Birkeland-Eyde-prosessen

Birkeland-Eyde-prosessen eller lysbueprosessen er en prosess for fremstilling av nitrogendioksid til bruk i gjødsel. 

Prosessen er oppkalt etter fysikeren Kristian Birkeland (1867–1917) og gründeren Sam Eyde (1866–1940). I Birkelands patentutkast fra 20. februar 1903 ble metoden beskrevet som å «fremstille elektriske lysbuer av størst mulig overflate, særlig til bruk ved kjemisk binding eller spalting av gassblandinger eller gassarter». Tidlige forsøk ble utført i kjelleren ved det Kongelige Frederiks Universitet i Kristiania. Behovet for mer kraft gjorde at man i mai 1903 flyttet forsøkene til en lagerbygning ved Frognerkilen Fabrik. Her fikk man lysbueflammen opp i en diameter på 55 cm og en belastning på 45 kW. For å få tilgang til mer kraft ble det deretter bygget en ny forsøksstasjon på Ankerløkken, like ved Christiania Elektricitetsværks sekundærsatsjon, slik at man kunne få høyspent strøm til ovnsforsøkene, direkte fra Hammeren kraftverk i Maridalen.

Forsøksstasjonen på Vassmoen
På Vassmoen ved Evenstad kraftverk, like ved Arendal, ble metoden videreutviklet fra 1904. På Vassmoen ble det i vintermånedene 1906 også gjort eksperimenter med BASFs konkurrerende lysbueovn, Otto Schönherrs vertikale rørovn. De første Birkeland-Eydeovnene beregnet for full industriell skala, «skjoldovnen», ble utviklet på forsøksfabrikken på Vassmoen.

Forsøksfabrikken på Notodden
Den 2. mai 1905 startet produksjon ved A/S Notodden Salpeterfabrikker med tre lysbueovner, hver på 520 kW. 18. november 1905 ble prosessen presentert av professor Otto Witt på den tekniske høyskolen i Berlin. 5. desember 1905 ble prosessen offentliggjort i Norge i to foredrag; Birkeland holdt foredrag ved Vitenskapsakademiet og Eyde ved Polyteknisk forening. Tre dager tidligere hadde også Norsk Hydro-Elektrisk Kvælstofaktieselskab blitt stiftet i Rådhusgaten 20, Kristiania. 

Ovnene på forsøksfabrikken hadde blitt prøvd med større energimengder enn hva de opprinnelig var konstruert for. Man mistenkte at større belastning ikke ga høyre utbytte. I mars 1906 ble derfor ovnen på Vassmoen flyttet til Nododden for å gjennomføre sammenlignende tester. Vassmoovnen ble utsatt for 300 kW belastning, mens Notoddenovnene ble prøvd med 500 og 750 kW. Utbyttemålingene viste at det effektive utbytte var praktisk talt det samme ved alle belastningene. Det ble derfor avgjort at den største ovnstypen skulle brukes i den nye fabrikken. Vassmoovnen er den eneste lysbueovnen som er bevart intakt, idag plassert på utsiden av Ovnshus A i Hydroparken på Notodden. Når forsøksfabrikken var i full drift ble det daglig produsert omkring 3 tonn Norgessalpeter. Forsøksfabrikkens ovnshus brant ned til grunnen den 7. januar 1908. I løpet av perioden forsøksfabrikken var i drift ble det produsert rundt 2200 tonn kalksalpeter.

Kommersiell produksjon
På Notodden ble det i 1906-1907 bygget en større fabrikk med ovnshus, tårnhus (absorpsjonsanlegg), kokhus og lager. Ved fabrikken som startet opp 2. oktober 1907 var det i ovnshus A installert 32 lysbueovner, hver på 1000 hk (750 kW). Elektrisiteten ble levert fra Svelgfoss kraftverk som ble bygget samtidig med fabrikken. Absorpsjonsanlegget besto av tre parallelle rekker á tre 20 meter høye syretårn i granitt. Restgassabsorbasjonsanlegget besto av tre parallelle rekker á to runde tårn i treverk. Etter en del innkjøringsproblemer var fabrikken i full drift fra 1908.

Birkeland-Eyde-prosessen
Metoden gikk ut på at luft, dvs. nitrogen (N2) og oksygen (O2), ble ledet inn i en rund ovn hvor en lysbue ble dannet mellom to aksialt orienterte elektroder i et kraftig magnetfelt. I ovnen oppsto en skiveformet flamme hvor plasmatemperaturen holdt rundt 3000 °C og omdannet de to hovedkomponentene i luft (N2 og O2) til nitrogenoksid-gass (NO). 

N2 + O2 → 2 NO

Gassen ble kjølt hurtig ved at den ble slynget ut av flammens egen bevegelse til ovnsrommets ytre. Gassen ble deretter trukket med vifter ut i kanaler, fôret med chamottestein, i ovnens øvre og nedre del. Her ble  gassen kjølt til 50 °C og ført videre til et rom hvor gassen oksiderte i en ny reaksjon med oksygen fra ovnsluften til produktet nitrogendioksid (NO2). 

2 NO + O2 → 2 NO2

Den resulterende nitrogendioksid-gassen ble deretter ledet inn i et absorpsjonstårn, hvor den reagerte med vann (H2O) til produktene salpetersyre (HNO3) og nitrogenoksid. 

3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

Salpetersyre er en kilde til nitrat (NO3-), et ion som planter kan absorbere, i reaksjonen:

 HNO3 + H2O → H3O+ + NO3-

I denne reaksjonen dannes også et hydroniumion (H3O+), som er en syre. Gjødsling med salpetersyre gir altså en syrekomponent som et av produktene, noe som vil medføre litt surere jord etter gjødsling.

Bakgrunn
Allerede i 1775 hadde engelskmannen Priestly observert at kraftige elektriske utladninger i luft førte til dannelse av nitrogenoksider. Henry Cavendish påviste i 1785 dannelsen av salpetersyre. I 1859 tok Mme. Lafebre patent på framstilling av salpetersyre ved hjelp av elektriske utladninger i luft og absorpsjon av gassen i alkaliske oppløsninger. På slutten av 1800-tallet ble det drevet en rekke forsøk med elektriske lysbuer. I England publiserte Lord Rayleigh i 1897 en avhandling som beskrev høyspente lysbuer til framstilling av salpetersyre og vanskelighetene med skape en stabil lysbueflamme. To år etterpå ble de første større forsøkene med stabile lysbuer foretatt av britene A. McDougall og F. Howles, men prosessen viste seg å være ulønnsom.

Nitrogenkappløpet

Den første kommersielle produksjon av nitrogengjødsel basert på lysbuer startet i 1902 ved en salpeterfabrikk ved Niagara Falls, USA. Prosessen som var utviklet av Charles S. Bradly og D. Ross Lovejoy ble ulønnsom og produksjonen lagt ned etter to års drift. Birkelands lysbuemetode ble utviklet i konkurranse med den mindre energikrevende Frank-Caro-prosessen (kalsiumcyanamid), kommersiell produksjonsmetode patentert 1903, og Haber-Bosch-prosessen, patentert 1910. Norsk Hydros lysbueovner fikk også konkurranse fra Otto Schönherrs vertikale lysbueovn som var utviklet av BASF i 1905 til Fiskaa bruk i Kristiansand. Ved utbyggingen av «Rjukan I» ble det installert 96 Schönherr-ovner som brukte 4/5 av kraften og kun 1/5 på de 8 Birkeland-Eyde-ovnene som ble installert. Ved utbyggingen av Såheim kraftverk og «Rjukan II» ble det i ovnshus II installert 35 Birkeland-Eyde-ovner som tålte en belastning på 3000 kW.

Lysbueprosessen fikk aldri noen kommersiell suksess utenfor Norge, selv om noen lisensrettigheter også ble solgt utenlands etter at ovnsteknologien var ferdigutviklet ved utbyggingen av «Rjukan II» i 1912. Under den første verdenskrig ble en fabrikk med Birkeland-Eyde-ovner bygget i Soulom, Frankrike. Da fabrikken ble nedlagt i 1926 ble fire av ovnene flyttet til Rjukan. Birkeland–Eyde-prosessen var svært energikrevende og betinget tilgang til billig elektrisk kraft. I 1926 krevde lysbueprosessen i snitt 61 000 kWh for å produsere 1 tonn fiksert nitrogen, Frank-Caro-prosessen krevde rundt 12-14 000 kWh, mens Haber-Bosch-prosessen kun krevde 4000 kWh. I 1913, året etter at Birkeland-Eyde-ovnen var ferdig utviklet, åpnet den langt mer effektive ammoniakkfabrikken ved Oppau i Ludwigshafen, (Tyskland), som produserte etter Haber-Bosch-metoden. I 1926 ble bare 6 % av produksjonen av fiksert nitrogen produsert etter lysbueprosessen. Den resterende produksjonen fordelte seg med 24 % etter Frank-Caro-prosessen og 70 % etter Haber-Bosch-prosessen. I 1920-årene var Norsk Hydros andel av verdens samlede gjødselsproduksjon mellom én og to prosent.

Norsk Hydro hadde gjennom sitt samarbeid med BASF opsjon på Haber-Bosch-metoden. I 1913 besluttet styret å ikke akseptere tilbudet om overdragelse av ammoniakkmetoden fra BASF. Som en del av oppgjøret etter første verdenskrig hadde den franske stat sikret seg Haber-Bosch-prosessen og de ønsket et samarbeid med Norsk Hydro om industriell utnyttelse av prosessen. I 1920 takket Norsk Hydro igjen nei til Haber-prosessen, da de selv sammen med svenskene Helge Bäckström og Ivar Cederberg forsøkte å utvikle en ny ammoniakkprosess med lavere trykk. Dette mislyktes og forsøksprosjektet ble lagt ned i 1924. I 1927 måtte Norsk Hydro også gå over til Haber-Bosch-prosessen og inngå et samarbeid med IG Farben. Den tyske kjemigiganten overtok da 25 prosent av aksjene i Hydro. I forbindelse med prosessomleggingen etablerte Norsk Hydros et nytt anlegg på Herøya i 1929 som i løpet av 1930-årene også startet å produserte fullgjødsel etter Oddaprosessen. Birkeland-Eyde-ovner var i bruk på Notodden fram til 7. april 1934, på Rjukan til våren 1940.

Birkeland-Eyde-prosessen og den påfølgende etableringen av Norsk Hydro hadde stor betydning for Norge som ung nasjon, men prosessen i seg selv var internasjonalt mindre signifikant enn både Frank-Caro-, Haber-Bosch- og Oddaprosessen.

Se også

Fullgjødselproduksjon på Herøya

Kilder
 Olsen, Kr. Anker, «Norsk Hydro gjennom 50 år - Et eventyr fra realitetenes verden», utgitt av Norsk Hydro-Elektrisk Kvælstofaktieselskab, Oslo, 1955.
 Andersen, Ketil Gjølme og Gunnar Yttri, «Et forsøk verdt, forskning og utvikling i Norsk Hydro gjennom 90 år», Universitetsforlaget 1997. ISBN 82-00-12778-8.
 Elisabeth Bjørsvik, Cyanamidproduksjon i Odda 1908-1935
Yara - A French connection

Eksterne lenker
 TF - Lysbueovner 

Kjemiske prosesser
Norsk industri
Norske oppfinnelser
Gjødsel
Norsk Hydro