EmX 2025 - an R&D base for reduced exhaust emissions in the Norwegian marine transportation sector

Målet med EmX 2025 er ny kunnskap og innovasjon for reduksjon av forurensende utslipp fra marin sektor. Flytende naturgass (LNG) representerer et drivstoffalternativ for skip med lavt utslipp av CO2. Men det er da avgjørende at metanutslipp ("lekkasje") ikke forekommer, siden CH4 er en klimagass 20 ganger "sterkere" enn CO2. Effektiv, fullstendig forbrenning av naturgass innebærer imidlertid temperaturer som også gir dannelse av NOx, som har negative effekter på både helse og miljø. Med den typisk dynamiske lasten på en motor er det generelt vanskelig å opprettholde høy effektivitet og lav NOx-dannelse, og samtidig unngå metan-slip. Etterbehandling av eksosen er derfor nødvendig for å sikre ultra-lave utslipp. EmX-prosjektet utvikler derfor 2 katalysatorteknologier for rensing av utslippene i eksosen, tilpasset ulike effektive motortyper. Vi ønsker også å erstatte knappe og kostbare edelmetallkatalysatorer med mer tilgjengelige og rimeligere stoffer. Prosjektet utføres av NTNU og SINTEFs felles Geminisenter innen katalyseforskning, KinCat, med Kompetansesenteret for Katalyse (KCK) ved Chalmers Tekniska Högskola, Sverige, som internasjonal partner. Forskningen er integrert med iCSI (industrial Catalysis Science and Innovation) Senter for forskningsbasert innovasjon (SFI), i form av felles metodeutvikling og studier. Prosjektet har en Industriell rådgivende komité med representanter fra SINTEF Ocean; YARA; BEE Bergen Engines AS, og Gasnor. Komiteen har hatt 3 møter, der resultater og videre planer ble framlagt og muligheter for innovasjon og kommersialisering ble diskutert. EmX-forskerne har også samarbeidet med en gruppe ved Politecnico di Milano (Italia). En hovedaktivitet har vært å utvikle hydrotermisk stabile katalysatorer for NOx-rensing ved selektiv katalytisk reduksjon (SCR) av NOx med ammoniakk (NH3). En doktorgradskandidat har jobbet med dette siden august 2016. I tillegg til selve forskninga har han gjennomgått forskeropplæring ved NTNU og gjennom et internasjonalt kurs ved Kungliga Tekniska Høgskolan (KTH) i Stockholm, Sverige. Kandidaten har også undervist ved Institutt for kjemisk prosessteknologi, og bidratt i veiledning av masterstudenter. Porøse metalloksider er syntetisert gjennom en sol-gel-metode som bruker micellulære templater for å kontrollere porøsiteten. Ved å innføre et metallkompleks (Fe/Cu) i solen, vil den resulterende gelen inneholde disse i en svært finfordelt form. De endelige materialene, Fe/Al203 og Cu/Al203, har blitt karakterisert og den atomære dispersjonen bekreftet. En testrigg som gjør det mulig å ha relevante SCR-betingelser med hensyn til temperatur, gasskonsentrasjon, og dampinnhold, samt produktanalyse med høy presisjon, er designet og implementert på NTNU. Katalysatorene har også vært undersøkt i operando NH3-SCR XAS-eksperimenter ved den sveitsisk-norske strålelinjen (SNBL) ved European Synchrotron Research Facility (ESRF). Imidlertid ble ble omsetninga av NOx over disse katalysatorene til slutt funnet utilstrekkelig og sterkt hemmet av nærvær av damp. Vi mistenker at problemet er aluminabæreren, og tilsvarende syntese er derfor brukt for å lage mesoporøs Cu/ZrO2 og Fe/ZrO2. Studier av disse katalysatorene pågår fortsatt, men de første NO-konverteringsresultatene er lovende. Den andre hovedaktiviteten gjelder metanutslippsrensing gjennom lavtemperatur oksidasjon av CH4 Det er gjennomført syntese, karakterisering og testing av en edelmetallfri katalysatortype bestående av et blandoksid som inneholder nikkel (Ni) og kobolt (Co). Katalysatoren viser lovende aktivitet og stabilitet i en reaktantblanding som simulerer motorens eksos, det vil si lav metankonsentrasjon (ned til 1000 ppm), overskudd av oksygen og tilstedeværelse av damp. Det er gjort undersøkelser av sammenhengen mellom struktur og aktivitet, kinetikk, effekt av damp i eksosen og av palladiumpromotering, samt effekter på aktivitet og stabilitet ved å kombinere den Ni-Co-baserte katalysatoren med forskjellige oksidbærere. Forenkling av selve katalysatorsyntesen, avsetning av katalysator på monolitt-bærer og testing av monolittene er også utført. To ulike edelmetallbaserte katalysatorer, dvs. platina eller palladium nanopartikler på et porøst bæremateriale med høyt overflateareal (aluminiumoksid) er også laget og testet som referanse. SINTEF utvikler nå kinetiske modeller for reaksjonskjemien. Disse vil øke den grunnleggende forståelsen og samtidig legge til rette for videre systemutvikling. EmX2025-resultatene har vært presentert på 11 nasjonale og internasjonale konferanser, og ~7 publikasjoner er under forberedelse for innsending til vitenskapelige tidsskrift. Bredere formidling har nådd 'Gemini.no' og 'Dagens Næringsliv', og det jobbes med ytterligere 2-populærvitenskapelige bidrag. Avslutningen av doktorgradsprosjektet og forsvar av avhandlingen er planlagt i 2020. 7 NTNU-masteroppgaver i kjemiteknikk har vært knyttet til prosjektet, samt 2 utvekslingsstudenter fra Tyskland.

The EmX project has efficiently utilized the Research Council of Norway TRANSPORT 2025 project allocation to establish competence and infrastructure for developing catalysts for the abatement of exhaust emissions related to the use of LNG as fuel in marine propulsion in Norway. Although the formal project period has come to an end, the project efforts - mostly thesis and manuscript preparation - will continue for some more time. Promising results have been obtained with respect to new materials and material syntheses for both selective reduction of NOx and methane slip removal. Efforts have been made with respect to establishing industrial collaborations and innovation projects, but the momentum in such developments is limited as long as emission regulations are missing. We plan to pursue new funding for both fundamental investigations and innovation projects in the future, but the long-term effort requires environmental protocols and commercial interest.

The project targets new knowledge and innovation for emissions abatement, more specifically nitrogen oxides (NOx) and methane (CH4), in the marine sector. With the recent development in marine regulations, the need to stay competitive in the Norwegian marine sector, and to share our part of the responsibility for environmental emissions by meeting our international obligations, increased the research efforts will be required. Efficient, complete combustion of natural gas involves temperatures that lead to NOx formation. It is generally difficult to maintain high efficiency, lower formation of NOx and avoid methane slip under the dynamic loads of an engine. A combination of methane oxidation and selective catalytic reduction of NOx is therefore required. A concept is envisaged with a dedicated catalytic unit for removing CH4 and non-methane hydrocarbons (NMHC) and thereby also lowering the oxygen concentration, which will be followed by a selective catalytic reduction unit for NOx removal. It is also a goal to replace noble metals in current state of the art systems by more available less expensive elements. The project partners include the NTNU-SINTEF Catalysis Group (KinCat) and the Competence Centre for Catalysis (KCK) at Chalmers University of Technology, Sweden. The project plan includes education of a PhD candidate with joint supervision between the partners, made possible by exchange and mobility between NTNU, SINTEF and Chalmers.