Genopfindelse af kulindustrien gennem kulstofprikker

I december 2023 indgik 198 underskrivende lande på Konferencen om Parterne (COP) en fælles aftale om, at verden skal “overgå” væk fra fossile brændstoffer som kul i en “retfærdig, ordentlig og ligelig måde” for at reducere drivhusgasemissionerne til næsten nul inden 2050. Der er dog endnu ingen tidsplaner, så fossile brændstoffer vil fortsat være grundpiller i økonomierne overalt i de kommende år.

Kul er verdens mest dominerende og mest kulstofintensive energikilde. Fire hovedtyper af kul omfatter:

(i) Anthracit (ii) Bituminøst (iii) Subbituminøst (iv) Lignit

Dette fossile brændstof udgør mere end 37% af den globale elforsyning, spiller en grundlæggende rolle i at forsyne hjem og industrier med energi og lindre verdens energifattigdom. Selv i dag lever omkring 860 millioner mennesker verden over uden adgang til elektricitet. Som sådan er det moderne liv simpelthen uundværligt uden kul.

Den globale kulforbrug nåede faktisk en rekordhøj i 2023, da efterspørgslen efter det fossile brændstof steg 1,4 % i løbet af året og for første gang oversteg 8,5 milliarder ton, rapporterede International Energy Agency (IEA). Det globale forbrug forventes at forblive langt over 8 milliarder ton i 2026.

Kul er en væsentlig ressource til at tackle udfordringen med den hastigt stigende energiefterspørgsel, da det er betydeligt billigere og mere tilgængeligt end andre fossile brændstoffer. I modsætning til olie og gas kan det findes i overflod over hele verden.

Det med kul er, at det ikke kræver højtryksrørledninger, dyr behandling eller dyr beskyttelse under transport, hvilket gør det lettere at lagre og transportere end andre stærkt brandfarlige fossile brændstoffer. Desuden behøver kul kun at blive udvundet, før det kan bruges, i modsætning til andre fossile brændstoffer, som kræver en langvarig og dyr raffinaderiproces.

For ikke at nævne, kulreserverne er fordelt meget mere ligeligt rundt om planeten. Fra januar 2020 har USA de verdens største kulreserver, som udgør næsten 90 % af alle fossile brændstofreserver, med et anslået indhold på 250 milliarder ton.

Udover at være billigere og tilgængeligt, er kul også meget alsidigt og kan anvendes i en række processer. Kul bruges primært til elproduktion verden over og er faktisk en overkommelig energiform, hvor elektricitet genereret af kul er billigere end elektricitet fra andre kilder.

Selv i USA bruges kul til at producere elektricitet ved at brænde det fossile brændstof i kraftværker. Den resulterende varme bruges til at omdanne vand til højtryksdamp, som driver en turbine, der derefter producerer elektricitet. I 2019 blev omkring 23 % af al elektricitet i USA genereret af kulfyrede kraftværker, ifølge US Energy (BSIN ) Information Administration.

Dette fossile brændstof bruges også til fremstilling af stål og beton og er en kernekomponent i jernproduktion samt andre metaller som aluminium og kobber. Kul og dets biprodukter anvendes desuden i vandfiltre og luftrensningssystemer, i konstruktionen af fly og biler, i medicin og i kemiske processer til udvinding af sjældne jordarter.

Derudover findes der anvendelser af kul i gasificering og flydning, hvor de fleste kul-til-gas-projekter er placeret i USA og Kina, med nogle få i Australien, Canada, Indien, Sydafrika og Indonesien. Ud over at producere kemiske byggesten som ammoniak, methanol og uræ, bruges kul også i papir-, tekstil- og glasindustrien. Sammen med fremstillingen af kulfiber leverer det ingredienser som siliciummetaller, som anvendes til at producere komponenter til personlig pleje og husholdningssektoren.

På trods af kulens overflod, prisbillighed og pålidelighed står industrien over for udfordringer i form af at udvikle teknologier og veje mod nul emissioner, hvilket er identificeret som en faktor i klimaforandringer.

Klik her for at lære, om forebyggelse eller behandling er vejen til at tackle atmosfærisk CO2.

Genvurdering af kulens økonomiske rolle

Efterhånden som lande over hele verden forpligter sig til at overgå til andre energiproduktionsmidler på grund af deres bidrag til klimaforandringer, ser forskere og videnskabsfolk på andre måder at udnytte kul på. 

For at genvurdere det fossile brændstofs økonomiske rolle samlede Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign og Oak Ridge National Laboratory sig i en fælles forskningsindsats for at demonstrere den kritiske rolle, kul kan spille i næste generations elektroniske enheder.

I de senere år har der været meget forskning inden for 2D-materialer på grund af deres elektriske, optiske og mekaniske egenskaber. Syntesen af en række atomisk tynde 2D-materialer åbner en ny platform for lag-for-lag materialer, der muliggør udforskning af ukendte egenskaber og lover en række nye teknologier.

2D-lagdelte halvledere har egenskaber som høj mobilitet, lavstrømskobling, relativt stor båndgab, og muligheden for vækstmetoder på stor overflade, hvilket gør dem til lovende kandidater for næste generations elektronik. Nu eksperimenteres der med kul til brug i sådan elektronik.

“Kul betragtes normalt som noget klodset og snavset, men de bearbejdningsteknikker, vi har udviklet, kan omdanne det til højrenhedsmaterialer kun et par atomer tykke.”

– sagde Qing Cao, professor i materialvidenskab & ingeniørkunst ved University of Illinois, som medledede indsatsen. 

Han bemærkede også:

“Deres unikke atomstrukturer og egenskaber er ideelle til at skabe nogle af de mindste mulige elektronik med ydeevne, der overgår den nuværende standard.”

Under dette samarbejde udviklede forskerne en proces, der omdannede kulchar til ekstremt små kuldisker, kaldet “kulstofprikker”. 

Som forskergruppen har vist, kan disse nanoskalakuldisker forbindes for at skabe atomisk tynde membraner. Disse membraner kan anvendes i teknologier som to-dimensionale (2D) transistorer og memristorer. Ifølge forskerne vil disse teknologier være afgørende for at konstruere mere effektive elektronik.

Mens kulstofbaserede materialer, uanset om det er traditionelt industrielt kul som kulsort eller nyt industrielt kul som grafit og kulfibre, spiller betydelige roller i udviklingen af materialvidenskab, kan makroskopisk kulstofmateriale ikke rigtig anvendes som et effektivt fluorescerende materiale på grund af manglende passende båndgab. Det er her, kulstofprikker (CD’er) er fremkommet som en lovende løsning.

Kulstofprikker eller CD’er er en ny type kulstofbaseret nanomateriale, der har tiltrukket stor opmærksomhed og forskningsinteresse på grund af deres alsidige fysikokemiske egenskaber. Kulstofprikker er omhyggeligt formuleret og er normalt mindre end 10 nm i størrelse. Dette kulstofbaserede nanomateriale har egenskaber som lille størrelse, miljøvenlighed, lav pris, lav toksicitet, høj stabilitet, god biokompatibilitet, elektronmobilitet, høj kvanteudbytte, rigelige funktionelle grupper og unikke optiske egenskaber, herunder stærk absorption, fotoluminescens og fosforescens.

Alle disse egenskaber gør dette nye materiale i kulfamilien så populært og har mange anvendelser. Dette inkluderer:

• Sensorer
• Informationskryptering
• Fotokatalyse
• Lysdioder
• Kemisk sensing
• Solceller
• Superkondensatorer
• Genopladelige batterier
• Bioafbildning
• Fototerapi
• Genlevering
• Drudge-levering
• Eksplosivdetektion
• Nanomedicin
• Fødevaresikkerhed
• Antifalsk beskyttelse

Lær hvordan metan kan være nøglen til at nå klimamål.

Kul vil spille en vital rolle i næste generations elektronik 

Forskere og videnskabsfolk over hele verden har arbejdet på at lave mindre, hurtigere og mere avancerede elektronik. Det betyder, at enheder fremstillet med materialer, der kun er en eller to atomer tykke, fungerer meget hurtigere og bruger langt mindre energi.

I retning af disse enheder er der udført mange studier om ultratynde halvledere, men nu er der behov for omfattende forskning i atomisk tynde isolatorer for at konstruere fungerende elektroniske enheder som transistorer og memristorer.

Når det gælder materialer, deles de ind i ledere, halvledere og isolatorer baseret på deres evne til at lede elektrisk strøm. Materialer som kobber, messing, stål, guld og aluminium, der let leder elektricitet på grund af lav elektrisk resistivitet, kaldes ledere. 

Isolatorer er materialer som glas, luft, træ, plast og gummi, som ikke let leder elektricitet. Materialer som silicium (Si), germanium (Ge) og selen (Se), samt forbindelser som galliumarsenid (GaAs) og indiumantimonid (InSb), har en elektrisk ledningsevne, der ligger mellem en leder og en isolator.

En halvleders modstand falder, når temperaturen stiger, mens en halvleders ledningsevne stiger med temperaturstigningen.

Isolatorer har et bredt anvendelsesområde, herunder vægisolering for at regulere varmestrømmen, ovnisolering som termisk og dielektrisk barriere, lydisolering for at forhindre forstyrrelser, og elektrisk isolering i husholdningskredsløb samt kondensatorer i kommercielle og forbrugerprodukter. Halvledere er også overalt, såsom små transistorer i næsten alle enheder, vi bruger, og solceller i solpaneler, der omdanner sollys til elektricitet.

I isolatorer er energigabet mellem valens- og ledningsbåndet meget stort (ca. 15 eV), mens det i en halvleder er meget lille (ca. 1 eV). 

Ifølge den seneste undersøgelse kan atomisk tynde lag af kul med uordnede atomstrukturer fungere som en fremragende isolator til konstruktion af 2D-enheder, som holdet skabte fra kulchar‑afledte kulstofprikker.

Nu, for at demonstrere potentialet i kulafledte kulstoflag, brugte forskerne dem som gate‑dielektrikum i 2D‑transistorer. Bygget på halvlederen molybdendisulfid skabte holdet en enhed med en drifts hastighed over to gange hurtigere med lavere energiforbrug.

Disse kulafledte kulstoflag har ikke “dangling bonds”, som er udbredte på konventionelle 3D‑isolatorers overflader. Ved effektivt at fungere som “fælder” ændrer de 3D‑isolatorers elektriske egenskaber, hvilket bremser transporten af mobile ladninger og påvirker transistorens skiftehastighed.

Dog er de nye kulafledte kulstoflag, i modsætning til andre atomisk tynde materialer, amorfe, og uønskede elektriske strømme løber gennem isolatoren, hvilket fører til betydeligt ekstra strømforbrug under enhedsdrift. Mr Qing Cao sagde:

“Det er virkelig spændende, fordi dette er første gang, kul, noget vi normalt ser som lavteknologisk, er direkte forbundet med spidsen af mikroelektronik.”

En anden anvendelse, som forskerne demonstrerede, er memristorer, elektroniske komponenter, der kan lagre og behandle data, hvilket markant forbedrer implementeringen af kunstig intelligens (AI). Disse enheder lagrer og repræsenterer data ved at modulere en ledende filament.

Ved at bruge ultratynde kulstoflag som isolator kunne forskerne opnå hurtig dannelse af sådanne filamenter med lavt energiforbrug, hvilket gjorde det muligt for enheden at operere med høj hastighed og lavt strømforbrug. Derudover fanger atomstørrelsesringe i disse kulafledte kulstoflag filamentet for at forbedre den reproducerbare enhedsdrift for større pålidelighed i datalagring.

Disse nye enheder demonstrerer, at kulchar‑afledte kulstoflag kan anvendes i 2D‑enheder. I næste skridt vil samarbejdet gå videre mod at udvikle en “fremstillingsproces for kulbaserede kulstofisolatorer”, der kan anvendes i stor skala.

Udnyttelse af den nye tilgang 

Mens verden overgår fra kul på grund af et stigende fokus på at reducere drivhusgasemissioner, kan den igangværende forskning i industrien, der genovervejer kul, se forskellige industrier, såsom halvlederproducenter, udnytte dets nye former i fremtiden. Så lad os se på nogle af de virksomheder, der kan adoptere sådanne tilgange.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Dette er verdens største chipproducent, der anvender de mest avancerede procesteknologier i branchen. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. er kendt for at betjene mange højtprofilerede kunder, herunder NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) og Apple. Virksomhedens produktanvendelsesområde dækker den brede elektriske industri, og den har langsomt udvidet sig over hele verden med fabrikker spredt over tre kontinenter.

Med en markedsværdi på 530,26 milliarder dollars handles TSM-aktier i øjeblikket til 101,40 $, ned 1,69 % år‑til‑dato (YTD). Virksomheden rapporterede en omsætning for de seneste tolv måneder (TTM) på 69,84 milliarder dollars med en EPS (TTM) på 5,36, P/E (TTM) på 19,08 og ROE (TTM) på 29,43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing betaler også et udbytte på 1,88 %.

#2. NVIDIA Corporation 

Dette firma udvikler hardware og software til gaming, bærbare computere, datacentre og apps og er specifikt kendt for at skabe grafiske behandlingsenheder (GPU’er) til en række anvendelser, herunder spil, kryptomining og AI.

For nylig præsenterede Nvidia sin nye desktop-grafikprocessor, GeForce RTX 40 SUPER-serien, til videospilentusiaster samt til at køre AI‑applikationer lokalt. Nvidia udvider også sin tilstedeværelse i Kinas elbilsektor, da de annoncerede, at fire kinesiske elbilmærker vil bruge deres teknologi til automatiserede køresystemer.

Med en markedsværdi på 1,29 billioner dollars handles NVDA-aktier i øjeblikket til 522,58 $, op 5,5 % år‑til‑dato (YTD). Virksomheden rapporterede en omsætning for de seneste tolv måneder (TTM) på 44,87 milliarder dollars med en EPS (TTM) på 7,57, P/E (TTM) på 68,99 og ROE (TTM) på 69,17 %. Nvidia betaler også et udbytte på 0,03 %.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Denne CPU- og GPU-designer er en af de største chipvirksomheder, der for nylig annoncerede Ryzen 8000G-serien, med Ryzen 7 8700G i spidsen, som AMD siger har den hurtigste integrerede grafisk accelerator. Samtidig henvender Advanced Micro Devices’ (AMD ) seneste GPU, Radeon-serien, sig til den lavere og mellemste del af gamer‑markedet.

Med en markedsværdi på 236,154 milliarder dollars handles AMD-aktier i øjeblikket til 145,21 $, ned 0,83 % år‑til‑dato (YTD). Virksomheden rapporterede en omsætning for de seneste tolv måneder (TTM) på 22,11 milliarder dollars med en EPS (TTM) på 0,13, P/E (TTM) på 1.152,84 og ROE (TTM) på 0,38 %.

Konklusion

Så som vi kan se, er kulindustrien ved at blive transformeret, mens forskere og forskere arbejder på at afsløre dens værdi og den rolle, den spiller ved at skabe kulstofprikker, der udviser unikke egenskaber, som kan gøre dem virkelig nyttige i næste generations elektroniske enheder. På denne måde kan kulindustrien hjælpe med at forme fremtiden for elektroniske teknologier på en bæredygtig måde.