Til hovedinnhold

Forskere lager drivstoff av CO2 og bakterier

Oppskriften består blant annet av CO2, vann, strøm og bakterier. Og en dæsj nanoteknologi.
De norske forskernes spesialitet er elektrokjemisk karakterisering av elektroder produsert med nanomaterialer. Her tester SINTEF-forskerne Alejandro Barnett (t.v.)  og Paul Inge Dahl  et nytt avansert elektrolyse-utstyr som inngår i et nyetablert forskningssenter for hydrogen og brenselceller på Gløshaugen i Trondheim.
De norske forskernes spesialitet er elektrokjemisk karakterisering av elektroder produsert med nanomaterialer. Her tester SINTEF-forskerne Alejandro Barnett (t.v.) og Paul Inge Dahl et nytt avansert elektrolyse-utstyr som inngår i et nyetablert forskningssenter for hydrogen og brenselceller på Gløshaugen i Trondheim.

Hver dag frigjøres store mengder CO2 fra karbonbaserte energikilder, noe som har skapt et stort overskudd av klimagassen i atmosfæren vår. Men nå jobber altså forskere med å  bygge et nytt drivstoff – med CO2-en som «råstoff».

– Vi trenger mer drivstoff som ikke baserer seg på olje og gass. Samtidig er det ikke bærekraftig å bruke jordbruksareal til produksjon av biodrivstoff i en verden som kommer til å trenge mer mat. Derfor må vi finne alternativer, sier materialforsker i SINTEF Paul Inge Dahl.  

Mer om det i denne saken fra NRK.

– Dette er en unik løsning som utnytter ressurser som i prinsippet er ubegrensede, og i tillegg uavhengige av landområder: CO2, strøm og vann, sier han.

Håpet er at dette skal bli en klimavennlig energiløsning fordi CO2-en gjenbrukes i stedet for å havne i atmosfæren.

Nyttig maursyre

Prosjektet er finansiert av EU og har fått navnet eForFuel, som beskriver noen av elementene i prosjektet: Elektrisitet, CO2, Formic acid (Maursyre) og Fuel, altså drivstoff. SINTEF deltar som norsk partner i det internasjonale teamet.

– Maursyren er resultatet av den elektrokjemiske reaksjonen med CO2, forklarer Dahl, som koordinerer den norske innsatsen i prosjektet.

Maursyren skal deretter bli mat for nyttige bakterier som omformer syren til biodrivstoff.

Skal erstatte sjeldent jordmetall

Årsaken til at det må lages et helt nytt elektrodemateriale, er at forskerne vil minimalisere bruk av edelmetallet iridium.

– Iridium er et av de mest sjeldne elementene i jordskorpa og dobbelt så dyrt som platina. Å redusere forbruket er derfor nødvendig både av hensyn til miljø og kostnad, forklarer prosjektleder Paul Inge Dahl.

For å løse dette jobber forskerne nå med å utvikle et nytt nano-materiale med en overflate som har ekstra stort areal, men så lite som mulig av det aktive katalysatormaterialet. Målet er å få en så stor reaksjon som mulig på minst mulig plass.

Fakta:

eForFuels er et prosjekt under Horizon 2020 og ble lansert i Berlin i mars i år. Målet er å skape et mer bærekraftig alternativ til fossilt drivstoff. Prosjektet har en varighet på fire år, og et budsjett på fire millioner Euro.

Tanken med prosjektet er å resirkulere CO2 fra industrien (e.g. stålindustrien) og bruke denne til å lage drivstoff, dvs. "dobbelt utnyttelse" av CO2

Produksjonen foregår med fornybar energi som innsatsfaktor, og det er antatt at dette vil medføre en netto reduksjon i CO2-utslipp,  hele syklusen tatt i betraktning.  Såkalt LCA-analyser skal benyttes for å finne ut hvor bærekraftig prosessen er. 

Prosjektet ledes av det anerkjente Max Planck Institute, Molecular Plant Physiology i Tyskland, men har til sammen 14 ulike partnere. For å lykkes med den ambisiøse oppgaven kombineres ekspertise innenfor materialteknologi, elektrokjemi og biokjemi med prosessteknikk, tekno-økonomisk evaluering og livssyklus-analyser (LCA).

 

– Det er i materialets overflate atomene reagerer med hverandre. Jo større overflate, jo mer effektiv blir reaksjonen, utdyper Barnett.

Materialet framstilles med bittesmå aktive nanopartikler som befinner seg på overflaten til litt større nanopartikler av et rimeligere materiale.

–Til sammen utgjør de aktive partiklene bare en liten del av elektrodematerialet, men på grunn av nanostørrelsen gjør dette at vi får den store aktive overflaten som må til for å få effektive elektroder.

Brenner seg til materialet

Materialet som nå skal erstatte Iridium, blir til i SINTEFs eget laboratorium gjennom en metode som kalles flammepyrolyse.

Flammepyrolyse i gang: Til høyre vises prinsippet: Kjemikalieløsningen som inneholder «byggesteinene» i det nye materialet sprayes inn i en ringformet flamme. Løsningen antennes og i «skyen» som oppstår dannes de aktive nanopartiklene. Riktignok bare dersom alle de ulike variablene er til stede i riktig dose. Foto og tegning fra SINTEF.

 

– Her sprøyter vi en flytende løsning, som inneholder de komponentene man skal ha i elektrodematerialet, samt et veldig brennbart løsemiddel, inn i en gassbrenner.  Der antenner sprayen og de organiske komponentene i dråpene forbrenner. Som et resultat får vi nanomaterialer som fanges opp i et filtersystem, og det er dette vi bruker som elektrodemateriale, forklarer Barnett.

For å komme fram til det ultimate katalysatormaterialet, må mye stemme: Både kjemien i løsningen som sprayes inn og prosessparameterne i flammepyrolysen må optimaliseres. I praksis betyr det at forskerne må ha kontroll på alt fra gass-sammensetningen til, gass- og væskestrømmer, samt temperatur –  i hver lille detalj.

Tester seg fram til den ultimate prosess

Nederst er det ferdig modifisert nanomaterialet, hvor de grønne områdene er de aktive nanopartiklene med iridium. Partiklene måler kun et par nanometer, noe som tilsvarer noen få atomlag.  Det som framstår som små striper er rader med enkeltatomer. Bildet er en sammenstilling av energidispersive spektroskopi (EDS) øverst til venstre og transmisjonselektromikroskopi (TEM) øverst til høyre. Foto: Sigurd Wenner, SINTEF.

Materialene som produseres med flammepyrolyse analyseres også grundig. Blant annet sammensetning, partikkelstørrelse, aktivt overflateareal og ikke minst de elektrokjemiske egenskapene. Det vil si hvor godt egnet materialet er til oksygenproduksjon, noe som er vesentlig for neste steg i prosessen: nemlig å danne maursyren.

– Nå jobber vi med å få full kontroll på framstillingsprosessen. Her baserer vi oss mye på erfaring fra tidligere prosjekter noe som eliminerer en del prøving og feiling vi allerede har gjort tidligere. Men hvert katalysatormateriale (pulver) vi lager blir karakterisert grundig, og til slutt kommer vi fram til ett materiale som er optimalt med tanke på de egenskapene vi vil ha, forklarer Alejandro Barnett.

Reaktoren skal gjøre «alt» i en smell

Samtidig som forskerne i Trondheim jobber med å lage den perfekte elektrode, jobber blant annet det tyske forskerteamet ved Max Plank og Imperial Collage London med neste steg i prosessen: selve biokonverteringen fra maursyre til drivstoff. Det skjer ved hjelp av bakterien E.coli.

Til slutt settes prosessingeniører på oppgaven med å utvikle en spesiell elektro-bioreaktor. I den skal selve drivstoffet bli til, fra CO2 via de elektrokjemiske og biokjemiske konverteringsstegene. Resultatet blir enten propan eller iso-butan. Propan kan fylles rett på tanken mens iso-butan først konverteres til iso-oktan, en viktig komponent i bensin.

Springbrett til fornybar produksjon av karbonbaserte kjemikalier og drivstoff

Når demonstratoren er ferdig, skal den være mulig å koble til hvilken som helst industriell prosess som slipper ut røykgass med CO2.  Håpet er at systemet kan fungere som et springbrett til fornybar produksjon av drivstoff og karbon-baserte kjemikalier.

– Vil ikke et slikt drivstoff bli veldig dyrt?

Ikke nødvendigvis. Her må man i tillegg til markedspris for drivstoffet ta i betraktning de besparelsene industrien (f.eks. stålproduksjon) får i form av redusert beskatning for CO2-utslipp/reduserte kostnader for CO2 fangst-/lagring. I tillegg ser vi på muligheten for å benytte overskuddsenergi fra fornybare kilder. Men de tekno-økonomiske evalueringene er det andre prosjektpartnere som tar seg av, svarer forskeren.

Publisert 25. oktober 2018
av Christina Benjaminsen for Gemini.no
Seniorforsker