Katalys -för emissionsbegränsning
En katalysator är ett material som påskyndar en kemisk reaktion utan att själv förbrukas. Det lär vi oss numera redan i grundskolan. Men, vad skall vi använda katalystorn till? -Rena avgaserna från våra bilar och industrier, svarar någon. Detta är en viktig användning med omedelbar påverkan på vår närmiljö. Här har stora framsteg gjorts de senaste 25 åren.
Katalys kan dock vara mycket mer än så. Den kan hjälpa oss ett stycke på vägen mot mindre utsläpp av växthusgaser. Ett viktigt steg i förståelsen är ett global synsätt. Jag kommer nedan att beskriva bakgrunden och den långsiktiga inriktningen av vår forskning.
Ett uthålligt kretslopp i utveckling
Växthuseffektens existens är ett faktum, men vad blir dess konsekvens? Därom råder det ännu delade meningar. Mycket forskning genomförs för att ge klarhet i denna fråga. Medan vi väntar på ett tillförlitligt svar har vi gemensamt inom FN beslutat att bromsa utsläppen av de viktigaste växthusgaserna i "The Framework Convention" och Kyoto protokollet. Den gemensamma avsiktsförklaringen redovisas i FN:s "Framework convention" från 1992 som, framför allt:
- Erkänner existensen av global uppvärmning.
- Erkänner den roll antropogena aktiviteter har.
- Ger en guide till ett kretsloppstänkande.
- Lägger ansvaret på de industrialiserade länderna.
Kyotoprotokollet är en konsekvens av FN:s "Framework convention" och tar ett första steg för att bromsa utsläppen av växthusgaser. Kyotoprotokollet från 1997, har ett särskilt historiskt värde genom att USA, Japan och EU för första gången kunnat enas om en begränsning av utsläppen av växthusgaser.
Energikälla kontra energibärare
Fossila bränslen kommer på sikt att behöva ersättas av energikällor som ingår i ett "uthålligt kretslopp". Därmed menas vanligen att energin direkt eller indirekt kommer från solen. Ett vanligt missförstånd kommer sig av att energikälla och energibärare ofta förväxlas i den offentliga debatten. Om solen är vår energikälla kan solenergin exempelvis användas för att tillverka väte. Väte kan bindas kemiskt till andra grundämnen. Kolväten är ett exempel på en stabil energibärare med hög energitäthet och god lagringsförmåga. Om kolet kommer från atmosfäriskt koldioxid så får vi ett slutet kretslopp för kol. Samma kolväte kan även komma från fossil olja. Då är det fortfarande en god energibärare, men det kommer inte från en uthållig energikälla.
Energiomvandling
En annan viktig länk i kedjan från energikällan via energibäraren till den slutliga energianvändningen är verkningsgraden för de olika delstegen. Det sista steget kännetecknas av att energin skall nyttiggöras hos en mängd olika typer av energikonsumenter med varierade krav. En grupp med särskilda krav är våra bilar. Där är motorn av naturen mobil, till skillnad från de övriga delstegen som kan vara stationära. Fordon har historiskt sett drivits av förbränningsmotorer. Den höga energitätheten hos energibärarna, bensin och diesel, samt den höga effekttätheten och verkningsgraden hos kolvmotorer har gjort dem till förstahandsval för fordon.
Under senare år har förbränningsmotorerna utvecklats i två riktningar; dels bensinmotorer som har utrustats med katalysatorer och ger mycket låga emissioner av kolväten, kolmonoxid och kväveoxider och dels dieselmotorer som har utvecklats mot lägre bränsleförbrukning.
Emissioner
Förbränningsmotorer och förbränningsanläggningar för kraftproduktion är dominerande källor för emissionen av "smog"-bildande föroreningar i våra städer. Från mitten av 1970-talet till FN:s "Framework Convention" var dessa emissioner helt tongivande för de lagstiftade gränsvärdena. Emissioner av växthusgaser behandlas nu i kompletterande lagstiftning samt frivilliga avtal med industriella intressegrupper.
En första motsättning mellan emissioner och energiförbrukning
En modern dieselmotor med god verkningsgrad har lägre avgastemperatur än en äldre dieselmotor. Under de senaste decennierna har bättre verkningsgrad medfört lägre avgastemperatur. Den höga verkningsgraden är viktig för att hålla nere emissionerna av växthusgaser, men den låga temperaturen blir i gengäld ett problem då vi skall rena avgaserna från andra emissioner som kolväte, kolmonoxid och kväveoxider. Katalysatorn behöver en viss minsta temperatur för att fungera väl.
En andra motsättning mellan emissioner och energiförbrukning
Ett annat grundläggande problem vid reningen av avgaserna från moderna motorer möter vi när vi finner att dessa motorer generellt sett har ett överskott av syre. Detta gäller såväl nya dieselmotorer som så kallade "lean burn"-motorer. Båda har bättre verkningsgrad än sina föregångare. I den vanliga bensinmotorn, som utrustats med trevägskatalysator, balanseras syre och kväveoxider på den ena sidan av kolväten, kolmonoxid och vätgas på den andra sidan. När nu syre förekommer i oproportionerligt stora halter skulle hela verkningsgradsvinsten, och mer därtill, gå förlorad om vi skulle försöka balansera de båda sidorna.
Vi har alltså hamnat i en situation där emissioner som har omedelbara effekter på vår hälsa riskerar att ställas mot emissioner med en mer långsiktig påverkan på det globala klimatet.
Ovanstående observationer, som exemplifieras av emissioner från mobila motorer, är generella och kan i stor utsträckning överföras på emissioner från fasta förbränningsanläggningar där låga temperaturer och stora syreöverskott är vanligt förekommande.
Discipliner i samverkan
Hur kan vi då finna en lösning på detta dilemma? Vi återkommer här till den ursprungliga frågan. Vad skall vi använda katalysatorn till? Katalys erbjuder ett steg i riktning mot bättre verkningsgrad vid energikonsumtion samtidigt som vi håller emissionerna av kolväten, kolmonoxid och kväveoxider i schack.
Vid Kompetenscentrum för Katalys samverkar tillämpad fysik, teknisk ytkemi och kemisk reaktionsteknik med industriella intressenter. Vi har förmånen att kunna utnyttja kompetensen hos varje partner och på så sätt forcera resultaten på ett effektivt sätt. Arbetet förutsätter ett särdeles brett spektrum av insatser, från skräddarsydd syntes av modellkatalysatorer och experimentell utvärdering till modellering av molekylära transportprocesser och reaktioner, med syftet att möjliggöra en djupare förståelse av emissionskatalys. För att ytterligare ge stöd för hög kvalitet och effektivitet i forskningen har vi etablerat ett djupare samarbete med såväl nationella som internationella partner.
Jag avser att fortsätta och intensifiera arbetet med katalytisk rening av kväveoxider och rening av kolväten vid låga temperaturer. Samtidigt har många av oss som är verksamma inom emissionskatalys en vision där emissionen stoppas redan innan den uppstått. På sikt hoppas vi att andra katalytiska processer kan få större betydelse: till exempel reaktioner på ytorna av elektroderna i bränsleceller eller reaktioner vid katalytisk förbränning.