4 Nanoteknologi

Analyse af danske styrkepositioner inden for teknologier, der kan føre til substitution af kemikalier

Nanoteknologi og nanomaterialer vurderes af mange at danne basis for den næste industrielle revolution, og det er også et af de områder, hvor der bruges mange ressourcer inden for forskning og udvikling. Også i Danmark er forskning og udvikling indenfor nanoteknologi i fokus. Der er etableret forskningsmiljøer og nanocentre på universiteterne, hvor der samarbejdes med såvel udenlandske forskere som danske og udenlandske virksomheder.

Nanoteknologi er teknologier, hvor man arbejder i skalaen fra 1-100 nm. En nanometer (nm) er 10^-9 meter. Naturens fundamentale byggesten atomer og molekyler har dimensioner i nanoskala. Igennem de seneste 20 år er det lykkedes at udvikle scanning-probe mikroskoper, som gør det muligt ikke kun at se individuelle atomer og molekyler på en overflade, men også muligt at flytte atomer og molekyler. Nanoteknologi er evnen til at udarbejde og kontrollere objekter på nanoniveau, med målet om at udarbejde nye materialer som har specifikke egenskaber og dermed specifikke funktioner.

Der er i denne undersøgelse gennemført telefoninterview med 5 virksomheder og 2 forskningsinstitutioner. Herudover har der været kontakt til en række virksomheder, der kunne være interessante i nanoteknologiens vinkel. Nogle af disse viste sig at arbejde med mikroteknologi i stedet for nanoteknologi. I nogle tilfælde anvendes nanoteknologi eksempelvis i en proces i virksomheden, men virksomheden ønsker ikke at bruge dette i markedsføringen af produkterne.

4.1 Virksomheder og brancher

Som nærmere beskrevet i næste afsnit er der i denne undersøgelse identificeret to potentielle styrkepositioner i relation til mulighederne for at begrænse brugen af problematiske stoffer med brug af nanoteknologi. Den ene, brug af alternativer til biocidholdig bundmaling, er nærmere beskrevet i kapitel 6, mens der i dette kapitel fokuseres på anvendelse af nanoteknologi i fremstillingen af brændselsceller, der kan erstatte blyholdige batterier. Denne indsnævring begrænser i sig selv antallet af danske virksomheder eller størrelsen af produktionen - og dermed potentialet for eksport.

Der er i dag to danske virksomheder der producerer brændselsceller - IRD A/S (ca. 50 ansatte) og Topsøe Fuel Cell (ca. 50 ansatte), sidstnævnte ejet af Haldor Topsøe A/S (1650 medarbejder verden over). De producerer brændselsceller af typen PEM og SOFC. Princippet i PEM er, at der ved temperaturer på 80-130ºC anvendes H₂ som brændstof som omdannes til elektricitet; mens SOFC ved temperaturer på 650-950°C anvender H₂, naturgas, biogas eller lignende som omdannes til elektricitet.

Brændselscellerne samles til brændselsstakke, der bl.a. anvendes af to danske virksomheder der arbejder som systemintegrator og samler brændselscellesystemer. Den ene, H2Logic (ca. 20 ansatte) fremstiller brændselscellesystemer primært til trucks og på sigt til biler. Den anden, Danterm Power A/S (30 ansatte - del af Dantherm koncernen med 2.300 ansatte globalt og en omsætning på 2.1 mia. kr.) fremstiller power back-up units primært til brug i telekommunikationen. Begge produkter er alternativer til dieselgeneratorer og blybatterier. Der vil dog stadig være behov for et lille batteri (blybatteri) til at starte brændselscellen op og til at fungere som buffer ved selve anvendelsen af back-up unit'en.

IRD er en af de første producenter, der er klar med PEM også på produktionsplan. De fortsætter samtidig med forskning og udvikling mht. metanol som brændstof, idet det er flydende og dermed lettere at håndtere. Der kan være steder, hvor det er svært at levere H₂ i flasker.

4.2 Miljøeffektive produkter og teknologier i relation til substitution af problematiske kemikalier

I forsøget på at afdække danske styrkepositioner, hvor nanoteknologi kan substituere problematiske kemikalier, skal man være opmærksom på mindst to forhold. For det første er den største del af den nuværende forskning i nanoteknologi primært grundforskning, og det kan tage år at realisere mange af de mål man forestiller sig. Der er dog ingen tvivl om, at mulighederne for betydningsfulde anvendelser er store, men der er behov for fortsat forskning og udvikling på området. Der er blandt andet nogle produktionsprocesser, der skal optimeres, der skal foretages afprøvninger på virksomhedsbasis, og der skal arbejdes med opskalering. Endvidere skal de miljø- og sundhedsmæssige perspektiver afdækkes. Ud over at have miljømæssige perspektiver er der også betænkeligheder i relation til de miljø- og sundhedsmæssige risici forbundet med brugen af nanomaterialer. Eksponering af mennesker og miljø vil i særlig grad kunne ske ved brug af frie nanopartikler f.eks. nanopartikler suspenseret i væsker og ved påføring af nanopartikler med spray. Nogle nanopartikler mistænkes for kunne have negative sundheds- og miljøeffekter, hvilket bl.a. skyldes, at de er tungtnedbrydelige og dermed ophobes i naturen og i organismer, så små at de kan trænge gennem biologiske membraner, og at de spredes upåagtet, fordi de er svære at detektere. Der er mindre mistanke i relation til mulige sundheds- og miljøeffekter af nanostrukturer på overflader og nanostrukturer i materialer (f.eks. porøse keramiske materialer), men der er stadig behov for at forske også i dette område.

En undersøgelse af det nanoteknologiske område fra 2007, viste at 16 danske virksomheder arbejdede med nanoteknologi inden for områderne farve og lak, overfladebehandling, kosmetik, farmakologi og bioteknologi, optik, sensorer, katalysatorer, beton og tekstiler (Tønning & Poulsen 2007). Nanopartikler brugt i større skala blev indkøbt fra udenlandske virksomheder, og der var tilsyneladende ingen virksomheder i Danmark specialiseret i fremstilling af nano-partikler. Halvdelen af de interviewede virksomheder arbejdede med nanoteknologi på forsknings- og udviklingsniveau eller i meget lille skala (<1 kg pr. år).

Miljøgevinster fra nanoteknologiske anvendelser er ofte mindre synlige og til dels indirekte - også når det gælder substitution af problematiske kemikalier. Der er stor fokus på mulighederne for energibesparelse - dels gennem mere effektive produktionsprocesser, f.eks. inden for cementindustrien, dels gennem mere slidstærke produkter såsom bremseklodser, der holder længere. Produktionsprocesser, der bygger på nanoteknologi, vil samtidig anvende færre og lettere materialer og færre opløsningsmidler.

De miljømæssige perspektiver i relation til nanoteknologiområdet i Danmark er tidligere beskrevet i rapporten " Green Technology Foresight about environmentally friendly products and materials - The challenges from nanotechnology, biotechnology" (Jørgensen et al., 2006). I undersøgelsen blev der identificeret i alt 39 foreslåede specifikke forskningsområder/teknologier inden for 11 overordnede områder. De 11 områder omfatter bl.a. katalytisk produktion af kemikalier, katalytisk rensning af luftemissioner, polymerbaseret elektronik (f.eks. fladskærme), lysdioder, miniaturiserede systemer til kemisk analyse, beskyttende og selvrensende overflader, plantefibre med nano-strukturerede overflader og polymer nano-fibre, bioplast (polymermaterialer baseret på organiske materialer og tilsat nanomateriale) samt polymer solceller.

Undersøgelsen pegede på tre områder som særligt interessante i relation til grøn innovation:

Energi produktion (brint baseret samfund);
Katalytisk luftrensning og katalytisk ressource- og energieffektiv produktion af kemikalier;
Sensorer til brug for mere ressourceeffektive produktionsprocesser og produkter.

Af disse tre blev energiproduktion af de fleste af de adspurgte forskere vurderet at have det største miljøpotentiale.

I relation til substitution af problematiske kemikalier er det umiddelbart beskyttende og selvrensende overflader, som synes af have det største direkte potentiale: Miljøvenlig begroningshindrende maling til skibe, som kan mindske brugen af biocider, anti-graffiti maling som kan mindske brug af opløsningsmidler, og overflader som kan rengøres medmindre brug af desinfektionsmidler. Eksempel på sidstnævnte kan være antibakterielle keramikfliser på operationsstuer, hvor der er indstøbt nanopartikler, med den funktion at slå bakterier ihjel, ved påvirkning med UV-stråler.

Interviewene i nærværende undersøgelse har identificeret to anvendelser af nanoteknologi som direkte kan føre til substitution eller begrænsning i brugen af problematiske kemikalier, og som samtidig potentielt kan repræsentere en dansk erhvervsmæssig styrkeposition. Den ene er brug af nanoteknologi i relation til begroningshindrende midler, som omtales nærmere i kapitel 6, mens den anden anvendelse knytter sig til fremstillingen af brændselsceller, som kan erstatte bly og blyforbindelser, og som omtales nærmere i dette kapitel. Brugen af brændselsceller har ikke direkte til formål at substituere problematiske kemikalier, men det er en væsentlig sidegevinst.

Brændselsceller er elektrokemiske enheder, der kan producere varme og elektricitet ved hjælp af brint og ilt. Hvis der ikke er brint til rådighed kan de køre på alkohol, biogas eller brændsel som olie og naturgas, der omdannes til brint. Brændselsceller bruger ilt fra luften, eneste spildprodukt er vand, og processen er støjfri. Nanoteknologien i disse produkter er en del af opbygningen af selve brændselscellerne, idet nanoteknologi gør det billigere at producere brændselscellerne og dermed mulige at udnytte kommercielt - dvs. de er økonomisk rentable i forhold til blybatterier.

De brintbaserede brændselsceller fylder samtidig mindre end blybatterierne og har en længere levetid. Levetiden for et blybatteri er 3-4 år, hvorefter det må kasseres, mens brændselsceller har ca. 15 års levetid. Back-up units er dog lidt dyrere end blybatterier, men det at de er mindre men har samme eller øget back-up tid, kan gøre dem særdeles attraktive.

I relation til mulige miljø- og sundhedsmæssige aspekter af brugen af brændselsceller kan det være væsentligt at se på, hvilke materialer der indgår i brændselscellerne. Brændselsceller, der kan omsætte brint, har traditionelt indeholdt platin eller andre sjældne metaller, men der arbejdes på at mindske eller undgå brugen af disse metaller, som udgør en væsentlig del af prisen. Der er her ikke set nærmere på de ressource- og sundhedsmæssige aspekter af brugen af platin og andre metaller i brændselsceller, men det er naturligvis et vigtigt aspekt i relation til at vurdere det miljø- og sundhedsmæssige potentiale i relation til erstatning af blyakkumulatorer.

Blyakkumulatorer udgjorde i år 2000 52% af forbruget af bly i Danmark (Lassen et al. 2003). Traktionsbatterier (som anvendes i eldrevne køretøjer) og stationære batterier (som bruges som back-up strømforsyning), som i første omgang kan erstattes af brændselsceller, udgør tilsammen omkring 30% af det samlede forbrug.

På verdensplan udgjorde batterier i 2003 omkring 78% af forbruget af bly (UNEP 2008), og bortskaffelse af batterier udgør i mange mindre udviklede lande et meget væsentligt problem i relation til eksponering af mennesker og spredning af bly i naturen. I FN regi foregår der for øjeblikket en proces med henblik på at afklare om bly skal omfattes af en international konvention i lighed med Stockholm-konventionen om tungtnedbrydelige organiske miljøgifte. Der er således, udover de energimæssige perspektiver, også store miljømæssige perspektiver i at erstatte blybatterier med brændselsceller. Indtil videre har der ikke været andre konkurrencedygtige alternativer i blybatterier.

4.3 Viden og relationer

Som nævnt ovenfor er den nuværende nanoteknologiforskning primært undersøgende, men mulighederne er store og der er behov for fortsat forskning og udvikling på området. Dette betyder i sagens natur, at en virksomhed for at have eller kunne få succes i markedet for produkter eller produktionsprocesser baseret på nanoteknologi både skal have adgang til den nyeste viden - og være omstillingsparat. Dette er dog også kendetegnende for de ovenfor beskrevne danske virksomheder, som har gode relationer til forskningsmiljøet.

Der foregår et vist samarbejde mellem flere danske virksomheder og Institut for Fysik og Kemi (IFK), Syddansk Universitet i Odense omkring aktuelle problemer.

Dantherm Powers samarbejder i høj grad med Ålborg Universitet og i nogen grad med DTU. Herudover er der etableret samarbejde med flere underleverandører om specielle komponenter, der produceres kommercielt efter Dantherm Powers specifikationer. Dette gælder også H2Logic, der ikke selv udvikler nye teknologier inden for nanoområdet, men samarbejder med leverandører om udvikling af nye delprodukter efter H2Logics specifikationer. Udover samarbejde med leverandører (>100 i alt, heraf er >60 lokale) er der samarbejde med de danske uddannelses- og forskningsinstitutioner, Ålborg Universitet, DTU, DTU/Risø, Århus Universitet, Teknologisk Institut samt Hydrogen Innovation Research Centre.

I efteråret 2006 blev "Partnerskab for brint og brændselsceller" etableret. Partnerskabet er et mødested for interessenter med viden og udviklingspotentiale inden for brint og brændselscelleområdet. Det involverer større og mindre virksomheder med forskellige specialer og udviklingstraditioner, et stærkt forsknings- og udviklingsmiljø, bevillingsgivere, uddannelsesinstitutioner og andre nationale og internationale interessenter. Sekretariat for partnerskabet er Energi Industrien under Dansk Industri (http://www.hydrogennet.dk). Producenter der er med i partnerskabet er GreenHydrogen.dk, Dantherm, H2Logic, Topsoe A/S og IRD.

4.4 Potentiale for eksport

Der findes andre brændselscelleleverandører i Europa, men ingen af disse vurderes at målrette deres udvikling mod telekommunikations-backups som Danterm Power, der forventer at være klar med et kommercielt produkt med stort potentiale i løbet af kort tid. Især lande, hvor der er en ustabil strømforsyning, vil kunne have gavn af dem. Eksempelvis Afrika har en meget ustabil strømforsyning til telefonnettet.

Miljøpotentialet må forventes at være stort, idet batterier i 2003 på verdensplan som nævnt udgjorde omkring 78% af forbruget af bly (UNEP 2008) svarende til ca. 4.6 mio. tons bly eller mere end 300 mio. batterier.

Selvom brændselsceller i første omgang kun kan erstatte en del af batterierne, indikerer ovenstående, at der kan være tale om et ganske væsentligt eksportpotentiale.

Udover brændselsceller, må der også siges at være et dansk eksportpotentiale inden for andre nanoteknologiske løsninger, der kan lede til miljøforbedringer - dog ikke umiddelbart til substitution af problematiske kemikalier. Det vurderes f.eks. at der kan være tale om en danske styrkeposition inden for nanofibre til "nonwovens", der eksempelvis bruges til hygiejneprodukter hos Fibertex. Her hjælper nanoteknologien til at producere lettere materialer og dermed mindre mængde affald.

4.5 Barrierer

En barrierer for samarbejdet mellem virksomheder og forskningsinstitutioner, som er nævnt af interviewede personer drejer sig om virksomhedernes medfinansiering af erhvervs-PhD-projekter. Der er typisk tale om en håndfuld virksomheder, der har ressourcerne til at være med, men ofte ønsker de at bidrage med apparatur og ressourcer frem for økonomiske midler. Derfor foreslås det, at virksomhederne i højere grad selv skal kunne beslutte, hvad de ønsker at bidrage med i et givet projekt. Herudover er nævnt, at det kunne det være en idé, at de små og mindre virksomheder deles om en master-studerende til et projekt.

Et af de adspurgte universiteter vurderede, at den største barriere for udvikling var mangel på studerende indenfor fagene fysik, biologi og kemi. I forskning indenfor nanoteknologi er det vigtigt, at have et indgående kendskab og forståelse for de grundlæggende principper indenfor fysikken (kvantefysik og -mekanik), biologien og kemien.

En anden barriere, som blev nævnt, var at der stadig er behov for en del udvikling og optimering af fremstillingsmetoderne.

Det blev endvidere af de interviewede personer anbefalet, at der blev satset på information om nanoteknologi til virksomheder - f.eks. workshops eller virksomhedsdage, hvor forskere fortalte om forskningsresultater, og nanovirksomheder fortalte om erfaringer med egen produktion og anvendelse. På denne måde ville det høje vidensniveau, der er på danske forskningsinstitutter blive videregivet til virksomhederne, der måske kunne omsætte en ide til en produktion. Herudover ville den unikke viden der allerede er i danske virksomheder blive videregivet til andre relevante eller mere kapitalstærke virksomheder, som måske ville være i stand til at iværksætte en kommerciel produktion.

4.6 Initiativer til fremme af styrkepositioner

I forlængelse af ovenstående påpegning af barrierer for samarbejde med virksomheder og forskningsinstitutioner, er det en oplagt mulighed at understøtte yderligere netværksdannelse. En sådan understøtning f.eks. via etablering af formelle netværk kunne i samme åndedrag have substitution af problematiske kemikalier som prioritetsområde.

Der eksisterer allerede et partnerskab for brint/brændselsceller som blev etableret i efteråret 2006. Partnerskabet er et mødested for interessenter med viden og udviklingspotentiale inden for brint og brændselscelleområdet. Sekretariat for partnerskabet er Energi Industrien under Dansk Industri (se www.hydrogennet.dk). Partnerskabet har bl.a. holdt en workshop en workshop om status og perspektiver for anvendelse af batterier inden for transportsektoren, herunder elbiler og brændselsceller.

Som også nævnt ovenfor foregår der i FN regi for øjeblikket en proces med henblik på at afklare om bly skal omfattes af en international konvention i lighed med Stockholm-konventionen om tungtnedbrydelige organiske miljøgifte. Da der hidtil ikke har været konkurrencedygtige miljørigtige alternativer til blyakkumulatorer, har der internationalt ikke været taget skridt mod begrænsning af brugen af blybatterier. Et muligt initiativ vil derfor være udbredelsen - internationalt - af kendskabet til de danske resultater inden for brændselscelleudvikling.

Generelt anser de interviewede virksomheder og forskningsinstitutioner lovgivning som et centralt initiativ til fremme af den danske styrkeposition inden for brændselsceller og andre produkter og produktionsprocesser, der anvender nanoteknologi.

Danmark kan også vælge at satse på brændselscelleområdet ved etablering af en "brintbaseret" infrastruktur. Det vurderes, at en øget efterspørgsel kunne komme som følge af støtte til brintbilen og afgiftsfritagelse for selve energibæreren (brændstoffet). I USA er lovgivning i pipeline om krav om minimum 8 timers back-up på tele-sites. For at klare dette skal der nogle meget store blybatterier til. Alternativt kan anvendes brændselsceller, der selvom de er mindre kan give en længere back-up tid.