Den forsvunne laser vender tilbake

Ting har endret seg ganske mye de siste månedene. Jeg brukte mesteparten av desember på å finne ut hvordan man kan beregne temperatur og trykk på gassen som måles ut ifra størrelse og form på spektrene jeg tar opp, for deretter å lage et lite program som gjør dette. Etter at jeg kom tilbake fra juleferie har mye av tiden gått med til å pimpe opp laben ytterligere.

Gassroer

Først måtte det skikkelige gassrøretpå plass. Den lille er egentlig bare til for å kalibrere spektrene med en testgass med kjent spektrum. Den store er mye lengre, som gjør det enklere å måle gasser med svake spektre, og det er enklere å installere varmekabel rundt den slik at man kan måle ved forskjellige temperaturer.

GRisoleres

Slik ser det ut når man installerer varmekabel. Først vikles kabelen rundt røret, sammen med en temperaturmåler til å regulere oppvarmingen med. Deretter kommer aluminiumsfolie rundt for å holde det på plass, rundt folien kommer så glassull, som er omtrent det samme man isolererer hus med. Til slutt vikles det så en spesiell bandasje rundt det hele for å holde alt på plass. Resultatet er et noe feitere rør.

Isolert

Andre ting som ble gjort var å installere avtrekk over gassrøret. Målet er jo å måle på typiske forbrenningsavgasser som CO og NO, og siden dette er ganske skumle gasser (CO oppfører seg som O2 og tar opp plassen dens i de røde blodcellene i kroppen, slik at man langsomt blir kvalt), så måtte det et ekstra avtrekk til i laben. Siden man ikke merker om luften inneholder CO før det er for sent, så har jeg også fått en egen CO-varsler til laben.

InstallasjonAvtrekk

Laseren som inte kom hem

Siden vi jo ønsker å måle spektrene til NO, er det jo best å ha en laser som kan påvise gassen. De to QCL-ene som stod ferdigmontert på bordet da jeg startet oppgaven kan dessverre ikke det, men en slik laser har vi faktisk hatt. Den er av en annen type enn de andre og ble kjøpt inn litt senere enn dem. Siden man ikke klarte å få den til å fungere skikkelig, ble den i fjor vår sendt inn til reparasjon. Imens sluttet de folka som hadde jobbet med laser-oppsettet, og laseren gikk litt i glemmeboka. Da jeg startet i fjor høst hadde man glemt hvor laseren befant seg. Veilederen min tok heldigvis kontakt med reparatøren (som hadde hatt den stående på lageret hele tiden) og i desember kom den endelig tilbake.

LaserTest

I løpet av de forrige ukene har vi forsøkt å få laseren til å fungere, så langt uten hell. Ifølge reparatøren skulle den virke, men kanskje må man prøve med en form for voodoo for å få dette til. Det er selvfølgelig veldig synd om den ikke fungerer, men hvem vet, kanskje får vi det fortsatt til.

Ferdigoppsett

Uansett ser oppsettet veldig mye mer pimpet ut nå, og det er jo det som teller. Avtrekk er på plass. Det samme gjelder vakuumpumpe, gassrør med temperaturregulering, laser nummer tre (dysfunksjonell :P), og vannkjøling til den dysfunksjonelle laseren. Det neste blir å få inn gassflasker for CO og CO2, og så begynne med målingene.

 

Masteroppgave

Eller Masterarbeid, som det heter her nede. For arbeid er det. Og litt moro. Det er konklusjonen etter to uker med jobbing på oppgaven. For det meste har jeg stått på lab og montert ting, justert speil og hentet deler og apparater som jeg behøver til eksperimentet mitt.

I oppgaven min skal jeg måle konsentrasjonen av og temperaturen til ulike avgasser i en gascelle ved hjelp av spektroskopi. Til å gjøre det har jeg en spesiell type laser, kalt kvante-kaskade-laser (QCL), som sender ut infrarødt lys (altså omtrent som varmestråling).Et hendig trekk ved denne laseren er at bølgelengden den sender ut avhenger av temperaturen på laseren. Den kan sende ut laserpulser som ikke er lengre enn et par millardedels sekund, men i løpet av pulsen varmer den seg opp, og da forflytter bølgelengden på “lyset” seg til lavere bølgelengder. Når “lyset” går gjennom gascellen blir deler av det absorbert av gassen inni, og jeg kan måle absorpsjonen med en fotovoltaisk detektor (samme prinsipp som en solcelle). Detektoren min omdanner det innkommende “lyset” til elektriske signaler med veldig høy tidsoppløsning. Kombinert med QCL-en kan jeg måle et helt absorpsjonsspektrum fra hver enkelt laserpuls. Når man kjører mange pulser i sekundet og måler gjennomsnittet av dem får man et veldig godt signal.

I begynnelsen var oppsettet ganske goldt. Bare et bord med en plattform hvor laserne står på.

 

starten

Oktober: Bord med lasere. HeNe-laser og to QCL-er.

Deretter: I begynnelsen av november kom detektor og et par andre ting på plass. Jeg brukte evigheter bare på justere laserne slik at alle går i samme retning og er i omtrent samme punkt (koaxial). La det være sagt; å justere speil for å forskyve laserstråler man ikke kan se, er noe herk.

Starten av november

November: Laserplattformen lengst fremme med en synlig, rød He-Ne-laser lengst til høyre i bildet. De to svarte boksene til venstre for den er QCL-ene. Detektoren er plassert på en plattform lenger bak i bildet.

Fra starten av november til nå er mye kommet på plass. En liten test-gasscelle fylt med N2O for kalibrering står nede ved detektoren. Siden N2O er en veldig sterkt absorberende gass har jeg også tilførsel av nitrogengass for “spyling”, og en vakuumpumpe under bordet. Det er blitt en del mer rotete på bordet.

Oversikt 20. november

20. november: En referanse-gasscelle er kommet på plass. Det samme er nitrogengass-tilførsel og vakuumpumpe. Beklager rotet.

Zoom-in på detektoren og referanse-gasscella.

Zoom-in på detektoren og referanse-gasscella.

Gasscellen er liten og søt, men overraskende tung. Eller egentlig ikke så overraskende, jeg tipper den består av rundt en halv liter rent stål.

Enda nærmere på detektor og gasscella.

Enda nærmere på detektor og gasscella.

Nå kan jeg til og med måle de første spektrene og (forhåpentligvis) få til en grei kalibrasjon av laseren. Jeg skal prøve å holde bloggen sånn halvveis oppdatert med situasjonen for eksperimentet gjennom masteroppgaven. Håper det er til interesse for noen!

 

Min første klimamodell [Del 2]

 

Vi så i del 1 av denne posten at med litt fysikk kan man beregne temperaturen på jordoverflaten til å være rundt 255 K (altså -17°C)  uten noen form for drivhuseffekt. Det hadde vært forholdsvis kaldt, og vi kan altså takke drivhuseffekten for at jorda er levelig for mennesker i dag. Men hvordan fungerer denne effekten og hvor sterk er den?

 

I atmosfæren befinner det seg gasser som absorberer varmestrålingen fra jorda og reemitterer den i alle retninger, slik at en del av den effektivt blir værende på jorda. Siden vi antar at temperaturen på jorda er stabil, så må inngående stråling fra sola fortsatt være lik utgående fra jorda. For å få til dette, må temperaturen på jorda være høyere enn uten drivhuseffekten.

Så jordoverflaten absorberer all strålingen fra sola F_{S,J}(1-A) og sender den ut som \sigma T_J^4. Gassene i atmosfæren absorberer en del av denne strålingen med en faktor f, og re-emitterer dette i like deler. Halvparten går ut i verdensrommet, og halvparten vender ned igjen til jordoverflaten. Den nye strålingsbalansen blir seende slik ut:

 

Klimamodell-funky

En lekker ett-sjiktsmodell som viser den nye strålingsbalansen som oppstår når jorda får seg et atmosfærisk lag som absorberer varmestråling.

Vi ser at for å ha en energibalanse med stasjonære temperaturer må den strålingen som kommer fra sola og blir absorbert av jordoverflaten være lik den andelen som jordoverflaten reemitterer uten å bli absorbert av atmosfæren, pluss den andelen som atmosfæren sender ut igjen i verdensrommet:

 F_{S,J}(1-A) = (1-f)\sigma T_J^4 + f\sigma T_A^4

 

og at den strålingen som absorberes av gassene i atmosfæren også må være lik den som blir reemittert:

 f\sigma T_J^4 = 2f\sigma T_A^4

 

Slik finner man temperaturforskjellen mellom overflaten og atmosfæren:

 T_J = 2^{1/4} T_A \approx 1,19 T_A

 

Når vi nå omformer uttrykket for energibalansen kan vi finne f:

 F_{S,J} (1-A) = (1-f) \sigma T_J^4 + \frac{1}{2} \sigma T_J^4

 

 f = 2\left(1-\dfrac{F_{S,J}(1-A)}{\sigma T_J^4}\right)

 

For å beregne faktoren f som atmosfæren absorberer av jordens varmestråling, må vi vite overflatetemperaturen på jorda. Setter vi inn T_J = 288 K (16°C) får vi f = 0,77. Litt over tre fjerdedeler av varmestrålingen fra overflaten blir altså absorbert av atmosfæren, som da holder en gjennomsnittstemperatur på 242 K (-30ºC). Men nok fysikk. La oss prate kjemi.

 

Absorbanter i atmosfæren

Så hva består det absorberende atmosfæresjiktet vårt av? Noen mennesker tar det for gitt at alle gasser absorberer like mye, og mener at menneskelige utslipp av klimagasser ikke har noen betydning siden det er lite av dem i forhold til det som er der fra før. Det er selvfølgelig bare tull. Det er veldig store forskjeller på molekylene i atmosfæren og deres drivhuseffekt. Nøyaktig hvor effektive de er kan man ikke ta på øyemål, men det finnes én gyllen regel for absorpsjon av varmestråling:

Dipolmomentet til molekylet må endre seg når det vibrerer.

“Vibrerende molekyler” høres kanskje litt rart ut, men molekyler har det med å både rotere og vibrere i tillegg til å bevege seg fritt rundt i rommet når de er i gassfase. Det hører til deres natur som bevegelige partikler, og er opphavet til det fysiske fenomenet vi kaller “varme”. Men altså, om et molekyl i atmosfæren skal klare å absorbere innkommende varmestråling, så må noe endre seg i molekylets geometri når det vibrerer. Dette “noe” er dipolmomentet, og er bare et fancy ord for elektrisk ladningsfordeling.

Vann er et fint molekyl med drivhuseffekt. Når det strekker og drar seg sammen endrer ladningsfordelingen seg. Slik kan det absorbere varmestråling.

Vann er et fint molekyl med drivhuseffekt. Når det strekker og drar seg sammen endrer ladningsfordelingen seg. Slik kan det absorbere varmestråling.

Nå forstår vi hvorfor CO2, vann og metan blant andre fungerer som drivhusgasser, men ikke majoriteten av atmosfæren. Omtrent 99% av atmosfæren består av nitrogen- og oksygengass, som ikke kan endre ladningsfordeling når de strekker på seg eller trekker seg sammen, og følgelig ikke bidrar til drivhuseffekten. Derfor blir det rent tull å sammenligne disse gassene med gasser som CO2.

*** Neste gang: Strålebalansen er ute av kontroll. Hva skjer når vi slipper ut flere klimagasser? ***

Min første klimamodell [Del 1]

Denne posten er basert på notatene mine fra en forelesning i atmosfærekjemi holdt av prof. Thomas Koop ved Universität Bielefeld våren 2014. Om det foreligger feil er det mest sannsynlig min egen feil, som ikke har notert godt nok!

 

Introduksjon, *Scroll ned hvis du bare vil ha formlene*

Det virker som om alle har en “mening” om vær og klima. Spesielt hett blir diskusjonen om du drar frem temaer som “menneskeskapte klimaendringer” når naboen nettopp har vært på helgetur til London. Da kan reaksjonen du får være alt fra frasnakkelser om at det ikke har noe å si hva vi nordmenn gjør så lenge kineserne åpner et kullkraftverk i uka (for å drive fabrikker som produserer ting som hvem forbruker?), til ren fornektelse av at vi mennesker har noe med klimasystemet å gjøre. Klimaendringene er jo noe som disse sleipingene i IPCC har funnet på for å innføre det sosialistiske verdensdiktaturet, eller? Det slår meg at alle har en “mening” om klima, men at diskusjonene sjelden beveger seg forbi hvilke forskere det er som er kjøpt og betalt av enten sosialistene eller oljeindustrien. Og slik oppstår de klassiske skyttergravene som det er så vanskelig å komme seg ut av.

Men om vi heller diskuterte klima ut ifra et fysikalsk perspektiv, så hadde det kanskje vært enklere å komme seg fra et “eksisterer menneskeskapte klimaendringer?” til et “hva skal vi gjøre med dem?”, eller eventuelt la være å gjøre noe siden man da kanskje har en fysikalsk forklaring på  hvorfor de ikke eksisterer. Men dette er jo klin umulig for andre enn bare klimaforskere, eller? Hvor vanskelig er det egentlig å beskrive drivhuseffekten med ligninger? Det viser seg at man kan, ved å ta utgangspunkt i noen fysiske lover, bruke helt elementær vgs-matte for å beregne hvor mye varmere planeten er med drivhuseffekten enn uten. Vi har alle hørt tallene, men det er mye morsommere å regne dem ut i praksis. Men først en disclaimer: Jeg er kjøpt og betalt av oljestaten Norge (mottar stipend fra Lånekassen), og tar følgelig intet ansvar for i hvilken grad mine konklusjoner blir påvirket av det.

Fysiske grunnprinsipper

Jorda mottar energi fra verdensrommet i form av elektromagnetisk stråling fra sola. Mye av det ligger i bølgelengde-spekteret vi kaller synlig lys, men også store mengder UV-stråling og IR-stråling treffer planeten. En lyspartikkel har bølge-egenskaper som frekvens (\nu ) og bølgelengde (\lambda) og en mengde energi gitt ved formelen nedenfor.

 E=h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}

 

h er Plancks konstant og c er lysets hastighet. Hvorfor stråler sola? Sola er veldig varm (ca. 6000 K ved overflaten). Varme er det samme som molekylbevegelser, og molekylbevegelser gir opphav til elektromagnetisk stråling. En vanlig tilnærmelse er å si at sola (paradoksalt nok) er et svart legeme. Svarte legemer har den egenskapen at de absorberer og emitterer (sender ut) stråling perfekt ved alle bølgelengder. Mengden stråling per volum som emitteres ved en spesifikk bølgelengde er kun avhengig av legemets temperatur, og er gitt ved Plancks lov:

 \phi(\lambda) = \dfrac{2 \pi h c^2}{\lambda^5[exp(\frac{hc}{k_B T \lambda})-1]}

 

Om man velger å plotte dette som funksjon av bølgelengde ved en gitt temperatur får man en fin kurve:

Strålingen fra et svart legeme. Blå kurve er strålingen fra et legeme med en temperatur på 5000 K, grønn er fra en på 4000, rød er 3000 K. Svart kurve er noe tull som vitenskapsmenn brukte før de oppfant kvantefysikken. Kilde: Darth Kule (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons.

 Når temperaturen i legemet øker, går også den totale mengden stråling opp. Vi kjenner dette fenomenet fra grillfesten. Glødende kull lyser hvitere og mer intensivt jo varmere det er. Maksimum for kurven forflytter seg også mer mot lavere bølgelengder når temperaturen går opp. Om man summerer arealet under kurven får man den totale effekten per kvadratmeter av det svarte objektet

 \Phi_T = \int_0^{\infty} \phi(\lambda)d\lambda = \sigma T^4

 

Dette kalles Stefan-Boltzmanns lov og \sigma er Stefan-Boltzmanns konstant (=5,67E-11 W m^-2 K^-4). Strålingseffekten som emitteres av et objekt øker sterkt med temperaturen. Dobler du temperaturen på et objekt, øker strålingseffekten til det sekstendobbelte.

Strålingsbalansen på jorda

Dette er selvfølgelig en tilnærming. I realiteten er ingen objekter perfekte svarte legemer, de absorberer og emitterer ved bestemte bølgelengder med en faktor \epsilon. For hver forskjellige bølgelengde varierer \epsilon mellom 0 (overhodet ingen absorpsjon/emisjon) og 1 (et perfekt svart legeme). Men det er en overraskende god tilnærming for stråling som absorberes og emitteres fra faste legemer uten noen spesiell farge. Om vi nå ser på sola som et tilnærmet svart legeme så kan vi beregne hvor mye energi den slynger ut til jorda.

Intensiteten av strålingen fra sola, både før (gul) og etter (rød) den har trengt gjennom atmosfæren. Grafen fra et ideelt sort legeme som svart linje. By Nick84 [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Om vi tenker oss sola som en sfære med en temperatur på 5783 K og en radius på 6,96E8 meter, så blir den totale emitterte strålingen:

 E_S = 4\pi R_S^2 \times \sigma T_S^4

 

Den mittlere avstanden til jorda er på 1,5E11 meter. Om energien fra sola da blir fordelt på en kule med denne radius (d), har vi:

 F_S = \dfrac{E_S}{4\pi d^2} = \dfrac{4\pi R_S^2}{4\pi}{d^2} \times \sigma T^4 = 1365 W m^{-2}

 

Nå har vi altså effekten av solens stråling per kvadratmeter når den har reist hele distansen fra sola til jorda. For å beregne hvor mye det er som gjennomsnittlig treffer en kvadratmeter av jorda må vi imidlertid ta i betraktning at ikke hele jorda treffes på én gang (halve jorda ligger til enhver tid i skygge, og ikke alle deler treffes med samme vinkel. Vi kan se for oss jorda som en sfære med radius R_J som til enhver tid sanker den samme strålingen som en sirkulær flate vendt mot sola. Den mittlere strålingen per kvadratmeter blir da:

 F_{S,J} = F_S \times \dfrac{\pi R_J^2}{4 \pi R_J^2} = \dfrac{F_S}{4} = 342 W m^{-2}

 

Vi må også forstå at omlag 30% av solstrålingen blir reflektert når den kommer i kontakt med atmosfæren eller jordoverflaten (av f.eks isbreer). Dette kalles jordas albedo (A, A=0,3). Altså treffer omlag 239 W/m^2 fra sola jordas overflate og blir absorbert. Vi gjør enda en tilnærming og sier at jorda absorberer og emitterer stråling som et sort legeme. Altså:

 F_J = \sigma T_J^4

 

Dersom gjennomsnittstemperaturen på jorda (T_J) skal være konstant, så må den strålingen som absorberes her være lik den som emitteres igjen.

 F_J = F_{S,J}(1-A) = \sigma T_J^4

 

Hvis dette ikke gjelder, så får vi enten et overskudd av energi her på jorda, og det blir varmere, eller vi får et underskudd, og det blir kaldere. Vi kan regne ut gjennomsnittstemperaturen på jorda med likningen over.

 T_J = \left(\dfrac{F_{S,J}(1-A)}{\sigma}\right)^{1/4} = 255 K.

 

Dette er omtrent 30 grader kjøligere enn den faktiske gjennomsnittstemperaturen (288-290 K) på jorda. Avhengig av albedo øker eller minker temperaturen litt, men det er her drivhuseffekten kommer i spill. Til nå har vi antatt at den strålingen som jordoverflaten sender ut, går uhindret ut igjen i atmosfæren. Men dette er ikke tilfellet. I atmosfæren er det forskjellige typer gasser som kan fange opp en del av denne strålingen. For å få den faktiske gjennomsnittstemperaturen må vi altså bygge en klimamodell. 

Fortsettelse følger.

 

CO2-avgifter, eller Hvorfor du skulle tatt kjemi på gymnaset selv om du er statsviter

Så siden jeg sitter en søndag her i Hamburg uten stort å gjøre så tenkte jeg jeg kunne gjøre noe brukbart istedenfor å sløve. Kroppen min er ganske mørbanka etter trening i går, så fysiske anstrengelser har jeg ingen planer om. Søndag er tross alt hviledag. La oss lese litt på facebook.
CO2-avgift-spørsmål

CO2-avgift? Var den høyere før? Et godt spørsmål. Jeg mener å huske at jeg en gang var på et foredrag med klimastiftelsen Zero der en statssekretær dro opp en graf over CO2-avgiften for oljeindustrien over et historisk perspektiv. Mener også å huske at den var høyere på 90-tallet.

Så hva er CO2-avgift? Rett og slett en stykkprisavgift på olje/naturgass i forhold til hvor mye CO2 det slippes ut under forbrenning (hvis dette er feil, så arrestér meg gjerne). Den løpende CO2-avgiften for petroleumsproduksjon i Norge ligger på ca. 200 kr /tonn CO2, og den skal nå økes til over 400 kr. Norge har en lang tradisjon for denne avgiften. Faktisk går den helt tilbake til 1991, sammen med avgiftene på bensin og fyringsolje. Så er spørsmålet: Var avgiften høyere før i tiden?

Det burde være enkelt å finne tall for dette hos Statistisk sentralbyrå, men det var det ikke. Ikke så mye som en graf en gang. Men jeg fant denne tabellen. Her oppgis riktignok tallene i kr/Sm^3.  Standard kubikkmeter er en enhet som brukes mye i oljebransjen og er ifølge wikipedia antallet kubikkmeter av olje/gass/kondensat som har temperatur 15 C og 125 kPa, altså normalt lufttrykk.

Skal man regne om til kr/tonn CO2 så er det kjekt å ha litt kjemikunnskaper i bakhånd. Heldigvis kommer man langt med kunnskapene fra gymnaset.

Spørsmålet er: Hvor mye CO2 får jeg når jeg brenner én standard kubikkmeter naturgass?

Den ideelle gasslikningen er en god start: PV=nRT
Her står P for gasstrykket (=lufttrykket i denne sammenhengen), V for volumet på gassen, n for antall mol av stoffet, R for gasskonstanten og T for temperaturen på gassen.

P,V, og T kjenner jeg, n ønsker jeg å vite og gasskonstanten R finner jeg på nett ut ifra hvilke størrelser jeg har på de andre variablene. Siden jeg går for atm, L, K og mol så blir R=0,082 L \times atm \times mol^{-1} \times K{-1}.

n = \frac{PV}{RT} = \frac{1 atm \times 1000 L}{0.082 L \times atm \times mol^{-1} \times K^{-1} \times (272+15) K} = 42,5 mol

 

Det går 42,5 mol på 1 Sm^3 naturgass. Siden naturgass består nesten utelukkende av metan og forbrenningen av ett molekyl metan gir ett molekyl CO2, så vil det også bety at 42,5 mol CO2 dannes under forbrenningen av 42,5 mol metan. CO2 har en molekylvekt på ca. 44 g/mol, så dette gir oss:

42,5 mol \times 44 g mol^{-1} = 1870 g
Dette er 1,87 promille av ett tonn. I perioden 1. juli og ut året 1998 kostet 1 Sm^3 naturgass 1,07 kr. Det virker ikke som mye, men deler du dette tallet på 1,87 promille for å finne verdien per tonn CO2, så får du i overkant av 572 kr tonnet. Altså mye høyere enn dagens pris (200 kr) eller den foreslåtte prisen i regjeringens klimaplan (400 kr). Nå vet ikke jeg om den verdien i ssb.no sin tabell er i 1998-kroner, men dersom den er det, så tilsvarer det 750 kr i dag pga. inflasjon. Bruk ssb.no sin konsumpris-kalkulator for å gjøre slike omregninger.

Konklusjonen er at CO2-avgiften var mye høyere på 90-tallet enn i dag og at dette nok var grunnen til at Statoil valgte å rense naturgassen fra Sleipner-feltet i 96 fremfor å slippe den ut i lufta og betale avgift for det. Miljøtiltak fungerer nok best når de kommer i formen av avgifter som virkelig svir istedenfor koselige oppmuntringer om adferdsendringer.

Karbonfangst med ammoniakk?

@LarsMDG gjorde meg i dag oppmerksom på denne nyheten.

Kort oppsummert dreier det seg om en liten industribedrift på Herøya som med et testanlegg har greid å rense så mye som 92% av CO2-gassen fra et forbrenningsanlegg. Det dreier seg om rensing med ammoniakk, der ammoniakk og CO2 reagerer og danner ammoniumkarbonat, som deretter skilles fra vanndamp og andre forbrenningsgasser. Det er første gang jeg hører om CO2-rensing med ammoniakk, selv om man visstnok er igang med å bygge et testanlegg for denne metoden på Mongstad også. Bedriften på Herøya hevder at metoden er lite energi-intensiv, og har lave driftskostnader.

Dette høres jo fantastisk ut, men er det for godt til å være sant? Jeg bestemte meg for å undersøke saken litt nærmere ved å bruke litt god, gammeldags kjemi. For å finne ut hvor effektiv denne metoden faktisk er, blir det nødvendig å ta med prosessen for fremstilling av ammoniakk i regnestykket, ikke bare selve renseprosessen der ammoniakk benyttes. Dersom kjemiske ligninger er like ubegripelig for deg som Fourier-transformasjoner er for meg, er det bare å hoppe til konklusjonen.

Det første som måtte gjøres var å finne ut hvordan ammoniakk produseres. Wikipedia gir et greit overblikk. En interessant digresjon er at fremstilling av ammoniakk står for ca. 1,2% av vårt globale energiforbruk. Ammoniakk er et av mellomleddene i produksjon av kunstgjødsel. Hva fremstilles så ammoniakk av? Naturgass selvfølgelig.

Sett at vi starter med en ren metangass. Første trinn i syntesen er å omdanne denne til hydrogengass.

 CH_4 + H_2 O \rightarrow CO + 3H_2   \\* CO + H_2 O \rightarrow CO_2 + H_2

Netto:  CH_4 + 2H_2 O \rightarrow CO_2 + 4H_2

Allerede her får vi dannet CO2 som et ledd i prosessen. Denne blir renset (paradoksalt ikke sant?) med en langt vanligere renseteknikk, aminorensning.

Neste steg er Haber-Bosch-syntesen som omdanner hydrogengass og nitrogengass til ammoniakk. Ny digresjon: Norske Yara er en av verdens største produsenter av kunstgjødsel gjennom Haber-Bosch-syntesen. Uansett:

 3H_2 + N_2 \rightarrow 2NH_3

Syntesen krever et svært høyt trykk for å gi noe merkbart produkt, og det går med mye energi for å skape dette.

Så langt har vi en totalreaksjon på:

 3CH_4 + 6H_2O + 4N_2 \rightarrow 3CO_2 + 8NH_3

Det er verdt å merke seg at ved produksjonen av 8 ammoniakk-molekyler får man i tillegg 3 CO2-molekyler. Ingenting kommer som kjent gratis, men vi kan likevel utføre et siste reaksjonsledd. Den siste reaksjonslikningen blir litt gjetning fra min side, ettersom jeg ikke vet helt nøyaktig hvilken reaksjon folka på Herøya drar nytte av. Men vi kan forvente noe slikt:

CO_2 + H_2O +  2NH_3 \rightarrow {(NH_4)}_{2}CO_{3}

Et siste tanke-eksperiment:  Sett at alle disse CO2-molekylene skulle blitt renset på ammoniakkmetoden? Da ville totalreaksjonen fra naturgass til ammoniakk til rensing se slik ut:

3CH_{4} + 9H_{2}O + 4N_{2} \rightarrow 2NH_{3} + 3{(NH_4)}_{2}CO_{3}

I dette scenarioet går det med tre molekyler metangass for å rense ett molekyl CO2 fra nettopp forbrenningen av metan. Paradoksalt? javisst.

Konklusjon

Månelandingen til Stoltenberg ligger nok et stykke inn i fremtiden ennå. Mine approksimasjoner antyder at rensingen av ett molekyl CO2 krever tre molekyler metangass med ammoniakk-metoden. Her har jeg kun sett på “molekylregnskapet”; hverken energiforbruk eller krav til katalysatorer eller produksjonsanlegg er vurdert. I tillegg er det et par mellomreaksjoner som ikke er tatt med. Naturgass er sjelden ren vare og inneholder svovel. Svovelet blir renset med forbruk av nettopp hydrogengass.

Én faktor som kan gjøre omstendighetene bedre er om ammoniakken er gjenvinnbar. Da blir regnestykket et helt annet. I virkeligheten er det aldri slik at molekyler bare kan brukes igjen og igjen til samme prosess uten å bli brukt opp. Det er alltid en tapsfaktor. Det blir spennende å se hvor høy den er.

Min lille utgreiing om produksjon og forbruk av ammoniakk hadde neppe passert forskningsrådets krav til vitenskapelige rapporter, men skulle det være korrekt det jeg fant, så tviler jeg på at CO2-rensing med ammoniakk noensinne kan bli hverken økonomisk eller økologisk lønnsomt. Månelandingen er fortsatt langt fremme i tid.

 

Følg meg på twitter: @AndersEngdahl