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.
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 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.
Hun 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.
Forskjellen på 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.
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.
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.
– 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.
– 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.
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 gram totalt i en brenselcellestabel.
Temperaturen har stor betydning
Beleggene er testet i Sintefs 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 trygt kan 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.
Artikkelen ble først publisert på Gemini.no
– Kan denne strekningen gjøres utslippsfri, har så å si alle andre ruter samme potensial
