Aanpakken van kooldioxideproblemen met nieuw ontdekte fotokatalytische materialen

De wereldwijde uitstoot van kooldioxide is de ernstigste uitdaging waarmee we vandaag de dag worden geconfronteerd. Deze emissies zijn de afgelopen 75 jaar bijzonder uitgegroeid tot een existentiebedreiging. 

In 1950, de wereld stootte 6 miljard ton kooldioxide. Tegen 1990 was dit gestegen tot 20 miljard ton. En nu is het meer dan 35 miljard ton. Alleen de Verenigde Staten hebben sinds 1751 ongeveer 400 miljard ton kooldioxide uitgestoten, bijna een kwart van alle emissies tot nu toe. Sinds 1751 is het cumulatieve wereldwijde volume van kooldioxide‑emissies 1,5 biljoen ton. 

Kooldioxide kan uit vele bronnen komen, waaronder het verbranden van fossiele brandstoffen, bosbranden, vulkaanuitbarstingen, enz. Het is schadelijk omdat het een warmtevaste gas is. Kooldioxide en andere broeikasgassen vormen een deken of kap die warmte vasthoudt die de planeet anders in de ruimte zou hebben kunnen stralen. 

Wat nog zorgwekkender is, is dat de warmtevaste eigenschappen van kooldioxide enorm zijn, en een kleine hoeveelheid atmosferische kooldioxide gigantische hoeveelheden warmte kan vasthouden. Het meer‑dan‑35‑miljard‑tonnen‑emissiecijfer dat we bespraken, is het resultaat van de loutere aanwezigheid van kooldioxide op een schaal van 0,04% van de atmosfeer. 

Bij het uitleggen hoe verwaarloosbaar de aanwezigheid van kooldioxide in de atmosfeer is, trok klimaatwetenschapper Jason Smerdon van het Lamont‑Doherty Earth Observatory van Columbia University de volgende analogie: 

“Als iemand van mijn grootte twee biertjes drinkt, zal mijn bloedalcoholgehalte ongeveer 0,04 procent zijn.” 

Hij herinnert ons er echter aan dat zelfs een kleine hoeveelheid van een stof ongunstige gevolgen kan hebben die onherstelbaar zijn. Hij zegt: 

“Het kost niet veel cyanide om een persoon te vergiftigen. Het gaat erom hoe die specifieke stof interacteert met het grotere systeem en wat het doet om dat systeem te beïnvloeden.”

Daarom vormen de warmtevaste eigenschappen van kooldioxide en andere broeikasgassen een bedreiging die met de grootste urgentie en oprechtheid moet worden aangepakt. 
Climate and Clean Air Coalition, een door UNEP georganiseerde initiatief, erkent deze urgentie in de meest welsprekende bewoordingen. Het zegt: 

“We raken de tijd op om de opwarming onder de 2 graden Celsius te houden.”

Volgens Durwood Zaelke, voorzitter van het Comité en president van het Institute for Governance and International Development (IGSD):

“We kunnen een snelgroeiend probleem als klimaatverandering niet oplossen met langzaam bewegende oplossingen. Snelheid is onze nieuwe maatstaf — snelheid om SLCP’s tegen 2030 te verminderen, om schone energie en netto nul emissies tegen 2050 te bereiken, en om een groeiend aandeel van de kooldioxide die we al hebben uitgestoten te verwijderen.”

Zaelke kwantificeert het doel verder door te zeggen:  

“Het verminderen van SLCP’s kan 0,6 graad opwarming tegen het midden van de eeuw voorkomen en een cruciale rol spelen als we de opwarming tot 1,5 graad willen beperken.”

Hier staan SLCP’s voor kortlevende klimaatverontreinigende stoffen. Het aanpakken van kooldioxideproblemen is de noodzaak van het moment. Het tegemoetkomen aan deze ongekende urgentie zal niet mogelijk zijn zonder innovatieve oplossingen. In de volgende segmenten bespreken we dergelijke innovatieve manieren die recentelijk zijn ontstaan. 

Onderzoekers tonen manier om kooldioxide om te zetten in duurzame brandstof

Een internationaal team van onderzoekers, bestaande uit vertegenwoordigers van de School of Chemistry van de Universiteit van Nottingham, de Universiteit van Birmingham, de Universiteit van Queensland en de Universiteit van Ulm, heeft een materiaal ontworpen dat kan worden gezien als een significante en beslissende stap in de productie van nieuwe groene brandstoffen.

Meer over het materiaal

Het materiaal is afgeleid van koper dat verankerd is op nanokristallijn koolstofnitride. De koperatomen bevinden zich binnen de nanokristallijne structuur, waardoor elektronen van koolstofnitride naar kooldioxide kunnen bewegen. Deze beweging is cruciaal voor de productie van methanol uit kooldioxide onder zonne‑irradiatie. 

Als het op schaal succesvol wordt, zal de procedure een van de meest cruciale problemen bij het aanpakken van de door kooldioxide veroorzaakte bedreigingen oplossen. 

Kooldioxide, de belangrijkste veroorzaker van de wereldwijde opwarming, kan worden omgezet in nuttige producten. Tot nu toe vereisten die conversieprocessen echter dat we afhankelijk waren van waterstof afkomstig uit fossiele brandstoffen. Zonne‑energie wordt nu voor het eerst gebruikt. 

Het onderzoek bevestigt de noodzaak om alternatieve methoden te ontwikkelen, gebaseerd op foto‑ en elektrocatalyse, processen die efficiënt gebruikmaken van duurzame zonne‑energie en de overvloed aan water. 

Volgens Dr. Madasamy Thangamuthu, een van de onderzoeksmedewerkers aan de School of Chemistry: 

“Er is een grote verscheidenheid aan verschillende materialen die in fotokatalyse worden gebruikt. Het is belangrijk dat de fotokatalysator licht absorbeert en ladingsdragers met hoge efficiëntie scheidt. In onze benadering beheersen we het materiaal op nanoschaal. We hebben een nieuwe vorm van koolstofnitride ontwikkeld met kristallijne nanoschaal‑domeinen die een efficiënte interactie met licht mogelijk maken evenals voldoende ladingsscheiding.”

Klik hier voor een lijst van top carbon capture aandelen.

Meer over het proces

Het verwarmingsproces dat in het onderzoek werd gebruikt, zorgde ervoor dat koolstofnitride het vereiste kristalliniteitniveau bereikte, essentieel om het potentieel van het materiaal voor fotokatalyse te maximaliseren. Het proces omvatte ook magnetronsputteren om koper af te zetten zonder gebruik van oplosmiddelen. Het ontbreken van oplosmiddelen maakte intiem contact tussen halfgeleider‑ en metaalatomen mogelijk. 
Volgens Tara LeMercier, een PhD‑student aan de University of Nottingham School of Chemistry:

“Zelfs zonder koper is de nieuwe vorm van koolstofnitride 44 keer actiever dan traditioneel koolstofnitride. Tot onze verbazing verviervoudigde de toevoeging van slechts 1 mg koper per 1 g koolstofnitride deze efficiëntie. Het belangrijkste is dat de selectiviteit veranderde van methaan, een ander broeikasgas, naar methanol, een waardevolle groene brandstof.”

Over het geheel genomen was het experiment baanbrekend omdat het katalysatoren gebruikte die uitsluitend bestonden uit duurzame elementen. Volgens professor Andrei Khlobystov van de School of Chemistry:

“De valorisatie van kooldioxide is de sleutel tot het realiseren van de netto‑nul ambitie van het VK. Het is van vitaal belang om de duurzaamheid van onze katalysatormaterialen voor deze belangrijke reactie te waarborgen. Een groot voordeel van de nieuwe katalysator is dat deze bestaat uit duurzame elementen — koolstof, stikstof en koper — die allemaal in overvloed op onze planeet aanwezig zijn.”

Bedrijven wereldwijd werken aan het omzetten van koolstof in groene energie. Sommige van deze bedrijven hebben ons voorzien van echt opwindende, innovatieve en effectieve oplossingen. 

#1. Climeworks

Climeworks staat bekend om zijn directe luchtvangst‑ en opslagfaciliteiten, die kooldioxide uit de lucht verwijderen. Naast het exploiteren van zijn koolstofverwijderingsfaciliteiten werkt Climeworks ook samen met anderen om een volledig portfolio van hoogwaardige oplossingen voor de wereldwijde netto‑nul strategie te waarborgen.

Het bedrijf is wereldwijd actief en biedt diverse oplossingen op maat van specifieke behoeften. Bijvoorbeeld, in IJsland transporteert het bedrijf, met de hulp van zijn opslagpartner Carbfix, kooldioxide diep onder de grond en laat het reageren met basaltgesteente via een natuurlijk proces zodat de schadelijke emissie kan transformeren in steen en veilig kan worden ingekapseld voor meer dan 10.000 jaar. 

In de Verenigde Staten heeft Climeworks drie projecten aangekondigd onder het United States Department of Energy’s Regional DAC Hubs‑programma. Project Cypress, waarbij Climeworks een ontwikkelingspartner is, zal de directe luchtvangstmethode inzetten om overtollige kooldioxide (CO2) uit de atmosfeer te verwijderen om verergering van extreme weersverschijnselen, zoals orkanen, droogtes en overstromingen, op de lange termijn te voorkomen. 

In Zürich, Zwitserland heeft Climeworks een faciliteit ontwikkeld die helpt bij de productie van koolstofneutrale groenten. Zijn directe luchtvangstinstallatie pompt het gas in kassen, waardoor de fotosynthese van de planten wordt gestimuleerd en de opbrengst met tot wel 20% toeneemt. Climeworks zegt dat het ongeveer 900 ton CO2 per jaar uit de lucht zal extraheren.

Volgens Matt Lucas van het Centre for Carbon Removal:

“Technologieën om CO2 uit de lucht te vangen, zoals de eenheden van Climeworks, hebben het potentieel voor de soort scherpe prijsdalingen die we hebben gezien bij zonne‑energie, windenergie en batterijen, die ook fabrieksmatig geproduceerde producten zijn.”

Op 9 april 2024 ontving Climeworks 2,2 miljoen CHF (26m NOK) aan Noorse financiering van Enova, de staatsonderneming eigendom van het Noorse ministerie van Klimaat en Milieu. 
Twee jaar geleden had Climeworks een aandelenronde van CHF 600 miljoen (USD 650 miljoen) ondertekend. De lijst van investeerders omvatte verschillende bekende en grote institutionele technologie‑ en infrastructuurinvesteerders wereldwijd.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon heeft de eerste commerciële directe luchtvangstfaciliteit in de Verenigde Staten gebouwd. Volledig aangedreven door hernieuwbare energie, verwijdert de faciliteit permanent kooldioxide uit de atmosfeer. 

Het maakt gebruik van het proces van koolstofmineralisatie, waarbij gesteenten zoals kalksteen — bekend als natuurlijke koolstofputten — over tijd enorme hoeveelheden CO2 vastleggen. Als een van de meest voorkomende gesteenten op de planeet kan kalksteen gedurende jaren enorme hoeveelheden CO2 uit de lucht opnemen. En de technologie van Heirloom Carbon versnelt dit proces tot enkele dagen. 

De technologie van Heirloom heeft meerdere voordelen. Het verwijdert kooldioxide permanent, waardoor het gas veilig onder de grond voor eeuwig wordt opgeslagen. De diensten van Heirloom hebben ook een minimale ecologische voetafdruk, aangezien hun faciliteiten 50 ton CO2 per vierkante meter kunnen verwijderen en op niet‑bruikbare grond kunnen worden geplaatst.

Na verloop van tijd gelooft Heirloom dat hun diensten optimaal kosteneffectief zullen worden, met koolstofverwijderingscredits die tegen 2035 minder dan US$100 per ton kooldioxide kosten. 

In april 2022, Heirloom raised US$ 1 miljoen als subsidie van de Mask Foundation en XPRIZE. Het haalde US$ 53 miljoen op in serie A van AENU en een tiental andere investeerders op 17 maart 2022. In juni 2021 ontving Heirloom een subsidie ter waarde van US$255.737 van de National Science Foundation. 

Focus op een alomvattend plan om koolstofemissies aan te pakken

Zo’n plan kijkt naar de volledige levenscyclus van koolstofemissies en streeft ernaar deze overal op de meest verstandige, locatie‑geoptimaliseerde, efficiënte manier aan te pakken. Bijvoorbeeld, oplossingen zoals Climate TRACE helpen wereldwijde emissie‑hotspots te identificeren met satellieten en machine learning. Bedrijven zoals CarbonChain, helpen daarentegen emissies in de toeleveringsketen te verminderen door bedrijven te helpen hun huidige emissies in kaart te brengen en manieren te vinden om ze te reduceren met behulp van kunstmatige intelligentie. Het herkennen van energie‑lekken maakt ook deel uit van dit alomvattende plan. 

Zodra het identificatieproces is voltooid, zijn er drie mogelijke manieren om kooldioxideproblemen aan te pakken. De eerste richt zich op het stoppen van verdere klimaatschade door kooldioxide‑emissies. De tweede gaat over het verbeteren van energie‑efficiëntie zodat we onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen kunnen verminderen. De derde, die ook de ambitieusste van de drie is, probeert de schade die al is aangericht ongedaan te maken. 

Wat specifieke oplossingen betreft, zijn er veel ideeën ontwikkeld. Wetenschappers pleiten voor het verbouwen van planten of zeewier die CO2 uit de atmosfeer kunnen opnemen terwijl ze groeien, en tegelijkertijd dienen als een hernieuwbare energiebron. Meer baanbrekende en radicaal innovatieve experimenten omvatten onder meer een nieuw polymeer dat zonne‑energie kan verzamelen. Deze polymeren kunnen vervolgens op textiel worden toegepast zodat onze kleding dubbel dienstdoet als groene en mobiele energiebronnen. 

In de loop der jaren zijn veel aantrekkelijke toepassingen en oplossingen ontwikkeld op het gebied van schade‑omkering. Bijvoorbeeld, wetenschappers werken met koolstof‑gebaseerd beton dat CO2 uit industriële uitlaatgassen vrijgeeft naar synthetisch kalksteen, een belangrijk ingrediënt van beton. In dit verband moeten we onthouden dat de productie van beton 4% tot 8% van de wereldwijde CO2‑emissies uitmaakt. 

Er wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van koolstof‑eetende gewassen, koolstof‑vastleggende meststoffen en nog veel meer. 

Met al deze innovaties moeten we zorgen voor een netto 55% of meer reductie ten opzichte van het niveau van 1990 tegen 2030 en een klimaatneutraliteitsdoelstelling tegen 2050. Hoewel er nog veel meer moet gebeuren op het gebied van de overgang van fossiele brandstoffen naar schone, hernieuwbare energie, moet wereldwijde samenwerking ook effectief zijn in het stoppen van ontbossing, het duurzaam gebruiken van land, en het herstellen van de natuur. 

Aanhoudende inspanningen zullen ons uiteindelijk helpen het volume van broeikasgassen dat in de atmosfeer wordt uitgestoten in evenwicht te brengen met de opvang en opslag van deze gassen in onze bossen, oceanen, en bodem.