Den store utfordringen er at systemet brytes ned når ammoniakk skal omdannes til energi.
Men nå har forskere utviklet et nytt syltynt belegg som hindrer problemet.
Ammoniakk brukes i dag stort sett til å framstille kunstgjødsel, men interessen for å ta i bruk ammoniakk som drivstoff har økt.
For skipsindustrien har ammoniakk en rekke fordeler sammenlignet med alternative løsninger som hydrogen.
Forskjell på ammoniakk og hydrogen som drivstoff
Ammoniakk lages av hydrogen og nitrogen fra lufta. Produksjonen krever derfor mer energi enn å lage hydrogen alene.
Til gjengjeld er ammoniakk lettere å lagre og transportere. Hydrogen må kjøles ned til –253 °C for å bli flytende, mens ammoniakk blir flytende allerede ved –33 °C.
Flytende ammoniakk inneholder også rundt 50 prosent mer energi per liter enn flytende hydrogen. Dette gjør ammoniakk særlig interessant som drivstoff for langdistanse skipsfart.
Ammoniakk er et karbonfritt alternativ
Forsker Belma Talic har studert samspillet mellom ammoniakk og materialene i en brenselcelle for å gjøre ammoniakk mer aktuell som drivstoff.(Foto: Silje Grytli Tveten / Sintef)
Ammoniakk inneholder ikke karbon og vil derfor ikke slippe ut CO2 ved bruk. Derfor er stoffet et klimavennlig alternativ til diesel.
Ammoniakk kan brukes som drivstoff ved forbrenning i en motor. Stoffet kan også omdannes til elektrisk energi for bruk i en elektrisk motor.
En lovende løsning er å bruke høytemperatur-brenselceller.
Det har likevel vært utfordrende, fordi disse brenselcellene først og fremst er utviklet for naturgass og hydrogen.
Når ammoniakk tas i bruk i disse brenselcellene oppstår det problemer.
Stålet brytes ned
– Ammoniakk inneholder nitrogen. Det vil reagere med materialene i brenselcellene og dermed forkorte holdbarheten og levetiden til systemet, forklarer forsker Belma Talic.
Hun er en av forskerne ved Sintef 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.
Talic forklarer at en brenselcelle-stabel består av flere titalls celler som er koblet sammen med tynne plater av rustfritt stål.
Stålet er spesialutviklet for bruk i brenselceller og har lang levetid ved bruk av naturgass og hydrogen. Med ammoniakk er situasjonen annerledes.
Forskere utvikler super-belegg
Siden høytemperatur brenselceller har en driftstemperatur på 600-850 °C, omdannes ammoniakk til hydrogen og nitrogen inni selve kjernen i brenselcellen, som på fagspråk heter «stakken».
Annonse
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.
To metoder som fungerer
Den ene metoden kalles fysisk dampdeponering (PVD). Den går ut på at man skyter løs atomer fra et fast materiale i et vakuumkammer.
– Disse atomene legger seg som et tynt lag på ståloverflaten, sier forskeren.
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 cirka 200 gram totalt i en brenselcellestabel, sier Talic.
Når ubehandlet stål i brenselcellen utsettes for ammoniakk ved høye temperaturer kan det svulme og sprekke opp, som her.(Foto: Sintef)
Temperaturen har stor betydning
Beleggene er testet i laboratorium. 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.
Annonse
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, forklarer forskeren.
Det trengs flere forsøk
Forskerne har testet løsningen på små biter av stål, som har vist at beleggene gir lovende resultater.
For å forstå hvordan ammoniakk kan brukes trygt i høytemperatur-brenselceller, trengs det flere langtidsforsøk under realistiske forhold.
Forskerne må blant annet undersøke hvordan variasjoner i temperatur og sammensetning av gass påvirker stålet.
Forskerne startet nylig et nytt prosjekt med en sørkoreansk produsent av brenselcelle-stabler. Målet er å videreutvikle yttrium-belegget og å teste det på faktiske brenselcellestabler i større skala.
Forskningen ble gjennomført som en del av Grønn plattform-prosjektet «Nettverk for bunkring av ammoniakk til bruk i skipsfart» (2021–2024).
Prosjektet omfattet både utvikling av terminaler for bunkring av ammoniakk langs norskekysten og forskning på tekniske utfordringer ved bruk av ammoniakk som drivstoff.
Forskerne undersøkte hele den norske verdikjeden for ammoniakk. Fra kostnader ved klimavennlig produksjon til utfordringer knyttet til brenselceller, forbrenningsmotorer og sikkerhet ved utilsiktede utslipp av ammoniakk.
Industripartnerne i prosjektet har nylig fått støtte fra Enova til å bygge tre bunkringsanlegg. De skal etter planen være i drift fra 2029.
Forskningen videreføres nå i FME Hydrogeni. Det er et norsk forsknings- og innovasjonssenter for hydrogen og ammoniakk ledet av Sintef.
