Ved brug af gasfasekemi har vi fundet en løsning, der kan være med til at nedbringe metanudledningerne fra punktkilder som stalde, rensningsanlæg og biogasanlæg.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Morten Krogsbøll1, Hugo S. Russell1,2 og Matthew S. Johnson1,3
1 Ambient Carbon ApS
2 Institut for Miljøvidenskab – mikrobiel økologi, Aarhus Universitet
3 Kemisk Institut, København Universitet
Metankoncentrationen i atmosfæren er steget fra 730±15 ppb [1] før den industrielle revolution til de nuværende 1.930 ppb [2], altså 2,5 gange så meget.
Globale metanudledninger har bidraget med 20-30 procent af den forøgelse af temperaturen, vi har set siden præindustrielle temperaturer [3]. En ny metode er for nyligt blevet præsenteret, hvor man benytter reaktionen: (find reaktion i originalartiklen), til at oxidere metan. Reaktionen forekommer naturligt tæt på havoverfladen, hvor der er små mængder klor til stede grundet salt i vandet. Metoden har potentiale til at fjerne metanen fra mange punktkilder, der udleder metan ved forholdsvis lave koncentrationer, for eksempel stalde, rensningsanlæg eller biogasanlæg – kilder, hvor metanen er ved for lave koncentrationer til at kunne bruges til noget andet.
Hvordan virker det?
I en artikel udgivet i Environmental Research Letters (ERL) i december, præsenterede vi et system med navnet “Methane Eradication Photochemical System (MEPS)” [4]. MEPS gør brug af et 90 L fotokammer, hvori der bliver tilført en gasstrøm på 30 L/min., her blev der fjernet 58 procent af de 50 ppm metan, der var i gasstrømmen.
MEPS virker ved, at metan og klor bliver tilføjet til en gasstrøm i et mindre forkammer for at få stabile koncentrationer, inden det bliver ledt ind i reaktionskammeret. I reaktionskammeret bliver gassen belyst af LED-lys med en bølgelængde omkring 365 nm. 365 nm er inden for klors absorptionsspektrum, der gør, at kloren bliver fotolyseret til klorradikaler. Klorradikalerne kan så reagere med metanen og starte oxidationsprocessen, som ses i figur 2.
Både metan- og klorkoncentrationerne bliver målt både før og efter reaktionskammeret. Metanen bliver målt med en “Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer” (TDLAS) fra Axetris. Kloren bliver målt med elektrokemiske sensorer (Membrapor Chlorine Gas Sensor Cl2/C-200). Både klor- og metanmålingerne bliver logget af et system fra Devlabs.
Hvad med klormetaner?
Der bliver holdt øje med mulighederne for produktion af klormetaner, der vil have en negativ effekt på klimaet. Vi har udarbejdet en model med fokus på udvikling af klormetaner, der viser, at disse ikke skulle blive produceret ved de forholdsmæssigt lave klorkoncentrationer, vi bruger. Det har ligeledes ikke været muligt at detektere klormetan ved FTIR. Vi har for nyligt istandsat et samarbejde med Stanford University, hvor de vil kigge nærmere på andre potentielle biprodukter af reaktionerne.
Hvad er den nyeste udvikling?
Siden udgivelsen i ERL har vi udvidet størrelsen af systemet, så vi er gået fra 90 L til 250 L. Denne forøgelse har samtidig ført til en forbedret effektivitet fra 2,1 kWh/gCH4 til 0,79 kWh/gCH4, som ses i figur 3.
Den øgede effektivitet vil vi hovedsageligt tilskrive, at det øgede volumen giver en længere rækkevidde til fotonerne i reaktionskammeret. Vi mister fotoner hver gang, de skal reflektere på en side i kammeret, så et større kammer betyder flere fotoner absorberet af klor og færre absorberet af væggene i kammeret. Når flere fotoner bliver absorberet af kloren, øges kvanteudbyttet. Kvanteudbyttet beskriver, hvor mange af de fotoner vi producerer, der fjerner ét metanmolekyle. Vi har set en forbedring fra 0,83 procent af fotonerne, der fjerner et metanmolekyle til 2,18 procent i vores seneste forsøg, som vist i figur 4.
Hvordan skal det implementeres i virkeligheden?
Det næste skridt bliver at udvide systemet til en prototype. Prototypen kommer til at blive bygget i containeren, der ses på figur 5. I prototypen bliver systemet udvidet, så det bliver testet på større luftmængder, ligesom den skal testes på luft fra en stald. Containeren er sat op, så det er muligt at øge den mængde luft, vi behandler, i takt med at vi bliver klogere på, hvordan det skalerer.
Det er målet, at teknologien kan implementeres ved tilføjelse til eksisterende udluftning eller ventilering. I mange ko- og svinestalde er der allerede ventilation for at opretholde dyrevelfærden. Det kan ligeledes kobles til udluftningen fra rensningsanlæg eller biogasanlæg. Afhængigt af de koncentrationer og mængden af luft, der skal behandles, kan systemet nemt ændres i størrelse, da det er lavet til at være modulært, bygget op af containere.
Ved at tilkoble MEPS til det eksisterende ventilationssystem, vil det være muligt at holde implementeringsomkostninger nede og have den bedste overgang til en verden med færre metanudledninger.
Hvordan kom nogen på den idé?
Idéen blev først udviklet af Matthew Johnson, Silvia Pugliese og Johan Schmidt på Københavns Universitet [5].
Teknikken blev første gang demonstreret af Polat et al. [6] til at fjerne metan i prøver fra iskerneboringer. Metan forstyrrede målinger af isotopspecifik N2O, så klor blev brugt til at fjerne metanen, hvor det lykkedes at fjerne 97 procent og dermed undgå den interferens, så det var muligt at se de isotopspecifikke dele af N2O-målingerne.
Den seneste udvikling er kommet efter en bevilling fra Innovationsfonden til projektet PERMA som en del af AgriFoodTure, et samarbejde imellem Ambient Carbon, Københavns Universitet, Aarhus Universitet, Arla og Skov. Målet med projektet er udvikling af teknologien til et niveau, hvor implementering er mulig.
E-mail:
Morten Krogsbøll: Morten@ambientcarbon.com
Matthew S. Johnson: msj@chem.ku.dk
Referencer
1. Arias P.A., Bellouin N., Coppola E., Jones R.G., Krinner G., Marotzke J., Naik V., Palmer M.D., Plattner G.K., Rogelj J. et al. 2021 Technical Summary, IPCC AR6 WGI p. 69, https://doi.org/10.1017/9781009157896.002.
2. Lan X., Thoning K.W., and Dlugokencky E.J.: 2024 Trends in globally-averaged CH4, N2O, and SF6 determined from NOAA Global Monitoring Laboratory measurements. Version 2024-04, https://doi.org/10.15138/P8XG-AA10.
3. Arias P.A., Bellouin N., Coppola E., Jones R.G., Krinner G., Marotzke J., Naik V., Palmer M.D., Plattner G.K., Rogelj J. et al. 2021 Technical Summary, IPCC AR6 WGI p. 92, https://doi.org/10.1017/9781009157896.002.
4. Krogsbøll M., Russell H.S., and Johnson M.S., 2024 A high efficiency gas phase photoreactor for eradication of methane from low-concentration sources, Environ. Res. Lett. 19 014017, https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad0e33.
5. Johnson M.S., Schmidt J.A. and Pugliese S., 2022 World Intellectual Property Organization, WO2022053603A1.
6. Polat M., Liisberg J.B., Krogsbøll M., Blunier T., and Johnson M.S.: 2021 Photochemical method for removing methane interference for improved gas analysis, Atmos. Meas. Tech., 14, 8041-8067, https://doi.org/10.5194/amt-14-8041-2021.
