Innovation: KU-kemikere opsamler kuldioxid i organiske krystaller

Danske politikere planlægger den grønne omstilling med en forventning om, at en CCS-teknologi vil blive en effektiv måde at trække CO₂ ud af røggasser fra kraftværker. Teknologien kan gemme CO₂ under højt tryk i undergrunden, for eksempel i Nordsøen, i hundredvis eller ligefrem tusindvis af år.

Desværre kræver teknologien i dag så meget energi, at den er meget svær at forsvare økonomisk. Nordmændene forsøgte i 2012 at trække CO₂ ud fra et kraftværk i Mongstad, men fangstanlægget – der kostede 14 milliarder norske kroner – kuldsejlede, så projektet blev stoppet, da de indså, hvor dyrt det blev at fortsætte – navnlig fordi det sluger så meget energi.

Men måske er der en løsning på vej fra Københavns Universitet. På Kemisk Institut har postdoc Aleksa Petrovic og hans kollega postdoc Rodrigo Jose da Silva Lima nemlig fundet en langt mere energieffektiv måde at trække CO₂ ud af røggasser på.

I sit laboratorie i Lee Group i Universitetsparken holder Aleksa Petrovic en petriskål frem med nogle krystaller. De er hvidlige, næsten gennemsigtige og en-fire centimeter lange. De er ikke specielt farlige at røre ved, og de afgiver ingen gasser i laboratoriet. De er dog ikke spiselige, joker Aleksa Petrovic.

Tilfældets musik

Krystallerne har overrasket kemikerne, for de er ikke alene mere energieffektive end de stof, man hidtil har brugt til CCS. Det skyldes også, at krystallerne kan fjerne CO₂, selv om de ikke er porøse.

Det burde nemlig slet ikke være muligt.

»Den måde, de virer på, er kontraintuitivt for os kemikere, for krystallerne består i udgangspunktet af et uigennemtrængeligt og massivt materiale, så vi tænkte, at de umuligt kunne optage CO₂. Men det gør de alligevel – under de rette betingelser,« siger Aleksa Petrovic.

Det undrede de sig meget over, og de to kolleger arbejdede i tre år på at finde ud af kemien og fysikken bag, før de skrev en artikel, der giver en grundig videnskabelig forklaring på fænomenet, og som blev optaget i Nature Communications.

»Fænomenet opstår, fordi alle atomerne i krystallerne tilfældigvis ligger sammen i en usædvanlig form, og så kan de arrangere sig på en ny måde, hver gang de møder et CO₂ -molekyle. Når det sker, opfører de sig som om, de er porøse og kan optage CO₂,« siger Aleksa Petrovic og tilføjer, at man kan se det med sine egne øjne.

Ifølge ham gjorde de opdagelsen lidt tilfældigt.

»Vi opdagede det, da jeg var halvvejs inde i min ph.d. for tre år siden. Vi arbejdede dengang med det samme molekyle, som krystallerne består af, og som hedder C10-MEA, men vi opløste det hver gang i vand for at se, om det kunne optage CO₂. Ved et tilfælde prøvede vi det af uden vand. Vi troede ikke, det ville virke, men det gjorde det til vores store overraskelse.«

Heureka! Vand er unødvendigt

Det stof, man hidtil har brugt til at trække CO₂ ud af røggasser med, kommer fra en gruppe af stoffer, der hedder aminer, hvoraf det mest udbredte og kendte stof til CO₂ -teknologi hedder monoethanolamin, MEA. Det er man nødt til at opløse i vand, der skal op på en temperatur på 120-130 °C, før det kan frigive CO₂’en – og den energi er nødt til at blive taget fra selve kraftværkets produktion.

Aleksa Petrovic’ krystaller hører også til i gruppen af aminer, men hedder C10-MEA. Det frigiver bare CO₂ ved en lang lavere temperatur, allerede ved 60-65 °C. Det behøver heller ikke at være opløst i vand, og det sidste er faktisk det vigtigste, når det gælder om at spare på energien, for vand kræver nemlig store mængder energi for at blive varmet op.

Krystallerne behøver ikke vand, og desuden producerer et kraftanlæg store mængder spildvarme i form af vand med en temperatur op til 80 °C, og det kan man så bruge til at opvarme krystallerne med til 0-65 °C.

Af de årsager ender den traditionelle metode med at bruge tre gange mere energi end de små krystaller.

Aleksa Petrovic understreger dog, at det endelige regnestykke afhænger af faktorer, der ikke er afklarede endnu. Derfor kan han ikke med sikkerhed sige, at forskellen lige præcis er en faktor tre – kun at krystallerne vil kræve væsentlig mindre energi i et industrielt anlæg.

Proof of concept på KU

Den næste opgave er at få krystallerne ud af det lille laboratorie og gøre en forskel i det virkelige liv:

»Lige nu søger jeg fonde for at kunne opskalere projektet. Indtil videre har vi kun arbejdet med få gram krystal ad gangen, nu skal vi så prøve med 100 gram. Desuden skal vi undersøge, hvad vi kan tilsætte af andre kemikalier for at forbedre processen yderligere,« siger Aleksa Petrovic.

Der er allerede kemingeniører, der samarbejder med Lee Group, og som også kan gå videre med det arbejde, men der kræver investorer.

»Alle de eksisterende systemer til CCS består af teknologien med aminer i vand, der er blevet afprøvet og optimeret i over hundrede år, og det er svært at få hul til industrien og overbevise dem om de nye muligheder i vores system, fordi vi endnu ikke kan henvise til litteratur, der beskriver vores porøse/ikke-porøse faststof-krystaller,« siger Aleksa Petrovic.

Men han fortæller, at et ingeniørfirma snart opskalerer anlægget på KU for at kunne demonstrere proof of concept.

»Så står vi måske også stærkere bagefter,« siger Aleksa Petrovic.