Alternative Kraftstoffe – Wie Licht helfen kann, Kohlendioxid wiederzuverwenden

Einer der größten Verursacher des Klimawandels ist Kohlendioxid (CO2). Als wichtiges Treibhausgas ist CO2 das Ergebnis der Verbrennung fossiler Brennstoffe (wie Öl, Kohle und Erdgas). Es entsteht auch natürlich durch die Atmung von Menschen, die Atmung von Pflanzen und Vulkanausbrüche.

Waldbrände sind ein weiterer bedeutender Grund für CO2-Emissionen, wobei im Jahr 2023 schätzungsweise 2.170 Millionen metrische Tonnen freigesetzt wurden.

Eine neue Studie hat ergeben, dass die CO2-Emissionen aus Waldbränden weltweit in den letzten 23 Jahren um erstaunliche 60 % gestiegen sind.

Unter Leitung der University of East Anglia (UEA) gruppierte die Studie Weltregionen in sogenannte „Pyrome“, das sind Gebiete, in denen Waldbrandmuster von ähnlichen klimatischen, menschlichen und umweltbezogenen Einflüssen beeinflusst werden.

Dabei untersuchte die Studie die Unterschiede zwischen Wald- und Nicht‑Waldbränden, was die Schlüsselfaktoren aufdeckt, die die jüngsten Zunahmen der Waldbrandaktivität antreiben.

Laut der Studie hat sich die CO2-Emission aus Bränden in einem der größten Pyrome zwischen 2001 und 2023 fast verdreifacht. Diese Pyrome, die boreale Wälder in Eurasien und Nordamerika umfassen, enthalten einige der klimatisch empfindlichsten nördlichen borealen Wälder.

Signifikante Zunahmen wurden breiter über die extratropischen Wälder hinweg beobachtet, was jährlich zusätzlich eine halbe Milliarde Tonnen Kohlendioxid ausmacht. Das Epizentrum der CO2-Emissionen verlagert sich ebenfalls in Richtung der extratropischen Zonen, weg von den tropischen Wäldern.

Der Anstieg der Emissionen wurde mit einer Zunahme von witterungsbedingten Bedingungen, die Brände begünstigen, in Verbindung gebracht, wie heißen und trockenen Bedingungen während Hitzewellen und Dürren. Darüber hinaus führen erhöhte Wachstumsraten der Wälder zu mehr vegetativem Brennmaterial. Diese Trends werden weiter durch steigende Temperaturen in den hohen nördlichen Breiten unterstützt, die sich doppelt so schnell entwickeln wie auf globaler Ebene.

Nicht nur hat sich die Ausdehnung von Waldbränden deutlich vergrößert, sondern auch ihre Schwere ist in den letzten zwei Jahrzehnten gestiegen.

Die Kohlenstoffverbrennungsrate, die die Feuerintensität anhand des pro verbrannter Fläche emittierten Kohlenstoffs misst, ist in diesem Zeitraum weltweit in Wäldern um bis zu 50 % gestiegen. Laut leitendem Autor Dr. Matthew Jones vom Tyndall Centre for Climate Change Research an der UEA:

“Zunahmen sowohl in der Ausdehnung als auch in der Schwere von Waldbränden haben weltweit zu einem dramatischen Anstieg der von Waldbränden emittierten Kohlenstoffmenge geführt. Erschütternde Verschiebungen in der globalen Geografie der Brände sind ebenfalls im Gange, und sie werden hauptsächlich durch die zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels in den borealen Wäldern der Welt erklärt.”

Die Auswirkungen von Waldbränden auf die Kohlenstoffbindung

Wissenschaftler aus aller Welt kamen für die neue Studie zusammen und warnten, dass wir, um das weitere Wachstum von Waldbränden zu verhindern, die Hauptursachen des Klimawandels angehen müssen.

“Um kritische Waldökosysteme vor der zunehmenden Bedrohung durch Waldbrände zu schützen, müssen wir die globale Erwärmung in Schach halten, und das unterstreicht, warum es so wichtig ist, rasch Fortschritte in Richtung Netto‑Null‑Emissionen zu erzielen.”

– Dr. Jones, ein unabhängiger Forschungsstipendiat des NERC

Wälder selbst spielen eine entscheidende Rolle bei der Erreichung internationaler Klimaziele. Sie helfen schließlich, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, indem sie als Kohlenstoffsenken fungieren.

So funktioniert es: Wälder absorbieren Kohlendioxid aus der Atmosphäre und speichern es in Form von Biomasse, Totholz, Laubstreu und Böden, was als Kohlenstoffbindung bezeichnet wird und die globale Erwärmung verlangsamt.

Daher haben Regierungen weltweit Wiederaufforstungs‑ und Aufforstungsprogramme eingeführt, um menschliche CO2‑Emissionen auszugleichen, insbesondere aus Sektoren wie der Luftfahrt und bestimmten anderen Industrien. Der Erfolg dieser Programme hängt jedoch von einer dauerhaften Kohlenstoffspeicherung in den Wäldern ab, die durch Waldbrände bedroht sind.

Da extratropische Brände bereits eine halbe Milliarde Tonnen mehr CO2 ausstoßen als 2001 und die langfristige Wirkung von der Erholung der Wälder abhängt, führen verbreitetere und schwerere Waldbrände zu einem Ungleichgewicht zwischen den Emissionen und dem durch die Erholung nach dem Brand gebundenen Kohlenstoff. Dr. Jones sagte:

“Der steile Trend zu höheren Emissionen aus extratropischen Waldbränden ist eine Warnung vor der zunehmenden Verwundbarkeit der Wälder und stellt eine erhebliche Herausforderung für die globalen Ziele zur Bekämpfung des Klimawandels dar.”

Er stellte weiter fest, dass Wälder nach schweren Bränden dafür bekannt sind, nur schlecht zu regenerieren. Daher müssen wir genau beobachten, wie die Zunahme der Feuerintensität die Kohlenstoffspeicherung der Wälder in den kommenden Jahren beeinflussen wird.

Mitten in alledem hat das Abbrennen tropischer, feuergefährdeter Savannen abgenommen, wobei frühere Studien zeigen, dass seit 2001 die von Wald‑ und Nicht‑Waldbränden verbrannte Fläche weltweit um ein Viertel zurückgegangen ist.

Vor diesem Hintergrund der verringerten Verbrennung in Grasländern und Savannen zeigt die Studie laut ihren Autoren, dass Brände zunehmend dort auftreten, wo sie nicht auftreten sollten, d. h. Wälder verdecken die zunehmende Ausdehnung und Schwere von Waldbränden. Dies stellt „die größte Bedrohung für Menschen und für wichtige Kohlenstoffspeicher“ dar, sagte Dr. Jones.

Diese neuen Beobachtungen wurden mit Hilfe von maschinellem Lernen ermöglicht, das verwendet wurde, um Waldökoregionen in 12 verschiedene Pyrome zu gruppieren. Wie wir kürzlich teilten, werden KI‑Modelle umfassend eingesetzt, um Waldbrände frühzeitig zu erkennen. Das enorme Potenzial von KI und maschinellem Lernen wird durch die wachsende Datenbank zu Feuerereignissen weiter verstärkt.

In der neuen Studie ermöglichte die Nutzung von KI zur Gruppierung den Wissenschaftlern, die Auswirkungen des Klimawandels von anderen Faktoren wie Vegetationsproduktivität und Landnutzung zu isolieren. Darüber hinaus ist das Verständnis der Ursachen von Bränden in diesen unterschiedlichen Pyromen wichtig, um effiziente Strategien zur Vorhersage und Eindämmung von Waldbränden zu entwickeln und Wälder zu schützen.

“Erhebliche Finanzmittel sind erforderlich, um strategische Programme für Waldmanagement, Interessengruppen‑Einbindung und öffentliche Aufklärung zu unterstützen, die alle eine bedeutende Verschiebung der Brandbekämpfungsstrategie von weitgehend reaktiv zu zunehmend proaktiv darstellen.”

– Dr. Jones

Eine neue Grenze: CO2 in wertvolle Produkte umwandeln

Neben der Kohlenstoffbindung ist ein weiterer Weg, die negativen Auswirkungen von CO2 auf die Umwelt zu mildern, die Umwandlung in wertvolle Produkte.

Dazu gehört die Umwandlung von CO2 in Kohlenstoffnanofasern, die zur Verstärkung von Baumaterialien verwendet werden können, die Kombination mit Wasserstoff zur Herstellung von Kraftstoffen wie Methan, Methanol, Benzin und Flugkraftstoffen sowie die Umwandlung von CO2 in Chemikalien und andere Produkte wie Pharmazeutika, Lebensmittelzusatzstoffe und Duftstoffe.

Eine neue Studie verbesserte diese Umwandlung von CO2 in wertvolle Produkte, indem sie sichtbares Licht und Elektrochemie kombinierte.

Dabei stieß das Team auf die überraschende Entdeckung, dass sichtbares Licht die Selektivität erheblich verbesserte, ein wichtiges chemisches Merkmal. Diese Entdeckung eröffnet neue Wege für die CO2‑Umwandlung sowie für viele andere chemische Reaktionen, die in der Katalyseforschung und der chemischen Produktion verwendet werden.

CO2 in einen Energieträger statt in Abfall oder Emissionen durch Recycling umzuwandeln, ist ein hervorragender Weg, den Klimawandel zu reduzieren. Hier wird Kohlendioxid in Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien und thermische Energie umgewandelt.

Einige Methoden, CO2 zu recyceln, umfassen die künstliche Photosynthese, ein Prozess, bei dem Sonnenenergie genutzt wird, um Chemikalien unter Verwendung von CO2 als Rohstoff zu synthetisieren. Dann gibt es die elektrochemische Umwandlung, bei der Strom verwendet wird, um CO2 in Chemikalien wie Ethanol, Essigsäure oder Ameisensäure zu konvertieren.

Die neue Studie nutzte die elektrochemische Reduktion, um Kohlendioxid in wertvolle Produkte zu recyceln. In diesem Prozess erklärte Prashant Jain, ein Chemieprofessor an der University of Illinois Urbana‑Champaign, dass ein CO2‑Gasstrom durch eine Elektrolysezelle geleitet wird, die Kohlendioxid und Wasser in das giftige Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff zerlegt. Diese neuen Gase können dann zur Herstellung neuer Kohlenwasserstoffprodukte verwendet werden.

Jain weist jedoch darauf hin, dass diese Reaktion eher träge ist und wir große Elektroden für diesen Prozess benötigen. Diese Elektroden enthalten viel teures Katalysatormaterial wie Kupfer oder Gold oder Kupfer.

Angesichts dieser Hindernisse suchte Jan zusammen mit seinem ehemaligen Doktoranden Francis Alcorn nach Möglichkeiten, den Prozess zu beschleunigen, der weniger Katalysatormaterial erfordert, und damit „eine praktikablere Option für die Branche der alternativen Kraftstoffe darstellt.“

Sichtbares Licht zur Steigerung der CO2‑Umwandlungseffizienz nutzen

Im Rahmen der neuen Methode kombinierte das Team sichtbares Licht mit Elektroden, die mit extrem kleinen Partikeln einer Gold‑Kupfer‑Legierung bedeckt sind. Dies ermöglicht die Reduktion von CO2 mit einer höheren Geschwindigkeit und einer besser kontrollierten Selektivität im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. 

Jain erklärte:

„(Die neuen Elektroden) wirken wie winzige Antennen, die Photonen im sichtbaren Lichtbereich suchen und sie mit dem chemischen Reaktionsweg koppeln.“

Um die Leitfähigkeit dieser Elektroden zu verbessern, tauchte das Team sie in eine Lösung aus Wasser, CO2 und einem Elektrolyten. Anschließend wurde eine Spannung über die Elektrode angelegt, während ihre Oberfläche mit einem sichtbaren Lichtlaser beleuchtet wurde.

Dies führte zu einer Reaktion, die schnell Wasserstoff durch Spaltung von Wassermolekülen und Kohlenmonoxid, das aus der Spaltung von Kohlendioxid entsteht, erzeugt.

Während das Team „sehr begeistert“ war, den Produktivitätssprung bei Verwendung von sichtbarem Licht zu beobachten, war nicht zu erwarten, dass sichtbares Licht einen so großen Einfluss auf die chemische Selektivität hat – was Jain als „den wichtigen Fortschritt hier“ bezeichnete.

Nun, was ist hier die Selektivität? Nun, in der Katalyse ist chemische Selektivität die Fähigkeit einer chemischen Reaktion, einen Molekültyp oder Reaktionsweg gegenüber einem anderen zu bevorzugen. 

In dieser speziellen Studie wurde festgestellt, dass eine Wasserspaltungsreaktion, die Wasserstoffgas erzeugt, durch den Einsatz von Licht selektiv verbessert wurde. Jain sagte:

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sichtbares Licht eine einzigartige Möglichkeit bietet, das Verhältnis von Kohlenmonoxid zu erzeugtem Wasserstoffgas anzupassen, ein entscheidender Faktor für die industrielle Produktion von Synthesegas. Diese Erkenntnis ebnet den Weg für eine nachhaltigere und effizientere Energiezukunft.“

Dennoch bemerkte der Professor, dass die Nutzung von Licht zur Verbesserung chemischer Reaktionen nicht ohne Kontroversen ist, da Licht gleichzeitig Wärme mitbringt. Daher musste das Team Kontrollversuche durchführen und sorgfältige Messungen vornehmen, um festzustellen, ob die Erwärmung durch das Licht die schnelleren Reaktionsraten und die Selektivität verursacht hat.

Um dies zu bestimmen, führte das Team Experimente mit dem Laser und ohne ihn bei exakt derselben durch Licht erzeugten Temperatur durch. Dies half ihnen, die Erwärmung als Ursache auszuschließen.

Das Team stellte fest, dass tatsächlich elektrische Felder und gerichteter Ladungsfluss, die durch die Lichtexcitation erzeugt wurden, für den Produktivitätszuwachs und die verbesserte Selektivität der Wasserspaltung verantwortlich waren.

Nun, in Zukunft hat das Team noch Herausforderungen zu bewältigen. Dazu gehört die wiederholte Verwendung von elektrodenbasierten Nanopartikeln, die im Laufe der Zeit zu einer Degradation führen, insbesondere bei der Skalierung der Methode für industrielle Anwendungen.

Das Team muss zudem weitere Forschungen durchführen und die Gesamteffizienz des Prozesses sowie das Lichtmanagement verbessern.

„(Insgesamt) zeigen unsere Ergebnisse mit dieser Studie völlig neue Denkansätze zur Elektrochemie und Katalyse.“

– Jain

Letztlich hat die Nutzung von Licht die Aktivität des Katalysators verbessert, aber noch wichtiger und überraschend ist, dass sie eine Veränderung der Selektivität ermöglicht hat, was neue chemische Wege eröffnet, die unterschiedliche Produkte erzeugen. Das bedeutet, dass die CO2‑Reduktion oder Wasserspaltung nur der Anfang ist; die Methode kann auch auf viele andere katalytische Reaktionen angewendet werden, die für die chemische Industrie wichtig sind.

Unternehmen, die an CO2‑Reduktion und -Umwandlung beteiligt sind

Die zunehmende Schwere und Zerstörungskraft von Waldbränden hat zu Fortschritten im Brandschutz geführt, wie zum Beispiel hitzeaktivierbaren biomimetischen Hydrogelen. Gleichzeitig wächst das Interesse an der Reduktion und Wiederverwertung von CO2‑Emissionen. Diese Wiederverwertung beinhaltet die Umwandlung von Kohlendioxid, einem Hauptverursacher des Klimawandels, in nützliche Produkte wie Kraftstoffe, Chemikalien und Baumaterialien. 

Unternehmen an der Spitze dieser Bemühungen kombinieren modernste Technologien, um die durch CO2‑Emissionen verursachten ökologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen zu bewältigen.

Dazu gehören Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL) und Occidental Petroleum (OXY ). Während Chevron in CO2‑Abscheidungstechnologien investiert, konzentriert sich FuelCell Energy auf saubere Energielösungen, und Occidental ist an der Direct‑Air‑Capture‑Technologie (DAC) beteiligt, um CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und in nutzbare Produkte umzuwandeln.

Air Products and Chemicals (APD ) ist ein weiteres Unternehmen, das in Wasserstoffproduktion und CO2‑Umwandlungstechnologien tätig ist. Mit einer Marktkapitalisierung von 73,44 Milliarden $, werden die APD‑Aktien derzeit zu 330,37 $ gehandelt, ein Anstieg von 20,66 % im Jahresverlauf.

Nun wollen wir einen genaueren Blick auf einen weiteren wichtigen Akteur im Bereich der Kohlenstoffabscheidung werfen:

ExxonMobil (XOM )

Dieser amerikanische multinationale Öl- und Gaskonzern, der der größte direkte Nachfolger von John D. Rockefellers Standard Oil ist, zeigt ein wachsendes Interesse an Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS), um CO2‑Emissionen zu reduzieren.

Das CCS‑Netzwerk von ExxonMobil umfasst den Betrieb der größten 1.500 Meilen langen CO2‑Pipeline in den USA. Es verfügt zudem über mehrere strategisch positionierte Speicherstandorte entlang der US‑Golfküste.

Durch ExxonMobil Low Carbon Solutions spielt das Unternehmen eine wichtige Rolle bei der Skalierung von CO2‑Abscheidungs‑ und Speichertechnologien. Es verfügt über eine aktuelle Erfassungs‑Kapazität von 9 Millionen metrischen Tonnen pro Jahr, eine kumulierte Erfassung von 120 Millionen metrischen Tonnen bis heute und macht insgesamt etwa 40 % aller vom Menschen erzeugten erfassten CO2 aus, laut Angaben auf der offiziellen Website von ExxonMobil.

Das Unternehmen hat mit Mitsubishi Heavy Industries (MHI) zusammengearbeitet, um umfassende End‑to‑End‑Lösungen für die Nachverbrennungs‑CO2‑Abscheidung zu ermöglichen. Die Lösung bietet vollständige CO2‑Abscheidung, -Transport und -Speicherung.

Das Unternehmen führt zudem ein Pilotprojekt durch, um Gas, das sonst aufgrund fehlender Pipelines verbrannt würde, aus seinen Ölquellen in North Dakota zur Stromversorgung von Bitcoin‑Mining‑Betreibern zu nutzen. Dafür hat ExxonMobil eine Partnerschaft mit Crusoe Energy Systems geschlossen, die Abfallenergie nutzt, um Gas aus den Ölquellen zu entnehmen und mobile Generatoren für Bitcoin‑Mining‑Operationen zu betreiben. Das Unternehmen erwartet, dass seine Emissionsreduktionspläne bis 2030 das Ziel der Weltbank für Null‑Routinen‑Verbrennung erreichen.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden die Aktien zu 119,94 $ gehandelt, nach einem Anstieg von 20,72 % im laufenden Jahr. Damit beträgt die Marktkapitalisierung von ExxonMobil 536,2 Milliarden $, bei einem EPS (TTM) von 8,34, einem KGV (TTM) von 14,47 und einer Dividendenrendite von 3,15 %.

Für das zweite Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Gewinn von 9,2 Milliarden $, was laut Aussage die „differenzierten Stärken des Portfolios von ExxonMobil und seine verbesserte Ertragskraft“ demonstriere. Es erweiterte zudem sein Wertversprechen, indem es die Führung im Bereich CO2‑Abscheidung und -Speicherung (CCS) mit einer neuen Vereinbarung ausbaute, die seine gesamte vertraglich zugesicherte CO2‑Abnahme auf 5,5 Millionen metrische Tonnen pro Jahr erhöhte. Dies sei, laut ExxonMobil, ein „verpflichtetes Volumen, das kein anderes Unternehmen angekündigt hat.“ Die Finanzergebnisse für das dritte Quartal 2024 werden am 1. November veröffentlicht.

Fazit

Mit Milliarden von metrischen Tonnen CO2, die jedes Jahr in die Atmosphäre freigesetzt werden, führt dies nicht nur zum Klimawandel, der extremere Wetterereignisse verursacht, sondern auch zu Gesundheitsgefahren und Ozeanversauerung, die das marine Leben und Korallenriffe gefährden.

Da die Klimakrise sich verschärft, ist es entscheidend, das gravierende Problem steigender CO2‑Emissionen anzugehen, um die globale Erwärmung und ihre katastrophalen Folgen zu reduzieren. Durch den Klimawandel bedingte Waldbrände setzen beispiellose Mengen an Kohlendioxid frei und beschleunigen das Problem weiter. Während Wiederaufforstungs‑ und Aufforstungsprogramme wichtig sind, um Emissionen auszugleichen, stellt die Bedrohung durch Waldbrände ein großes Risiko dar, sodass proaktive Brandschutzstrategien unerlässlich sind.

Innovative Lösungen, wie die elektrochemische Reduktion von CO2 und der Einsatz von sichtbarem Licht zur Verbesserung katalytischer Reaktionen, bieten vielversprechende Ansätze, um schädliche Kohlenstoffemissionen in wertvolle Produkte wie synthetische Kraftstoffe und Industriechemikalien umzuwandeln.

Diese Fortschritte, obwohl noch in der Entwicklung, zeigen das Potenzial, den Klimawandel zu mildern, indem CO2 von einem globalen Schadstoff in eine Ressource für die Zukunft verwandelt wird. Da Unternehmen weiterhin in CO2‑Abscheidungstechnologien und alternative Kraftstoffe investieren, kommen wir einer nachhaltigen Lösung näher, die die Energieszene neu gestalten könnte.

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