det vil reagere med materialene i brenselcellene og dermed forkorte holdbarheten og levetiden til systemet, forklarer seniorforsker Belma Talic.
Seniorforsker Belma Talic har studert samspillet mellom ammoniakk og materialene i en brenselcelle for å gjøre ammoniakk mer aktuell som drivstoff. Foto: SINTEF/Silje Grytli Tveten
Belma Talic er en av SINTEF-forskerne som har sett på hvordan ammoniakk reagerer med materialene i en brenselcelle og hva man kan gjøre for å forhindre uønskede reaksjoner.
– En av de største utfordringene er korrosjon av stålet som brukes i kjernen av systemet, det som kalles brenselcelle-stabel, sier Talic. Hun forklarer:
– En brenselcelle-stabel består av flere titalls celler som er koblet sammen ved hjelp av tynne plater med rustfritt stål. Stålet er spesialutviklet for brenselcellene og ved bruk av naturgass og hydrogen har de mange års levetid. Med ammoniakk er det annerledes, sier Talic.
Fakta om prosjektet:
- Forskningen har blitt gjort som en del av Grønn plattform prosjektet «Nettverk for bunkring av ammoniakk til bruk i skipsfart» (2021-2024).
- Prosjektet har bestått av utvikling av terminaler for bunkring av ammoniakk langs Norskekysten og forskning på hvordan løse de tekniske utfordringene for bruk av ammoniakk som drivstoff (MaritimeNH3 – Enabling implementation of ammonia as a maritime fuel - SINTEF).
- Prosjektet så på hele den norske verdikjeden for ammoniakk, fra kostander for klimavennlig produksjon, til utfordringer med sluttbruksteknologi (brenselceller og forbrenningsmotorer) og sikkerhetsspørsmål knyttet til utilsiktede utslipp av ammoniakk.
- Industripartnerne i prosjektet har nylig fått støtte fra Enova for å bygge tre bunkringsanlegg som etter planen skal være i drift fra 2029. Forskningen følges opp i FME Hydrogeni, norsk forsknings- og innovasjonssenter for hydrogen og ammoniakk, ledet av SINTEF.
– Når ammoniakk tas i bruk i disse brenselcellene oppstår det problemer. Ammoniakk inneholder nitrogen. Det vil reagere med materialene i brenselcellene og dermed forkorte holdbarheten og levetiden til systemet.
Utvikler super-belegg
Siden høytemperatur brenselceller har en driftstemperatur på 600-850 °C, omdannes ammoniakk til hydrogen og nitrogen inni stakken. Dermed går nitrogenet inn i stålet, som gjør at det svulmer opp og blir mer sprøtt.
Når ubehandlet stål i brenselcellen utsettes for ammoniakk ved høye temperaturer kan det svulme og sprekke opp, som her. Foto: SINTEF
I ekstreme tilfeller kan ammoniakken til og med føre til at stålet går fullstendig i oppløsning.
For å løse dette problemet har forskerne arbeidet med å utvikle et beskyttende belegg som kan legges på stålet slik at det ikke korroderer.
Forskeren viser frem biter av stålet de har testet, før og etter at det er eksponert for ammoniakk. Det er tydelig at stålet svulmer og sprekker opp i overflaten. Foto: SINTEF/Silje Grytli Tveten
– Vi har jobbet med to ulike materialer, yttrium og nikkel. Disse materialene kan legges på stålet som belegg ved hjelp to veletablerte metoder som er godt egnet for bruk i større skala, sier Talic, og forklarer:
– Den ene metoden kalles fysisk dampdeponering (PVD) og går ut på at man skyter løs atomer fra et fast materiale i et vakuumkammer, og disse atomene legger seg som et tynt lag på ståloverflaten.
– Testene viste at både nikkel- og yttriumbeleggene reduserte degradering av stålet betraktelig, sammenlignet med ubehandlet stål. I visse tilfeller forhindret yttriumbelegget degradering fullstendig.
I den andre, elektroplettering, brukes det elektrisk strøm for å legge et litt tykkere metall-lag på stålet fra en væske med metallioner.
– Yttriumbelegget vi har laget er syltynt så alt stålet i en hel brenselcellestabel kan dekkes med kun 1-2 gram, mens nikkellaget er en del tykkere og utgjør ca. 200 g totalt i en brenselcellestabel.
Temperaturen har stor betydning
Beleggene er testet i SINTEF’s laboratorium, hvor forskerne har eksponert stålet som brukes i brenselceller for ammoniakk ved 650 °C og 750 °C.
– Testene viste at både nikkel- og yttriumbeleggene reduserte degradering av stålet betraktelig, sammenlignet med ubehandlet stål. I visse tilfeller forhindret yttriumbelegget degradering fullstendig, sier Talic.
Forskerne oppdaget også at både temperaturen og om ammoniakken var fuktig eller tørr spilte en stor rolle for hvordan materialene oppførte seg.
Yttriumbelegget ga best beskyttelse med fuktig ammoniakk og høyere temperatur, mens nikkelbelegget virket best under motsatte betingelser.
Må også testes over tid
Inntil nå har forskerne testet løsningen på små biter av stål, som har vist at beleggene gir lovende resultater. For å få enda bedre svar på hvordan ammoniakk kan trygt brukes i høytemperatur brenselceller er det behov for å teste dem over lengre tid og under realistiske betingelser, slik som ved variasjoner i temperatur og gass-sammensetning på stålet.
SINTEF-forskerne startet nylig et nytt prosjekt med en sørkoreansk produsent av brenselcelle-stabler. I samarbeid med produsenten jobber de nå med å videreutvikle yttrium-belegget og å teste det på faktiske brenselcellestabler i større skala.
Referanser: Arbeidet fra KSP MartimeNH3 og FME HYDROGENi er nylig publisert i Journal of the Electrochemical Society: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ae3d8b
