Alternative brændstoffer – Hvordan lys kan hjælpe med at genanvende kuldioxid

En af de største årsager til klimaforandringer er kuldioxid (CO2). En vigtig drivhusgas, CO2, er resultatet af forbrænding af fossile brændstoffer (såsom olie, kul og naturgas). Den forekommer også naturligt gennem menneskelig vejrtrækning, planters respiration og vulkanske udbrud.

Skovbrande er endnu en fremtrædende årsag til CO2-udledning, med et anslået udslip på 2.170 millioner metrikton i 2023 alene.

En ny undersøgelse har fundet, at CO2-udledningen fra skovbrande faktisk er steget med hele 60 % globalt i løbet af de sidste 23 år.

Ledet af University of East Anglia (UEA) grupperede undersøgelsen verdensområder i ‘pyromes’, som er regioner, hvor skovbrandmønstre påvirkes af lignende klimatiske, menneskelige og miljømæssige faktorer.

Med dette så undersøgelsen på forskellene mellem skov- og ikke-skovbrande, hvilket afslører de vigtigste faktorer, der driver de seneste stigninger i skovbrandaktivitet.

Ifølge undersøgelsen næsten tredobledes CO2-udledningen fra brande i en af de største pyromes mellem 2001 og 2023. Disse pyromes, som dækker boreale skove i Eurasien og Nordamerika, indeholder nogle af de mest klimafølsomme nordlige boreale skove.

Betydelige stigninger er blevet observeret bredere på tværs af de ekstratropiske skove, svarende til yderligere en halv milliard ton kuldioxid hvert år. Epicentret for CO2-udledninger bevæger sig også mod de ekstratropiske områder, væk fra de tropiske skove.

Stigningen i udledninger er blevet forbundet med en forøgelse af vejrforhold, der er gunstige for brand, såsom varme og tørre forhold under hedebølger og tørke. Desuden har øgede vækstrater i skovene ført til mere vegetation som brændstof. Disse tendenser understøttes yderligere af stigende temperaturer i de høje nordlige breddegrader, som sker med dobbelt så høj hastighed som på globalt plan.

Ikke kun har omfanget af skovbrande øget betydeligt, men deres alvorlighed er også steget i løbet af de sidste to årtier.

“Stigninger i både omfanget og alvorligheden af skovbrande har ført til en dramatisk stigning i mængden af kulstof, der udledes af skovbrande globalt. Overraskende ændringer i den globale brandgeografi er også i gang, og de forklares primært af de voksende påvirkninger af klimaforandringer i verdens boreale skove.”

Virkningen af skovbrande på kulstofsekvestreringsindsatser

Forskere fra hele verden samlede sig til den nye undersøgelse og advarede om, at for at forhindre den fortsatte vækst i skovbrande, må vi tackle de primære årsager til klimaforandringer.

“For at beskytte kritiske skovøkosystemer mod den accelererende trussel fra skovbrande, skal vi holde den globale opvarmning i skak, og dette understreger, hvorfor det er så vigtigt at gøre hurtige fremskridt mod netto nul emissioner.”

– Dr. Jones, en NERC uafhængig forskningsstipendiat

Skove spiller selv en afgørende rolle i at nå internationale klimamål. De hjælper trods alt med at fjerne CO2 fra atmosfæren ved at fungere som kulstofopsamlinger.

Det fungerer ved, at skove absorberer kuldioxid fra atmosfæren og lagrer den i form af biomasse, dødt træ, løv og jord, hvilket kaldes kulstofsekvestrering, og det reducerer den globale opvarmningshastighed.

Som sådan har regeringer verden over indført genplantnings- og skovrejsningsprogrammer for at kompensere for menneskelige CO2-emissioner, især fra sektorer som luftfart og visse andre industrier. Succesen af disse programmer afhænger dog af permanent kulstoflagring i skove, som er truet af skovbrande.

Med de ekstratropiske brande, der allerede udleder en halv milliard ton mere CO2 end i 2001, og den langsigtede effekt, der afhænger af skovenes genopretning, bringer mere udbredte og alvorlige skovbrande emissionerne ud af balance med den kulstof, der opsamles ved genopretning efter brand. Dr. Jones sagde:

“Den steile tendens mod større emissioner fra ekstratropiske skovbrande er en advarsel om den voksende sårbarhed i skovene, og den udgør en betydelig udfordring for globale mål om at tackle klimaforandringer.”

Han udtalte yderligere, at efter alvorlige brande er skove kendt for at komme langsomt tilbage. Derfor skal vi være opmærksomme på, hvordan stigningen i brandens alvorlighed vil påvirke skovenes kulstoflagring i de kommende år.

Midt i alt dette er der blevet reduceret afbrænding af tropisk brandudsatte savanner, med tidligere studier der viser, at siden 2001 er det område, der brændes af både skov- og ikke-skovbrande, faldet med en fjerdedel globalt.

På baggrund af den reducerede afbrænding i græsarealer og savanner viser undersøgelsen, ifølge forfatterne, at brande fortsat forekommer i stigende grad, hvor de ikke burde, dvs. skove har maskeret den stigende omfang og alvorlighed af skovbrande. Dette udgør “den største trussel mod mennesker og vitale kulstoflagre,” sagde Dr. Jones.

Disse nye observationer blev opnået med hjælp fra maskinlæring, som blev brugt til at gruppere skovøkoregioner i 12 forskellige pyromes. Som vi for nylig delte, anvendes AI-modeller i vid udstrækning til tidlig påvisning af skovbrande. Det enorme potentiale i AI og maskinlæring forstærkes yderligere af den voksende database over brandforekomster.

I den nye undersøgelse gjorde brugen af AI til gruppering det muligt for forskere at isolere klimaændringernes påvirkning fra andre faktorer som vegetationens produktivitet og arealanvendelse. Desuden er forståelse af, hvad der forårsager brande i disse forskellige pyromes, vigtig for at udvikle effektive strategier til at forudsige og afbøde skovbrande samt beskytte skove.

“Betydelig finansiering er påkrævet for at støtte strategiske programmer inden for skovforvaltning, interessentinddragelse og offentlig uddannelse, som alle repræsenterer et meningsfuldt skift i brandstyringsstrategien fra overvejende reaktiv til i stigende grad proaktiv.”

– Dr. Jones

En ny grænse: Omdannelse af CO2 til værdifulde produkter

Udover kulstofsekvestrering er en anden måde at afbøde CO2’s negative påvirkning på miljøet ved at omdanne den til værdifulde produkter.

Dette omfatter omdannelse af CO2 til carbonnanofibre, som kan bruges til at styrke byggematerialer, kombination med hydrogen for at producere brændstoffer som metan, methanol, benzin og flybrændstoffer, samt omdannelse af CO2 til kemikalier og andre produkter såsom farmaceutiske produkter, fødevaretilsætningsstoffer og dufte.

En ny undersøgelse forbedrede denne omdannelse af CO2 til værdifulde produkter ved at kombinere synligt lys og elektrokemi.

Undervejs gjorde holdet en overraskende opdagelse, at synligt lys væsentligt forbedrede selektiviteten, hvilket er en vigtig kemisk egenskab. Denne opdagelse åbner nye veje for CO2-omdannelse såvel som mange andre kemiske reaktioner, der anvendes i katalysesforskning og kemisk fremstilling.

At omdanne CO2 til en energibærer i stedet for affald eller emission gennem genanvendelse er en fremragende måde at reducere klimaforandringer på. Her omdannes kuldioxid til brændstoffer, kemikalier, materialer og termisk energi.

Nogle måder, hvorpå CO2 genanvendes, inkluderer kunstig fotosyntese, en proces hvor solenergi udnyttes til at syntetisere kemikalier ved brug af CO2 som råmateriale. Derudover findes elektrolytisk omdannelse, hvor elektricitet bruges til at omdanne CO2 til kemikalier som ethanol, eddikesyre eller myresyre.

Den nye undersøgelse benyttede elektrolytisk reduktion til at genanvende kuldioxid til værdifulde produkter. I denne proces forklarede Prashant Jain, en kemiprofessor ved University of Illinois Urbana-Champaign, at en strøm af CO2-gas passerer gennem en elektrolysecelle, der nedbryder kuldioxid og vand til giftig kulilte (CO) og hydrogen. Disse nye gasser kan derefter anvendes til at skabe nye kulbrinteprodukter.

Jain påpeger dog, at denne reaktion er ret langsom, og at vi har brug for store elektroder til processen. Disse elektroder indeholder meget dyrt katalysatormateriale som kobber eller guld eller kobber.

På grund af disse hindringer gik Jan sammen med sin tidligere doktorand Francis Alcorn i gang med at finde måder at fremskynde processen på, som ville kræve mindre katalysatormateriale, og dermed “gør det til en mere levedygtig mulighed for den alternative brændstofindustri”.

Brug af synligt lys til at øge CO2-omdannelseseffektiviteten

Under den nye metode kombinerede holdet synligt lys med elektroder, der er dækket af ekstremt små partikler af en guld-kobber legering. Dette muliggør reduktion af CO2 med en øget hastighed og mere kontrolleret selektivitet sammenlignet med konventionelle metoder. 

Jain forklarede:

“(De nye elektroder) fungerer som små antenner, der opsøger fotoner i det synlige lysspektrum og kobler dem med den kemiske reaktionsvej.”

For at forbedre ledningsevnen i disse elektroder nedsænkede holdet dem i en opløsning af vand, CO2 og en elektrolyt. De påførte derefter en spænding over elektroden, mens overfladen blev belyst med en synligt lyslaser.

Dette resulterede i en reaktion, der hurtigt producerer hydrogen ved at splitte vandmolekyler og kulilte, som stammer fra splitning af kuldioxid.

Mens holdet var “meget begejstrede” over at se springet i produktivitet ved brug af synligt lys, var det uventet, at det synlige lys havde så stor indflydelse på kemisk selektivitet — hvilket Jain sagde “er den vigtige fremskridt her”.

Hvad er denne selektivitet? I katalyse er kemisk selektivitet en kemisk reaktions evne til at favorisere én type molekyle eller vej frem for en anden.

I denne specifikke undersøgelse blev en vandsplittende reaktion, der danner brintgas, fundet at blive selektivt forbedret ved brug af lys. Jain sagde:

“Resultaterne antyder, at synligt lys giver en unik mulighed for at justere forholdet mellem produceret kulilte og brintgas, en afgørende faktor for industriel produktion af syntesegas. Denne opdagelse baner vejen for en mere bæredygtig og effektiv energifremtid.”

Det sagt bemærkede professoren, at brug af lys til at forbedre kemiske reaktioner ikke er uden kontrovers, da lys også medfører varme. Derfor måtte holdet udføre kontrolforsøg og foretage omhyggelige målinger for at afgøre, om det var lysets opvarmningseffekt, der forårsagede hurtigere reaktionshastigheder og selektivitet.

Det hold gjorde for at fastslå dette, var at de udførte eksperimenter med laser og uden den ved den præcise samme temperatur, som lysekscitationen skabte. Dette hjalp dem med at udelukke opvarmning som den ansvarlige faktor.

Holdet fandt, at det faktisk var elektriske felter og rettet ladningsstrøm skabt af lysekscitation, der var ansvarlige for forøget produktivitet og forbedret selektivitet ved vandspaltning.

Fremadrettet har holdet stadig udfordringer at overvinde. Dette inkluderer gentagen brug af elektrodebaserede nanopartikler, som vil føre til nedbrydning over tid, især ved skalering af metoden til industriel anvendelse.

Holdet skal også foretage yderligere forskning og forbedre den samlede energieffektivitet i processen samt lysstyring.

“(Generelt) viser vores fund i denne undersøgelse helt nye måder at tænke på inden for elektrokemi og katalyse.”

– Jain

Alligevel har brugen af lys forbedret katalysatorens aktivitet, men vigtigere og overraskende har det gjort det muligt at ændre selektiviteten, hvilket vil åbne nye kemiske veje, der producerer forskellige produkter. Dette betyder, at CO2-reduktion eller vandspaltning kun er begyndelsen; metoden kan også anvendes på mange andre katalytiske reaktioner, der er vigtige for den kemiske industri.

Virksomheder involveret i CO2-reduktion og -omdannelse

Den stigende alvorlighed og ødelæggelse forårsaget af skovbrande har ført til fremskridt inden for brandbeskyttelsesmetoder, såsom varmeaktiverbare biomimetiske hydrogeler. Der er dog også en stigende interesse i at reducere og genanvende CO2-emissioner. Denne genanvendelse indebærer at omdanne kuldioxid, en væsentlig bidragyder til klimaforandringer, til nyttige produkter såsom brændstoffer, kemikalier og byggematerialer.

Virksomheder i frontlinjen af disse bestræbelser kombinerer banebrydende teknologier for at tackle de miljømæssige og økonomiske udfordringer, som CO2-emissioner medfører.

Dette inkluderer Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), og Occidental Petroleum (OXY ). Mens Chevron investerer i carbon capture teknologier, fokuserer FuelCell Energy på rene energiløsninger, og Occidental er involveret i direkte luftopsamling (DAC)-teknologi for at fjerne CO2 fra atmosfæren og omdanne den til brugbare produkter.

Air Products and Chemicals (APD ) er en anden, der er involveret i produktion af hydrogen og CO2-omdannelsesteknologier. Med en markedsværdi på 73,44 milliarder dollars handles APD-aktierne i øjeblikket til 330,37 $, op 20,66 % i år til dato.

Lad os nu se nærmere på en anden stor aktør inden for kulstofopsamling:

ExxonMobil (XOM )

Dette amerikanske multinationale olie- og gasselskab, som er den største direkte efterkommer af John D. Rockefellers Standard Oil, har en stigende interesse i kulstofopsamling, -udnyttelse og -lagring (CCUS)-teknologier for at reducere CO2-emissioner.

ExxonMobils CCS-netværk omfatter driften af den største 1.500 mil lange CO2-pipeline i USA. Det har også flere strategisk placerede lagringssteder langs den amerikanske Golfkyst.

Gennem ExxonMobil Low Carbon Solutions spiller virksomheden en vigtig rolle i at skalere kulstofopsamlings- og lagringsteknologi. Den har en nuværende opsamlingskapacitet på 9 millioner metrikton om året, en samlet opsamling på 120 millioner metrikton til dato, og udgør samlet omkring 40 % af al menneskeskabt CO2, der er opsamlet, ifølge tal fra ExxonMobils officielle hjemmeside.

Virksomheden har samarbejdet med Mitsubishi Heavy Industries (MHI) for at muliggøre omfattende end-to-end-løsninger til postforbrændings-CO2-opsamling. Løsningen leverer komplet kulstofopsamling, transport og lagring.

Virksomheden driver også et pilotprojekt for at bruge gas, som ellers ville blive brændt af på grund af mangel på rørledninger, fra sine oliebrønde i North Dakota til at forsyne Bitcoin-minedriftoperatører med strøm. Til dette har ExxonMobil indgået partnerskab med Crusoe Energy Systems, som udnytter spildenergi til at tage gas fra oliebrøndene og drive mobile generatorer brugt til Bitcoin-minedrift. Virksomheden forventer, at deres emissionsreduceringsplaner vil opnå Verdensbankens Zero Routine Flaring inden 2030.

På tidspunktet for skrivning handles aktierne til 119,94 $, efter en stigning på 20,72 % i prisen hidtil i år. Dette giver ExxonMobils markedsværdi på 536,2 milliarder dollars med en EPS (TTM) på 8,34, P/E (TTM) på 14,47 og et udbytte på 3,15 %.

For Q2 2024 rapporterede virksomheden en indtjening på 9,2 milliarder dollars, hvilket den sagde demonstrerer de “differentierede styrker i ExxonMobils portefølje og dens forbedrede indtjeningsevne.” Den udvidede også sit værdiforslag ved at styrke lederskabet inden for kulstofopsamling og -lagring (CCS) med en ny aftale, der øgede den samlede kontraherede CO2-afkøb til 5,5 millioner metrikton om året. Dette er, ifølge ExxonMobil, mere “forpligtet volumen end noget andet selskab har annonceret.” Dets finansielle resultater for tredje kvartal 2024 vil blive offentliggjort den 1. november.

Konklusion

Med milliarder af metrikton CO2, der udledes i atmosfæren hvert år, fører det ikke kun til klimaforandringer, som medfører mere ekstreme vejrhændelser, men også til sundhedsrisici og havforsuring, der truer marint liv og koralrev.

Efterhånden som klimakrisen intensiveres, er det blevet kritisk, at vi tackler det alvorlige problem med stigende CO2-emissioner for at reducere den globale opvarmning og dens katastrofale konsekvenser. Skovbrande, drevet af klimaforandringer, frigiver hidtil usete niveauer af kuldioxid, hvilket yderligere accelererer problemet. Mens genplantnings- og skovrejsningsprogrammer er afgørende for at kompensere emissioner, udgør truslen fra skovbrande en stor udfordring, hvilket gør proaktive brandstyringsstrategier nødvendige.

Innovative løsninger, såsom elektrolytisk reduktion af CO2 og brug af synligt lys til at forbedre katalytiske reaktioner, tilbyder lovende muligheder for at genanvende skadelige kulstofemissioner til værdifulde produkter som syntetiske brændstoffer og industrielle kemikalier.

Disse fremskridt, selvom de stadig er under udvikling, repræsenterer potentialet for at afbøde klimaforandringer ved at omdanne CO2 fra et globalt forurenende stof til en ressource for fremtiden. Efterhånden som virksomheder fortsætter med at investere i kulstofopsamlings-teknologier og alternative brændstoffer, kommer vi tættere på en bæredygtig løsning, der kan omforme energilandskabet.

Klik her for at lære, hvad der er bedre til at tackle atmosfærisk CO2: forebyggelse eller helbredelse.