Energia
Vaihtoehtoiset polttoaineet – Kuinka valo voi auttaa hiilidioksidin uudelleenkäytössä
Yksi suurimmista ilmastonmuutoksen aiheuttajista on hiilidioksidi (CO2). Tärkeä kasvihuonekaasu CO2 syntyy fossiilisten polttoaineiden (kuten öljyn, hiilen ja maakaasun) polttamisesta. Sitä syntyy myös luonnollisesti ihmisen hengityksen, kasvien hengityksen ja tulivuorenpurkausten kautta.
Metsäpalot ovat myös merkittävä CO2-päästöjen lähde, ja niiden arvioitu määrä oli vuonna 2023 yksinään 2 170 miljoonaa metristä tonnia.
Uusi tutkimus on havainnut, että metsäpalojen CO2-päästöt ovat itse asiassa kasvaneet huikeat 60 % maailmanlaajuisesti viimeisen 23 vuoden aikana.
Itä-Anglian yliopiston (UEA) johdolla tutkimus ryhmitti maailman alueet ‘pyromeihin’, jotka ovat alueita, joilla metsäpalojen malliin vaikuttavat samankaltaiset ilmasto-, ihmisen ja ympäristön hallintatekijät.
Tämän avulla tutkimus tarkasteli metsä- ja ei-metsäpalojen eroja, mikä paljastaa avaintekijät, jotka ajavat viimeaikaisia kasvua metsäpalojen aktiivisuus.
Tutkimuksen mukaan CO2-päästöt yhdestä suurimmasta pyromeista lähes kolminkertaistuivat vuosien 2001 ja 2023 välillä. Nämä pyromit, jotka kattavat boreaaliset metsät Euraasiassa ja Pohjois-Amerikassa, sisältävät joitakin ilmastolle herkimpiä pohjoisia boreaalisia metsiä.
Merkittäviä kasvuja on havaittu laajemmin ekstrapolaarisissa metsissä, mikä vastaa lisäpuolta miljardia tonnia hiilidioksidia vuodessa. CO2-päästöjen epicentri siirtyy myös kohti ekstrapolaarisia alueita, pois trooppisista metsistä.
Päästöjen nousu on yhteydessä sääolosuhteiden lisääntymiseen, jotka suosivat tulipaloja, kuten kuumiin ja kuiviin olosuhteisiin helleaaltojen ja kuivuuskausien aikana. Lisäksi metsien kasvunopeuden kasvu on johtanut enemmän kasvillisuutta polttoaineena. Näitä trendejä tukevat myös nousevat lämpötilat korkeilla pohjoisilla leveysasteilla, jotka nousevat kaksinkertaisella nopeudella verrattuna maailmanlaajuiseen tasoon.
Ei ainoastaan metsämetsäpalojen laajuus ole kasvanut merkittävästi, vaan niiden vakavuus on myös noussut viimeisen kahden vuosikymmenen aikana.
Hiilen palamisnopeus, joka mittaa tulen vakavuutta hiilen määrän perusteella per poltettu pinta-ala, nousi jopa 50 % maailmanlaajuisesti metsissä tänä ajanjaksona. Tämän mukaan johtava tekijä Dr. Matthew Jones Tyndall Centre for Climate Change Research -laitoksesta UEA:ssa:
“Metsäpalojen laajuuden ja vakavuuden kasvut ovat johtaneet dramaattiseen hiilidioksidipäästöjen nousuun maailmanlaajuisesti. Huomattavat muutokset tulien maantieteellisessä jakautumisessa ovat myös käynnissä, ja ne selittyvät pääasiassa kasvihuoneilmiön kasvavilla vaikutuksilla maailman boreaalisissa metsissä.”
Metsäpalojen vaikutus hiilen sitomisyrityksiin
Maailmanlaajuiset tutkijat kokoontuivat uuteen tutkimukseen ja varoittivat, että metsäpalojen jatkuvan kasvun estämiseksi meidän on käsiteltävä ilmastonmuutoksen pääasialliset syyt.
“Suojellaksemme kriittisiä metsiekosysteemejä tulipalojen kiihtyvän uhan edessä, meidän on pidettävä ilmaston lämpeneminen kurissa, ja tämä korostaa, miksi on niin tärkeää edetä nopeasti kohti nettonollapäästöjä.”
– Tohtori Jones, NERC:n itsenäinen tutkimusapulainen
Metsät itse asiassa näyttelevät keskeistä roolia kansainvälisten ilmastotavoitteiden saavuttamisessa. Ne auttavat poistamaan hiilidioksidia ilmakehästä toimimalla hiilinieluina.
Tämä tapahtuu siten, että metsät imevät hiilidioksidia ilmakehästä ja varastoivat sen biomassaan, kuolleeseen puuhun, maaperään ja lehtikatteeseen, mikä tunnetaan hiilen sitomisena ja vähentää ilmaston lämpenemisen nopeutta.
Tämän vuoksi hallitukset ympäri maailmaa ovat ottaneet käyttöön metsitys- ja uudelleensuojeluohjelmia ihmisen CO2-päästöjen, erityisesti lentoliikenteen ja joidenkin muiden teollisuudenalojen, kompensoimiseksi. Näiden ohjelmien menestys kuitenkin riippuu pysyvästä hiilen varastoinnista metsissä, jotka ovat alttiina metsäpalojen uhkalle.
Kun ekstrapolaariset tulipalot emittoivat jo puoli miljardia tonnia enemmän CO2:ta kuin vuonna 2001, ja pitkän aikavälin vaikutus riippuu metsien toipumisesta, laajamittaiset ja vakavat metsäpalot aiheuttavat epätasapainoa päästöjen ja palamisen jälkeisen hiilen sitoutumisen välillä. Tohtori Jones sanoi:
“Jyrkkä suuntaus kohti suurempia ekstrapolaaristen metsien tulipäästöjä on varoitus metsien kasvavasta haavoittuvuudesta, ja se asettaa merkittävän haasteen globaalille ilmastotavoitteiden saavuttamiselle.”
Hän lisäsi, että vakavien tulipalojen jälkeen metsät toipuvat huonosti. Siksi meidän on kiinnitettävä tarkka huomiota siihen, miten tulipalojen vakavuuden kasvu vaikuttaa metsien hiilivarastoihin tulevina vuosina.
Kaiken tämän keskellä on tapahtunut vähentynyt trooppisten, tulipaloihin alttiiden savannien palaminen, ja aiemmat tutkimukset osoittavat, että vuodesta 2001 alkaen sekä metsien että ei-metsien polttama alue on maailmanlaajuisesti pudonnut neljänneksellä.
Tämän ruohon- ja savannialueiden palamisen vähenemisen taustalla tutkimus, sen tekijöiden mukaan, osoittaa, että tulipalot jatkuvat yhä enemmän siellä, missä niiden ei pitäisi tapahtua, eli metsät ovat peittäneet metsäpalojen laajuuden ja vakavuuden kasvun. Tämä muodostaa “suurimman uhan ihmisille ja elintärkeille hiilivarastoille”, totesi tohtori Jones.
Nämä uudet havainnot saatiin mahdollistettua koneoppimisen avulla, jota käytettiin ryhmittelemään metsien ekosysteemialueita 12:een eri pyromeihin. Kuten äskettäin jaoimme, tekoälymalleja käytetään laajasti metsäpalojen varhaisessa havaitsemisessa. Tekoälyn ja koneoppimisen valtava potentiaali vahvistuu entisestään kasvavan tulipalo-tapaustietokannan myötä.
Uudessa tutkimuksessa tekoälyn avulla ryhmittely mahdollisti tutkijoille eristää ilmastonmuutoksen vaikutukset muista tekijöistä, kuten kasvillisuuden tuottavuudesta ja maankäytöstä. Lisäksi tulipalojen syiden ymmärtäminen näissä eri pyromeissa on tärkeää tehokkaiden strategioiden kehittämiseksi tulipalojen ennustamiseksi, lieventämiseksi ja metsien suojelemiseksi.
“Merkittävää rahoitusta tarvitaan tukemaan strategisia metsänhoito-ohjelmia, sidosryhmien osallistamista ja julkista koulutusta, jotka kaikki edustavat merkittävää siirtymää tulenhallintastrategiassa reaktiivisesta lähestymistavasta kohti yhä proaktiivisempaa.”
– Tohtori Jones
Uusi raja-alue: CO2:n muuttaminen arvokkaiksi tuotteiksi
Hiilen sitomisen lisäksi toinen tapa lieventää CO2:n haitallisia vaikutuksia ympäristöön on muuntaa se arvokkaiksi tuotteiksi.
Tämä sisältää CO2:n muuntamisen hiilen nanokuiduiksi, joita voidaan käyttää rakennusmateriaalien vahvistamiseen, yhdistämisen vedyn kanssa polttoaineiden, kuten metaanin, metanolin, bensiinin ja lentopolttoaineiden, tuottamiseksi, sekä CO2:n muuntamisen kemikaaleiksi ja muiksi tuotteiksi, kuten lääkkeiksi, elintarvikelisäaineiksi ja tuoksuiksi.
Uusi tutkimus paransi tätä CO2:n muuntamista arvokkaiksi tuotteiksi yhdistämällä näkyvän valon ja elektrokemian.
Tämä prosessi johti yllättävään löydökseen, että näkyvä valo paransi merkittävästi selektiivisyyttä, mikä on tärkeä kemiallinen ominaisuus. Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia CO2:n muuntamiseen sekä moniin muihin kemiallisiin reaktioihin, joita käytetään katalyyttitutkimuksessa ja kemianteollisuudessa.
CO2:n muuttaminen energian kantajaksi jätteen tai päästön sijaan kierrätyksen avulla on loistava tapa vähentää ilmastonmuutosta. Tässä hiilidioksidi muunnetaan polttoaineiksi, kemikaaleiksi, materiaaleiksi ja lämpöenergiaksi.
Joitakin tapoja, joilla CO2 kierrätetään, ovat keinotekoinen fotosynteesi, prosessi, jossa aurinkoenergiaa hyödynnetään kemikaalien synteesissä käyttäen CO2:ta raaka-aineena. Lisäksi on elektrokemiallinen muunto, jossa sähköä käytetään CO2:n muuntamiseen kemikaaleiksi, kuten etanoliksi, etikkahapoksi tai muodikkahapoksi.
Uusi tutkimus hyödynsi elektrokemiallista reduktiota kierrättääkseen hiilidioksidia arvokkaiksi tuotteiksi. Tässä prosessissa Prashant Jain, Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin kemian professori, selitti, että CO2-kaasujouhe kulkee elektrolyysisäiliön läpi, jossa hiilidioksidi ja vesi hajotetaan myrkylliseksi hiilimonoksidiksi (CO) ja vedeksi. Näitä uusia kaasuja voidaan sitten käyttää uusien hiilivedetuotteiden luomiseen.
Jain kuitenkin huomauttaa, että tämä reaktio on melko hidas, ja prosessiin tarvitaan suuria elektrodeja. Nämä elektrodit sisältävät paljon kalliita katalyyttimateriaaleja, kuten kuparia tai kultaa tai kuparia.
Näiden esteiden vuoksi Jain, yhdessä entisen väitöskirjatyöntekijänsä Francis Alcornin kanssa, etsi tapoja nopeuttaa prosessia, joka vaatisi vähemmän katalyyttimateriaalia, tehden siitä näin “kestävämmän vaihtoehdon vaihtoehtoisten polttoaineiden teollisuudelle”.
Näkyvän valon käyttö CO2-muuntamisen tehokkuuden parantamiseksi
Uudessa menetelmässä tiimi yhdisti näkyvän valon elektrodeihin, jotka on päällystetty erittäin pienillä kultakuppari-seoksen hiukkasilla. Tämä mahdollistaa CO2:n reduktion nopeammalla nopeudella ja hallitummalla selektiivisyydellä perinteisiin menetelmiin verrattuna.
Jain selitti:
“(Uudet elektrodit) toimivat kuin pienet antennit, jotka etsivät näkyvän valon alueen fotoneja ja yhdistävät ne kemialliseen reittiin.”
Parantaakseen näiden elektrodien johtavuutta tiimi upotti ne vesiliuokseen, CO2:een ja elektrolyyttiin. Sitten he sovelsivat jännitettä elektrodin yli samalla kun sen pintaa valaistiin näkyvän valon laserilla.
Tämä johti reaktioon, joka tuottaa nopeasti vetyä veden molekyylien jakamisesta ja hiilimonoksidia, joka syntyy hiilidioksidin jakamisesta.
Vaikka tiimi oli “erittäin innoissaan” nähdessään tuottavuuden nousun käyttäessä näkyvää valoa, odottamatonta oli se, että näkyvä valo vaikutti niin merkittävästi kemialliseen selektiivisyyteen — mitä Jain totesi olevan “tärkeä edistysaskel tässä”.
Mitä tämä selektiivisyys sitten tarkoittaa? No, katalyysissä kemiallinen selektiivisyys on kemiallisen reaktion kyky suosia yhtä molekyylityyppiä tai reittipolkua toisen kustannuksella.
Tässä erityisessä tutkimuksessa vesijakaminen, joka tuottaa vetykaasua, havaittiin olevan valoa käyttäen selektiivisesti parantunut. Jain sanoi:
“Tulokset viittaavat siihen, että näkyvä valo tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden säätää syntyvän hiilimonoksidin ja vedyn suhdetta, mikä on ratkaiseva tekijä synteesikaasun teollisessa tuotannossa. Tämä löydös raivaa tietä kestävämmälle ja tehokkaammalle energiatulevaisuudelle.”
Tämän sanottuaan professori huomautti, että valon käyttö kemiallisten reaktioiden tehostamiseen ei ole kiistaton, koska valo tuo mukanaan myös lämpöä. Siksi tiimin täytyi suorittaa kontrollikokeita ja tehdä tarkkoja mittauksia selvittääkseen, oliko valon lämmitysvaikutus syynä nopeampiin reaktioasteisiin ja selektiivisyyteen.
Tiimi selvitti tätä suorittamalla kokeita laserilla ja ilman sitä täsmälleen samassa lämpötilassa, jonka valo aiheutti. Tämä auttoi heitä sulkemaan pois lämmön vastuullisena tekijänä.
Tiimi havaitsi, että todellisuudessa sähköiset kentät ja valon aiheuttama suunnattu varausvirta olivat vastuussa tuottavuuden noususta ja vesijakautumisen parantuneesta selektiivisyydestä.
Kun edetään eteenpäin, tiimillä on edelleen haasteita ratkaistavana. Tämä sisältää elektrodipohjaisten nanopartikkelien toistuvan käytön, mikä johtaa ajan myötä heikkenemiseen, erityisesti menetelmän skaalaamisessa teolliseen käyttöön.
Tiimin täytyy myös tehdä lisätutkimuksia ja parantaa prosessin kokonaisenergiankäyttötehokkuutta sekä valon hallintaa.
(Kaiken kaikkiaan) mitä löysimme tässä tutkimuksessa, esittelee täysin uusia tapoja ajatella elektrokemiaa ja katalyysiä.
– Jain
Lopulta valon käyttö on parantanut katalyytin aktiivisuutta, mutta tärkeämpänä ja yllättävänä se on mahdollistanut selektiivisyyden muuttamisen, mikä avaa uusia kemiallisia reittejä erilaisiin tuotteisiin. Tämä tarkoittaa, että CO2:n reduktio tai vesijakaminen on vasta alkua; menetelmää voidaan soveltaa myös moniin muihin kemiallisten teollisuuden kannalta tärkeisiin katalyyttireaktioihin.
CO2:n vähentämiseen ja muuntamiseen osallistuvat yritykset
Metsäpalojen kasvava vakavuus ja tuhoisuus ovat johtaneet tulosuojausmenetelmien, kuten lämpöaktivoituvien biomimeettisten hydrogelien, kehittämiseen. Samalla kiinnostus CO2-päästöjen vähentämiseen ja uudelleenkäyttöön kasvaa. Tämä uudelleenkäyttö tarkoittaa hiilidioksidin, ilmastonmuutoksen merkittävän tekijän, muuntamista hyödyllisiksi tuotteiksi, kuten polttoaineiksi, kemikaaleiksi ja rakennusmateriaaleiksi.
Näiden pyrkimysten eturintamassa olevat yritykset yhdistävät huipputeknologioita vastatakseen CO2-päästöjen aiheuttamiin ympäristö- ja taloushaasteisiin.
Tähän sisältyvät Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL) ja Occidental Petroleum (OXY ). Vaikka Chevron investoi hiilidioksidin talteenottoon, FuelCell Energy keskittyy puhtaisiin energiaratkaisuihin, ja Occidental on mukana suoran ilmankaappauksen (DAC) teknologiassa, jonka avulla poistetaan CO2 ilmakehästä ja muunnetaan se käyttökelpoisiin tuotteisiin.
Air Products and Chemicals (APD ) on toinen yritys, joka osallistuu vedyn tuotantoon ja CO2-muuntamisteknologioihin. Markkina-arvonsa ollessa 73,44 miljardia dollaria, APD:n osakkeet kaupankäynnissä tällä hetkellä 330,37 dollaria, nousussa 20,66 % kuluvan vuoden alusta.
(APD
)
Tutkitaan tarkemmin toinen merkittävä hiilidioksidin talteenoton toimija:
ExxonMobil (XOM )
Tämä yhdysvaltalainen monikansallinen öljy- ja kaasuyritys, joka on John D. Rockefellin Standard Oilin suurin suora jälkeläisyys, on kasvavassa kiinnostuksessa hiilidioksidin talteenotto-, hyödyntäminen- ja varastointiteknologioihin (CCUS) CO2-päästöjen vähentämiseksi.
ExxonMobilin CCS-verkosto sisältää Yhdysvaltojen suurimman, 1 500 mailin (noin 2 400 km) pitkän CO2-putkiston toiminnan. Siinä on myös useita strategisesti sijoitettuja varastointisijainteja Yhdysvaltojen Gulf Coast -alueella.
ExxonMobil Low Carbon Solutions -ohjelman kautta yritys näyttelee tärkeää roolia hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiteknologian skaalaamisessa. Se omaa nykyisen talteenottokapasiteetin 9 miljoonaa metristä tonnia vuodessa, kumulatiivisen talteenoton 120 miljoonaa metristä tonnia tähän mennessä, ja vastaa noin 40 % kaikista ihmisen tuottamista talteenotetuista CO2-päästöistä, ExxonMobilin virallisten verkkosivujen tietojen mukaan.
Yritys on tehnyt yhteistyötä Mitsubishi Heavy Industriesin (MHI) kanssa tarjotakseen kattavia kokonaisratkaisuja jälkilämmön CO2-talteenottoon. Ratkaisu tarjoaa täyden hiilidioksidin talteenoton, kuljetuksen ja varastoinnin.
Yritys on myös käynnistänyt pilottihankkeen, jossa se käyttää kaasua, joka muuten poltettaisiin putkistojen puutteen vuoksi, Pohjois-Dakotan öljykaivoista Bitcoin-kaivosten toimijoiden energianlähteenä. Tätä varten ExxonMobil on tehnyt yhteistyötä Crusoe Energy Systemsin kanssa, joka hyödyntää jätelähteitä kaasuun öljykaivoista ja käyttää sitä mobiiligeneraattoreissa Bitcoin-kaivosten toimintaan. Yritys odottaa, että sen päästövähennysohjelmat saavuttavat Maailmanpankin Zero Routine Flaring -tavoitteen vuoteen 2030 mennessä.
(XOM
)
Kirjoitushetkellä sen osakkeet kaupankäynnissä hintaan 119,94 $, 20,72 %:n hinnannousun jälkeen tänä vuonna. Tämä asettaa ExxonMobilin markkina-arvoksi 536,2 miljardia dollaria, EPS:n (TTM) 8,34, P/E:n (TTM) 14,47 ja osinkotuoton 3,15 %.
Vuoden 2024 toisen neljänneksen osalta yritys raportoi 9,2 miljardia dollaria tuloja, mikä hänen mukaansa osoittaa “ExxonMobilin salkun erottuvat vahvuudet ja parantuneen tuloksen voiman”. Se laajensi myös arvotarjontaansa vahvistamalla hiilidioksidin talteenotto- ja varastointijohtajuutta uudella sopimuksella, jonka myötä sen kokonaismääräinen CO2-ottokapasiteetti kasvoi 5,5 miljoonaan metristä tonnia vuodessa. ExxonMobilin mukaan tämä on “sitoutuneempi määrä kuin mikään muu yritys on ilmoittanut”. Sen vuoden 2024 kolmannen neljänneksen taloudelliset tulokset julkaistaan 1. marraskuuta.
Yhteenveto
Miljardien metrton tonnin CO2:n vapautuessa ilmakehään vuosittain, se aiheuttaa paitsi ilmastonmuutosta, joka johtaa äärimmäisempiin sääilmiöihin, myös terveysriskejä ja merien happamoitumista, mikä uhkaa merielämää ja koralliriuttoja.
Ilmastokriisin pahentuessa on elintärkeää puuttua CO2-päästöjen kasvun vakavaan ongelmaan, jotta voidaan vähentää ilmaston lämpenemistä ja sen katastrofaalisia seurauksia. Ilmastonmuutoksen aiheuttamat metsäpalot vapauttavat ennennäkemättömiä määriä hiilidioksidia, nopeuttaen ongelmaa entisestään. Vaikka metsitys- ja uudelleensuojeluohjelmat ovat olennaisia päästöjen kompensoimisessa, metsäpalojen uhka on suuri, mikä tekee proaktiivisista tulenhallintastrategioista välttämättömiä.
Innovatiiviset ratkaisut, kuten CO2:n elektrokemiallinen reduktio ja näkyvän valon käyttö katalyyttireaktioiden parantamiseksi, tarjoavat lupaavia keinoja haitallisten hiilipäästöjen uudelleenkäyttöön arvokkaiksi tuotteiksi, kuten synteettisiksi polttoaineiksi ja teollisuuden kemikaaleiksi.
Nämä edistysaskeleet, vaikka vielä kehitysvaiheessa, edustavat mahdollisuutta hillitä ilmastonmuutosta muuntamalla CO2 maailmanlaajuisesta saasteesta tulevaisuuden resurssiksi. Kun yritykset jatkavat investointeja hiilidioksidin talteenotto- ja vaihtoehtoisia polttoaineita koskeviin teknologioihin, lähestymme kestävää ratkaisua, joka voi muuttaa energiamaisemaa.
