FRA FORSKNING

Lager metall med vann og elektrisitet

Nå har norske forskere – kanskje som de første – klart å produsere metall på en helt ny måte. Det kan bety mye for klimaet.

Forskere har klart å bruke hydrogenplasma som effektiv erstatning til kull i metallproduksjon. Det kan gi store klimafordeler. Her et elektronmikroskopisk bilde av mangan. Det hvite er metallet mangan, det grå er manganoksid.
Forskere har klart å bruke hydrogenplasma som effektiv erstatning til kull i metallproduksjon. Det kan gi store klimafordeler. Her et elektronmikroskopisk bilde av mangan. Det hvite er metallet mangan, det grå er manganoksid. Foto: Sintef

Metallproduksjon gjør store innhugg i klimaregnskapet vårt. Ifølge miljødirektoratet  står metallproduksjon for rundt 10 prosent av det norske CO2-utslippet. På verdensbasis står jern- og stålproduksjon for 8 prosent av CO2-utslippene.

– Klimavennlige innovasjoner i metallindustrien er derfor et viktig ledd i å forsterke den positive miljøeffekten, sier forsker Halvor Dalaker i Sintef Industri.

Nå ser han og  kollegene i en helt ny retning for å bøte på noe av utslippsproblemene som kommer fra metallproduksjon.

Utvinning med hydrogengass?

Men hva er så egentlig problemet? Dalaker forklarer:

Metaller er bundet med oksygen og andre stoffer i mineraler, det vil si malm eller stein. For å utvinne metallene må oksygenet fjernes. I dag gjøres dette normalt ved å varme opp malmen med kull eller koks, som altså gir karbonutslipp. I praksis innebærer dette at karbonet (kull) binder seg med oksygenet i malmen (stein) og danner CO2, slik at vi sitter igjen med et oksygenfritt metall.

Les også

Det er allerede kjent at det er mulig å lage noen metaller av hydrogen i gassform. I metallutvinningsprosessen vil hydrogenet spille den samme rollen som karbonet, altså binde seg til oksygenet i malmen, men resultatet vil bli vanndamp og ikke karbonutslipp.

Stål er mer enn jern

I industrien satses det allerede på produksjon av jern basert på hydrogen, men for at jern og stålproduktene skal være klimavennlig produsert er det ikke nok at jernet alene er det.

– For at sluttproduktet skal få de rette egenskapene, slik som styrke og rustbestandighet, må jernet blandes med andre metaller, forteller forskeren som leder prosjektet HyPla.

Og her kommer hydrogengassen til kort. Gassen er ikke reaktiv nok til å brukes i produksjon av alle typer metall. Et eksempel på dette er det viktige metallet mangan.

– Mangan er med på å gjøre stålet slitesterkt. Det produseres fra malm i store kvanta i Norge i dag og er nødvendig for at stål kan brukes i for eksempel anleggsmaskiner. I malmen er mangan så sterkt bundet til oksygen at reaksjon/produksjon med hydrogengass ikke er mulig. Det har vært en gjengs oppfattelse om at karbon i form av kull eller koks har vært helt nødvendig for å kunne fjerne oksygenet, sier han.

Plasma er en «energibombe»

Gjennom prosjektet HyPla har forskerne nå funnet at hydrogen i plasma-form vil kunne være løsningen. Men hva er egentlig plasma? Forskeren forklarer:

I denne laben framstilles det viktige metallet mangan på en helt ny måte. Her er forsker Roar Jensen i aksjon.
I denne laben framstilles det viktige metallet mangan på en helt ny måte. Her er forsker Roar Jensen i aksjon. Foto: Sintef

– Et stoff kan opptre i fire tilstander, hvor fast stoff, væske og gass er de mest vanlige. Plasma er den fjerde tilstanden. Her er det tilført så mye energi at hydrogenmolekylene har gått i oppløsning, slik at de kan reagere med nesten alt, forteller Dalaker og utdyper:

– Hydrogengass lages av vann og elektrisitet, og ytterlig tilførsel av elektrisitet gir oss plasma.

De første til å produsere mangan med hydrogen?

Sintef har gjennom Hypla arbeidet med å anvende hydrogenplasma til CO2-fri metallproduksjon i liten skala siden 2020. Mye tid har gått med på forberedelser og design av prosessen. I sommer hadde prosjektet gjennombrudd da de klarte å produsere de første milligrammene med mangan.  

– Ved å bytte ut karbon med hydrogenplasma klarer vi å redusere metalloksider effektivt samtidig som CO2-utslippene elimineres, sier Sintef-forskeren.

– Noen milligram metall høres kanskje ikke så imponerende ut, men produksjon av mangan ved hjelp av hydrogen har til nå blitt sett på som en umulighet, fordi en kun har arbeidet med hydrogengass. Nå har vi, kanskje som de første, vist at dette er mulig ved hjelp av plasma, og det åpner mange muligheter sier Dalaker og fortsetter:

– Kan vi lage mangan, kan vi kanskje også lage andre metaller, som krom og silisium.

Mye forskning gjenstår før prosessene kan industrialiseres. Det eksperimentelle arbeidet som gjøres er nemlig svært krevende, med høye temperaturer og elektriske spenninger. Teamet har nå spesialdesignet en forsøksreaktor de mener skal gi de svarene de trenger. Også for betydelig større mengder metall:

Les også

– Vi sikter på en hekto i første omgang. Nå går prosjektet inn i en periode med grunnleggende studier for at vi virkelig skal forstå og kontrollere de kjemiske prosessene, men vi har allerede tanker om hvordan vi kan gå videre mot produksjon av hundrevis av kilo metall, forteller Dalaker.

Veien frem til utslippsfri metallproduksjon

Norsk metallindustri har allerede blitt mer energieffektiv og miljøvennlig på flere områder og globalt blir Norge sett på som et foregangsland. HyPla-prosjektet viser at vi ved hjelp av plasma kan nå målet om en karbonfri/CO2-fri metallindustri der fossilt karbon erstattes av vann og fornybar energi.

– Dersom vi finner at vi kan produsere flere metaller ved bruk av hydrogen uten utslipp, altså at det kan lages fra vann og fornybar elektrisitet, er nok dette veldig attraktivt for industrien.

De endelige resultatene vil bli presentert på konferansen 2023 TMS Annual Meeting & Exhibition—Advances in Pyrometallurgy: Developing Low Carbon Pathways.

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no. 

Les også

Kommentarer:

Vi har byttet system for artikkelkommentarer. For å opprette brukerkonto, registrerer du deg med BankID.