Energia
Vaihtoehtoiset polttoaineet – Miten valo voi auttaa uudelleenohjataan hiilidioksidia
Yksi ilmastonmuutoksen suurimmista syistä on hiilidioksidi (CO2). Tärkeä kasvihuonekaasu CO2 on fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, hiilen ja maakaasun, palamisen tulos. Se esiintyy myös luonnostaan ihmisen hengityksen, kasvien hengityksen ja tulivuorien purkausten kautta.
Metsäpalot ovat toinen merkittävä syy CO2-päästöille, joista arvioidaan olevan 2 170 miljoonaa metrisenä tonnina vuonna 2023.
Uusi tutkimus on osoittanut, että metsäpalojen CO2-päästöt ovat lisääntyneet jopa 60 % maailmanlaajuisesti viimeisen 23 vuoden aikana.
Itä-Anglian yliopiston (UEA) johtama tutkimus jakoi maailman alueet “pyromeihin”, jotka ovat alueita, joilla metsäpalojen mallit vaikuttavat samankaltaisiin ilmastollisiin, ihmisen ja ympäristöllisiin ohjauksiin.
Tämän jälkeen tutkimus tarkasteli metsä- ja ei-metsäpalojen eroja, mikä paljastaa avaintekijät viimeaikaisen metsäpaloaktiivisuuden lisääntymiseen.
Tutkimuksen mukaan yhdessä suurimmista pyromeista CO2-päästöt lähes kolminkertaistuivat vuosien 2001 ja 2023 välillä. Nämä pyromit, jotka kattavat boreaaliset metsät Euraasiassa ja Pohjois-Amerikassa, sisältävät joitakin ilmastonmuutokseen herkimpiä pohjoisia boreaalisia metsiä.
Merkittäviä lisäyksiä on havaittu laajemmin ekvatoriaalisten metsien yläpuolella, mikä vastaa puolisen miljardia tonnia lisää hiilidioksidia joka vuosi. CO2-päästöjen keskipiste on myös siirtymässä ekvatoriaalisista metsistä poispäin.
Päästöjen lisäys on liitetty sääoloihin, jotka ovat suotuisia paloille, kuten kuuma ja kuiva sää, jota havaitaan hellettä ja kuivuutta. Lisäksi metsien kasvunopeuden lisääntyminen on johtanut enemmän kasvumateriaaleihin. Nämä trendit ovat edelleen tuettuina nousseilla lämpötiloilla korkeilla pohjoisilla leveysasteilla, jotka tapahtuvat 2-kertaisella nopeudella verrattuna maailmanlaajuiseen tasoon.
Metsäpalojen laajuus on lisääntynyt merkittävästi, ja niiden vakavuus on myös lisääntynyt viimeisen kahden vuosikymmenen aikana.
Hiilen palamisnopeus, joka mittailee palon vakavuutta hiilen määrän perusteella palaneen alueen yksikköä kohden, lisääntyi jopa 50 % metsien ympärillä maailmanlaajuisesti tämän jakson aikana. Tutkimuksen johtaja Dr. Matthew Jones Tyndall-keskuksessa ilmastonmuutoksen tutkimuksessa UEA:ssa sanoi:
“Metsäpalojen laajuuden ja vakavuuden lisääntyminen on johtanut dramaattiseen lisäykseen hiilen määrään, jota metsäpalot maailmanlaajuisesti päästävät. Hämmästyttävät muutokset maailmanlaajuisessa tulipalopolitiikassa ovat myös käynnissä, ja ne selitetään ennen kaikkea ilmastonmuutoksen kasvavilla vaikutuksilla maailman boreaalisissa metsissä.”
Metsäpalojen vaikutus hiilensidontatyöhön
Tieteilijät ympäri maailmaa osallistuivat uuteen tutkimukseen ja varoittivat, että metsäpalojen jatkuva kasvu voidaan estää vain käsittelemällä ilmastonmuutoksen pääsyyt.
“Suojellaksemme kriittisiä metsäekosysteemejä kiihtyvältä metsäpalojen uhkalta, meidän on hillutettava maailmanlaajuista lämpenemistä, ja tämä korostaa, miksi on niin tärkeää tehdä nopeita edistysaskelia kohti nolla-päästöjä.”
– Dr. Jones, NERC Independent Research Fellow
Metsät itse pelaavat tärkeän roolin kansainvälisten ilmastosopimusten toteuttamisessa. Ne sitovat hiilidioksidia ilmakehästä ja varastoivat sitä biomassana, kuolleena puuna, littersinä ja maaperässä, mikä on hiilensidontaa, ja se vähentää maailmanlaajuista lämpenemistä.
Hallitukset ympäri maailmaa ovat käynnistäneet uudelleenmetsittämishankkeita ja metsittämishankkeita ihmisten hiilidioksidipäästöjen kompensoimiseksi, erityisesti lentoliikenteen ja muiden teollisuudenalojen osalta. Näiden ohjelmien onnistuminen riippuu kuitenkin metsien pysyvästä hiilivarastoinnista, jota uhkaavat metsäpalot.
Ekvatoriaalisilla alueilla metsäpalot päästävät jo 0,5 miljardia tonnia enemmän hiilidioksidia kuin vuonna 2001, ja pitkän aikavälin vaikutus riippuu metsien toipumisesta. Laajemmat ja vakavammat metsäpalot aiheuttavat epätasapainon päästöjen ja hiilen sitoutumisen välillä. Dr. Jones sanoi:
“Ekvatoriaalisten metsäpalojen jyrkkä trendi osoittaa metsien kasvavan haavoittuvuuden ja asettaa merkittävän haasteen maailmanlaajuisille ilmastonmuutoksen torjuntatavoitteille.”
Hän lisäsi, että vakavien palojen jälkeen metsät eivät toipu hyvin. Siksi meidän on kiinnitettävä huomiota siihen, miten palon vakavuuden lisääntyminen vaikuttaa metsien hiilivarastointiin tulevina vuosina.
Kaiken tämän keskellä on havaittu vähennystä trooppisten tulenherkkien savannien polttamisessa, ja aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että vuodesta 2001 lähtien sekä metsä- että ei-metsäpalojen poltettu alue on vähentynyt neljänneksellä maailmanlaajuisesti.
Tässä savannien ja ruohikkojen vähentyneen polttamisen taustalla tutkimus osoittaa, että metsäpalot jatkuvat yhä enenevissä määrin siellä, missä niiden ei pitäisi olla, eli metsät ovat peittäneet metsäpalojen laajuuden ja vakavuuden lisääntymisen. Tämä edustaa “suurinta uhkaa sekä ihmisille että elintärkeille hiilivarastoille”, sanoi Dr. Jones.
Nämä uudet havainnot saatiin aikaan koneoppimisen avulla, jota käytettiin metsäekosysteemien ryhmittelyyn 12 eri pyroomiin. Kuten mainitsimme aiemmin, tekoälymallit ovat laajasti käytössä metsäpalojen varhaisessa havaitsemisessa.
Tutkimuksessa koneoppimisen avulla ryhmittely mahdollisti tutkijoiden erottaa ilmastonmuutoksen vaikutukset muista tekijöistä, kuten kasvien tuottavuudesta ja maankäytöstä. Ymmärtäminen siitä, mitä aiheuttaa paloja näissä eri pyromeissa, on tärkeää kehittääkseen tehokkaita strategioita metsäpalojen ennustamiseen ja hillitsemiseen sekä metsien suojelemiseen.
“Merkitsevä rahoitus on tarpeen tukemaan strategisia metsienhoito-ohjelmia, sidosryhmien osallistumista ja kansalaisten koulutusta, jotka edustavat merkittävää muutosta tulipalopolitiikassa reaktiivisesta proaktiiviseen.”
– Dr. Jones
Uusi rintama: Hiilidioksidin muuttaminen arvokkaaksi tuotteiksi
Hiilensidontaa lukuun ottamatta toinen tapa lieventää hiilidioksidin negatiivisia vaikutuksia ympäristöön on muuttaa se arvokkaaksi tuotteiksi.
Tämä sisältää hiilidioksidin muuttamisen hiilinanokuituiksi, joita voidaan käyttää rakennusmateriaalien vahvistamiseen, yhdistämisenä vetyyn polttoaineiden kuten metaanin, metanolin, bensiinin ja lentopolttoaineen tuottamiseksi ja hiilidioksidin muuttamisen kemikaaleiksi ja muihin tuotteisiin, kuten lääkkeisiin, elintarvikelisäaineisiin ja tuoksuaineisiin.
Uusi tutkimus paransi hiilidioksidin muuttamista arvokkaaksi tuotteiksi yhdistämällä näkyvän valon ja sähkökemiaa.
Tutkimuksessa tiimi keksi yllättävän havainnon, jonka mukaan näkyvä valo paransi merkittävästi selektiivisyyttä, joka on tärkeä kemiallinen ominaisuus. Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia hiilidioksidin muuntamiseen ja moniin muihin kemiallisiin reaktioihin, joita käytetään katalyysitutkimuksessa ja kemikaaliteollisuudessa.
Hiilidioksidin muuttaminen energian kannattavaksi aineeksi sen sijaan, että se olisi jätettä tai päästö, kierrätys on hyvä tapa vähentää ilmastonmuutosta. Tässä hiilidioksidi muutetaan polttoaineiksi, kemikaaleiksi, materiaaleiksi ja lämpöenergiaksi.
Jotkut tavat, joilla hiilidioksidi kierrätetään, ovat esimerkiksi keinotekoinen fotosynteesi, jossa aurinkoenergiaa käytetään kemikaalien synteesiin hiilidioksidin avulla. Sitten on sähkökemiallinen muuntaminen, jossa sähköä käytetään hiilidioksidin muuntamiseen kemikaaleiksi, kuten etanoliksi, etikkahapoksi tai muurahaishapoksi.
Uusi tutkimus käytti sähkökemiallista reduktiota hiilidioksidin kierrättämiseksi arvokkaaksi tuotteiksi. Tässä prosessissa Prashant Jain, kemian professori Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaignissa, selitti, että hiilidioksidikaasu virtaa sähkölyyttisesti, joka hajottaa hiilidioksidin ja veden myrkylliseksi hiilimonoksidiksi (CO) ja vedyksi. Nämä uudet kaasut voidaan sitten käyttää uusien hiilivetytuotteiden luomiseen.
Jain huomauttaa kuitenkin, että tämä reaktio on melko hitaasti tapahtuva, ja tarvitaan suuria elektrodeja tähän prosessiin. Nämä elektrodit sisältävät paljon kallista katalyyttimateriaalia, kuten kuparia tai kultaa.
Tästä syystä Jain ja hänen entinen jatko-opiskelijansa Francis Alcorn etsivät keinoja nopeuttaa prosessia, joka vaatisi vähemmän katalyyttimateriaalia, tehdäkseen siitä “vaihtoehtoisen polttoaineen teollisuuden kannattavamman vaihtoehdon”.
Näkyvän valon käyttäminen CO2-muuntamisen tehostamiseen
Uudessa menetelmässä tiimi yhdisti näkyvän valon elektrodeihin, jotka on peitetty erittäin pienin kultaa ja kuparia sisältävillä hiukkasilla. Tämä mahdollistaa hiilidioksidin reduktion nopeammin ja selektiivisemmin verrattuna perinteisiin menetelmiin.
Jain selitti, että “(nämä elektrodit) toimivat kuin pienet antennit, jotka etsivät fotonit näkyvän valon spektrissä ja kytkevät ne kemialliseen reaktioprosessiin”.
Tämän saavuttamiseksi tiimi upotti elektrodit vesiliuokseen, joka sisälsi hiilidioksidia ja elektrolyyttiä. Sitten he sovelsivat jännitettä elektrodiin, kun sen pinta oli valaistu näkyvällä valolla.
Tämä johti nopeaan reaktioon, jossa vetyä tuotettiin veden hajoamisesta ja hiilimonoksidia hiilidioksidin hajoamisesta.
Vaikka tiimi oli “erittäin innoissaan” havainneensa tuotannon hyppäyksen näkyvän valon avulla, mitä ei oltu odotettu, oli se, että näkyvä valo vaikutti suuresti kemialliseen selektiivisyyteen – mikä Jainin mukaan “on tärkein edistysaskel tässä”.
Mitä tämä selektiivisyys tarkalleen ottaen on? Hyvin yksinkertaisesti, katalyysissä kemiallinen selektiivisyys on kemiallisen reaktion kyky suosia tietyn molekyylin tai reitin toisen molekyylin sijaan.
Tässä tutkimuksessa veden hajoamisreaktio, jossa muodostuu vetykaasua, havaittiin olevan selektiivisesti lisääntynyt näkyvän valon avulla. Jain sanoi:
“Tulokset osoittavat, että näkyvä valo tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden säätää hiilimonoksidin ja vetykaasun tuotannon suhdetta, mikä on ratkaiseva tekijä synteettisen kaasun teollisessa tuotannossa. Tämä löytö availee tien kohti kestävää ja tehokkaampaa tulevaisuuden energiaa.”
Hän huomautti kuitenkin, että valon käyttäminen kemiallisten reaktioiden parantamiseen ei ole ilman kiistaa, koska valo tuo myös lämpöä mukanaan. Tämä edellytti tiimiltä suorittaa kontrollikokeita ja tehdä tarkkoja mittauksia, jotta voitiin määrittää, johtuiko nopeampi reaktio ja selektiivisyys valon lämmittävästä vaikutuksesta.
Tämä mitä tiimi teki, oli suorittaa kokeet laserin kanssa ja ilman sitä samassa lämpötilassa, joka valo tuotti. Tämä auttoi heitä poissulkeemaan lämmön vaikutuksen aiheuttajana.
Tiimi totesi, että se oli itse asiassa sähkökenttien ja suunnattujen varauksien virtauksen aiheuttama valon aktivoimisesta, joka johti tuotannon ja selektiivisyyden lisääntymiseen.
Edelleen tiimi kohtaa haasteita. Tähän lukeutuu elektrodiin käytettävien nanopartikkeleiden toistuva käyttö, joka johtaa ajan myötä heikentymiseen, erityisesti teollisen soveltamisen aikana.
Tiimi joutuu myös tekemään lisätutkimusta ja parantamaan koko prosessin energiatehokkuutta ja valon hallintaa.
“(Mitä olemme löytäneet tässä tutkimuksessa) esittää täysin uusia tapoja ajatella sähkökemiaa ja katalyysia.”
– Jain
Kaiken kaikkiaan valon käyttäminen on parantanut katalyytin aktiivisuutta, mutta tärkeämpää ja yllättävää on, että se on mahdollistanut selektiivisyyden muuttamisen, mikä availee uusia kemiallisia reittejä, jotka tuottavat erilaisia tuotteita. Tämä tarkoittaa, että hiilidioksidin vähentäminen tai veden hajoaminen on vain alkua; menetelmää voidaan soveltaa moniin muihin katalyyttisiin reaktioihin, jotka ovat tärkeitä kemikaaliteollisuudelle.
Yritykset, jotka osallistuvat CO2-vähentämiseen ja -muuntamiseen
Metsäpalojen lisääntyvä vakavuus ja tuho on johtanut edistysaskeliin tulensuojeluun, kuten esimerkiksi lämpöaktiivisiin biomimeettisiin hydrogeeleihin. Metsäpalojen torjunnan lisäksi on kasvava kiinnostus hiilidioksidin vähentämiseen ja uudelleenmuuntamiseen.
Tähän liittyvät yritykset yhdistävät viimeisintä teknologiaa ratkaisemaan ympäristöllisiä ja taloudellisia haasteita, joita hiilidioksidin päästöt aiheuttavat. Tämä muuntaminen käsittää hiilidioksidin muuttamisen hyödyllisiksi tuotteiksi, kuten polttoaineiksi, kemikaaleiksi ja rakennusmateriaaleiksi.
Näihin yrityksiin lukeutuvat Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL) ja Occidental Petroleum (OXY ). Chevron panostaa hiilidioksidin talteenottoon, FuelCell Energy keskittyy puhtaaseen energiaan ja Occidental osallistuu ilman suoraan talteenottoon (DAC) poistamaan hiilidioksidi ilmakehästä ja muuttaa sen käytettäviksi tuotteiksi.
Air Products and Chemicals (APD ) on mukana vetytuotannossa ja hiilidioksidin muuntamisessa. Sen markkina-arvo on 73,44 miljardia dollaria, ja osakkeet kaupataan 330,37 dollarissa, mikä on 20,66 %:n nousu vuoden alusta lähtien.
(APD )
Tarkastellaan nyt tarkemmin toista suurta toimijaa hiilidioksidin vähentämisessä:
ExxonMobil (XOM )
Tämä yhdysvaltalainen monikansallinen öljy- ja kaasuyhtiö, joka on John D. Rockefellerin Standard Oilin suurin suora jälkeläinen, on kiinnostunut hiilidioksidin talteenotosta, käytöstä ja varastoinnista (CCUS) vähentääkseen hiilidioksidipäästöjä.
ExxonMobilin hiilidioksidin talteenottoverkosto käsittää Yhdysvaltain suurimman 1 500 mailin pituisen hiilidioksidiputken. Se omistaa myös useita strategisesti sijoitettuja varastointipaikkoja Yhdysvaltainlahden rannikolla.
ExxonMobilin matalan hiilidioksidin ratkaisut ovat tärkeässä roolissa hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin teknologian kehittämisessä. Sen nykyinen talteenottokapasiteetti on 9 miljoonaa tonnia vuodessa, ja se on talteenottanut yhteensä 120 miljoonaa tonnia tähän mennessä, mikä vastaa noin 40 %:a kaikista ihmisten tuottamista talteenotetuista hiilidioksideista, ExxonMobilin virallisen verkkosivun mukaan.
Yhtiö on tehnyt yhteistyösopimuksen Mitsubishi Heavy Industriesin (MHI) kanssa mahdollistaakseen kattavat ratkaisut päästöjen jälkeiselle hiilidioksidin talteenottoon. Ratkaisu tarjoaa täydellisen hiilidioksidin talteenoton, kuljetuksen ja varastoinnin.
Yhtiö on myös käynnistänyt pilottiprojektin, jossa se käyttää kaasua, joka olisi muuten poltettu, öljynporauksestaan Pohjois-Dakotassa, voimaa Bitcoinin kaivostoiminnalle. Tähän tarkoitukseen ExxonMobil on tehnyt yhteistyösopimuksen Crusoe Energy Systemsin kanssa, joka hyödyntää hukkaenergiaa öljynporauksesta ja käyttää sitä mobiilien generaattorien voimakkaana Bitcoinin kaivostoiminnassa. Yhtiö aikoo vähentää päästöjään ja saavuttaa maailmanpankin nollapäästöt vuoteen 2030 mennessä.
(XOM )
Kirjoitushetkellä sen osakkeet ovat kaupan hintaan 119,94 dollaria, mikä on 20,72 %:n nousu vuoden alusta. Tämä asettaa ExxonMobilin markkina-arvon 536,2 miljardiin dollariin, ja sillä on EPS (TTM) 8,34, P/E (TTM) 14,47 ja osinkotuotto 3,15 %.
Toisella neljänneksellä vuonna 2024 yhtiö ilmoitti voiton 9,2 miljardia dollaria, mikä osoittaa “ExxonMobilin erinomaiset portfolion vahvuudet ja parantuneen voitonmahdollisuuden”. Se laajensi arvolupauksensa edelleen johtamalla hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia (CCS) uudella sopimuksella, joka kasvatti yhtiön yhteensopimussopimuksen hiilidioksidin määrän 5,5 miljoonaan tonniin vuodessa. Tämä on enemmän “sitoutunutta määrää kuin mikään muu yhtiö on ilmoittanut”, ExxonMobilin mukaan. Kolmannen neljänneksen 2024 taloudelliset tulokset julkaistaan 1. marraskuuta.
Johtopäätös
Miljardien tonnien hiilidioksidin päästöillä ilmakehään joka vuosi seurauksena on ilmastonmuutos, joka johtaa ääri-ilmiöihin, terveyshaittoihin ja meren happamoitumiseen, joka vaarantaa merielämää ja koralleja.
Koska ilmastonmuutos kiihtyy, on tullut ratkaisevaa, että otamme tosissaan vakavan ongelman, joka liittyy kasvaviin hiilidioksidipäästöihin, jotta voimme vähentää maailmanlaajuista lämpenemistä ja sen katastrofaalisia seurauksia. Metsäpalot, joita ajaa ilmastonmuutos, vapauttavat ennennäkemättömiä määriä hiilidioksidia, joten metsäpalojen uhka on suuri.
Innovaatiot, kuten sähkökemiallinen hiilidioksidin reduktio ja näkyvän valon käyttäminen parantamaan katalyyttisiä reaktioita, tarjoavat lupaavia ratkaisuja muuttaa haitallisia hiilidioksidipäästöjä arvokkaiksi tuotteiksi, kuten synteettisiksi polttoaineiksi ja teollisuuskemikaaleiksi.
Nämä edistysaskeleet, vaikka ne ovat edelleen kehityksessä, edustavat mahdollisuutta lieventää ilmastonmuutosta muuttamalla hiilidioksidin maailmanlaajuisesta saastuttajasta tulevaisuuden resurssiksi. Koska yritykset jatkavat hiilidioksidin talteenotto- ja vaihtoehtoisten polttoaineiden kehittämistä, me lähennymme kestävää ratkaisua, joka voisi muuttaa energiamaiseman.
