Alternatieve brandstoffen – Hoe licht kan helpen koolstofdioxide te hergebruiken

Een van de grootste oorzaken van klimaatverandering is koolstofdioxide (CO2). Een belangrijk broeikasgas, CO2, is het resultaat van de verbranding van fossiele brandstoffen (zoals olie, kolen en aardgas). Het komt ook van nature voor via menselijke ademhaling, plantrespiratie en vulkaanuitbarstingen.

Bosbranden zijn nog een prominente reden voor CO2‑uitstoot, met naar schatting 2.170 miljoen metrische tonnen die alleen al in 2023 werden vrijgelaten.

Een nieuwe studie heeft vastgesteld dat de CO2‑uitstoot door bosbranden wereldwijd de afgelopen 23 jaar met maar liefst 60 % is gestegen.

Onder leiding van de University of East Anglia (UEA) groepeerde de studie gebieden van de wereld in ‘pyromes’, regio’s waar bosbrandpatronen worden beïnvloed door vergelijkbare klimatologische, menselijke en milieufactoren.

Met die indeling onderzocht de studie de verschillen tussen bos‑ en niet‑bosbranden, wat de belangrijkste factoren onthult die de recente toename van bosbrandactiviteit aandrijven.

Volgens de studie is de CO2‑uitstoot van branden in een van de grootste pyromes bijna verdrievoudigd tussen 2001 en 2023. Deze pyromes, die de boreale bossen in Eurazië en Noord‑America beslaan, omvatten enkele van de meest klimaatgevoelige noordelijke boreale bossen.

Significante stijgingen zijn breder waargenomen in de extratropische bossen, wat neerkomt op een extra halve miljard ton koolstofdioxide per jaar. Het epicentrum van CO2‑uitstoot verschuift ook naar de extratropen, weg van de tropische bossen.

De toename van de uitstoot wordt geassocieerd met een toename van weercondities die gunstig zijn voor brand, zoals hete en droge omstandigheden tijdens hittegolven en droogtes. Bovendien leidt een verhoogde bosgroei tot meer vegetatiebrandstof. Deze trends worden verder ondersteund door stijgende temperaturen in de hoge noordelijke breedtegraden, die twee keer zo snel stijgen als het wereldwijde gemiddelde.

Niet alleen is er een aanzienlijke toename in de omvang van bosbranden, maar hun ernst is de afgelopen twee decennia ook gestegen.

Het koolstofverbrandingspercentage, dat de brandintensiteit meet op basis van de hoeveelheid koolstof die per eenheid verbrand gebied wordt uitgestoten, steeg in deze periode wereldwijd met wel 50 % in bossen. Volgens hoofdauteur Dr. Matthew Jones van het Tyndall Centre for Climate Change Research aan de UEA:

“Toenames in zowel de omvang als de ernst van bosbranden hebben geleid tot een dramatische stijging van de hoeveelheid koolstof die wereldwijd door bosbranden wordt uitgestoten. Opzienbarende verschuivingen in de wereldwijde geografie van branden zijn eveneens gaande, en ze worden voornamelijk verklaard door de groeiende impact van klimaatverandering in de boreale bossen van de wereld.”

De impact van bosbranden op inspanningen voor koolstofvastlegging

Wetenschappers van over de hele wereld kwamen samen voor de nieuwe studie en waarschuwden dat we, om de voortdurende groei van bosbranden te voorkomen, de belangrijkste oorzaken van klimaatverandering moeten aanpakken.

“Om kritieke bosecosystemen te beschermen tegen de versnellende dreiging van bosbranden, moeten we de opwarming van de aarde onder controle houden, en dit onderstreept waarom het zo essentieel is om snel vooruitgang te boeken richting netto‑nul‑emissies.”

– Dr. Jones, een NERC Independent Research Fellow

Bossen zelf spelen een cruciale rol bij het behalen van internationale klimaatdoelstellingen. Ze helpen immers CO2 uit de atmosfeer te verwijderen door als koolstofputten te fungeren.

Het werkt zo: bossen absorberen koolstofdioxide uit de atmosfeer en slaan het op in de vorm van biomassa, dood hout, bladval en bodem, een proces dat koolstofvastlegging wordt genoemd en de opwarming van de aarde vertraagt.

Daarom hebben overheden wereldwijd herbebossings‑ en bosaanplantingsprogramma’s geïntroduceerd om de menselijke CO2‑uitstoot te compenseren, vooral uit sectoren zoals de luchtvaart en bepaalde andere industrieën. Het succes van deze programma’s hangt echter af van permanente koolstofopslag in bossen, die door bosbranden worden bedreigd.

Met extratropische branden die al een halve miljard ton meer CO2 uitstoten dan in 2001, en het langetermijneffect dat afhangt van het herstel van bossen, brengen meer wijdverspreide en ernstige bosbranden de uitstoot uit balans met de koolstof die wordt vastgelegd door post‑brand herstel. Dr. Jones zei:

“De steile trend naar grotere extratropische bosbrandemissies is een waarschuwing voor de groeiende kwetsbaarheid van bossen, en vormt een aanzienlijke uitdaging voor wereldwijde doelstellingen om klimaatverandering aan te pakken.”

Hij voegde eraan toe dat bossen na ernstige branden bekend staan slecht te herstellen. Daarom moeten we nauwlettend volgen hoe de toename in brandintensiteit de koolstofopslag van bossen in de komende jaren zal beïnvloeden.

Te midden hiervan is de verbranding van tropische, brandgevoelige savannes verminderd, waarbij eerdere studies aantonen dat sinds 2001 het door zowel bos‑ als niet‑bosbranden verbrande gebied wereldwijd met een kwart is gedaald.

Tegen deze achtergrond van verminderde verbranding in graslanden en savannes laat de studie, volgens de auteurs, zien dat branden steeds vaker plaatsvinden waar ze niet horen, d.w.z. dat bossen de toenemende omvang en ernst van bosbranden maskeren. Dit vormt “de grootste bedreiging voor mensen en voor vitale koolstofvoorraden,” aldus Dr. Jones.

Deze nieuwe observaties werden mogelijk gemaakt met behulp van machine learning, dat werd ingezet om bos‑ecoregionalen in 12 verschillende pyromes te groeperen. Zoals we recent deelden, worden AI‑modellen uitgebreid gebruikt om bosbranden vroegtijdig te detecteren. Het enorme potentieel van AI en machine learning wordt verder versterkt door de groeiende database van brandincidenten.

In de nieuwe studie stelde het gebruik van AI wetenschappers in staat om de effecten van klimaatverandering te isoleren van andere factoren zoals vegetatieproductiviteit en landgebruik. Bovendien is het begrijpen van de oorzaken van branden in deze verschillende pyromes belangrijk voor het ontwikkelen van efficiënte strategieën om bosbranden te voorspellen, te mitigeren en bossen te beschermen.

“Er is substantiële financiering nodig om strategische programma’s voor bosbeheer, stakeholder‑betrokkenheid en publieke educatie te ondersteunen, die allemaal een betekenisvolle verschuiving van een grotendeels reactieve naar een steeds meer proactieve brandbeheersingsstrategie vertegenwoordigen.”

– Dr. Jones

Een nieuw front: CO2 omzetten in waardevolle producten

Naast koolstofvastlegging is een andere manier om de negatieve effecten van CO2 op het milieu te beperken, het omzetten ervan in waardevolle producten.

Dit omvat het omzetten van CO2 in koolstofnanovezels, die kunnen worden gebruikt om bouwmaterialen te versterken, het combineren met waterstof om brandstoffen zoals methaan, methanol, benzine en luchtvaartbrandstoffen te produceren, en het omzetten van CO2 in chemicaliën en andere producten zoals farmaceutica, voedseladditieven en geuren.

Een nieuwe studie heeft deze omzetting van CO2 in waardevolle producten verbeterd door zichtbaar licht en elektrochemie te combineren.

Tijdens dit proces ontdekte het team een verrassende bevinding: zichtbaar licht verbetert de selectiviteit aanzienlijk, een belangrijke chemische eigenschap. Deze ontdekking opent nieuwe wegen voor CO2‑omzetting en vele andere chemische reacties die worden gebruikt in katalyse‑onderzoek en chemische productie.

CO2 omzetten in een energiedrager in plaats van afval of emissie via recycling is een uitstekende manier om klimaatverandering te verminderen. Hier wordt koolstofdioxide omgezet in brandstoffen, chemicaliën, materialen en thermische energie.

Enkele manieren waarop CO2 wordt gerecycled omvatten kunstmatige fotosynthese, een proces waarbij zonne‑energie wordt benut om chemicaliën te synthetiseren met CO2 als grondstof. Daarnaast is er elektrochemische omzetting, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om CO2 om te zetten in chemicaliën zoals ethanol, azijnzuur of mierenzuur.

De nieuwe studie maakte gebruik van elektrochemische reductie om koolstofdioxide te recyclen tot waardevolle producten. In dit proces legde Prashant Jain, een scheikunde‑professor aan de University of Illinois Urbana‑Champaign, uit dat een stroom CO2‑gas door een elektrolysecel stroomt die koolstofdioxide en water afbreekt tot giftig koolmonoxide (CO) en waterstof. Deze nieuwe gassen kunnen vervolgens worden gebruikt om nieuwe koolwaterstofproducten te creëren.

Jain wijst echter op het feit dat deze reactie tamelijk traag is en dat we grote elektroden nodig hebben voor dit proces. Deze elektroden bevatten veel duur katalysatormateriaal zoals koper of goud of koper.

Gezien deze obstakels zocht Jan, samen met zijn voormalige promovendus Francis Alcorn, naar manieren om het proces te versnellen met minder katalysatormateriaal, waardoor het een meer levensvatbare optie wordt voor de sector alternatieve brandstoffen.

Zichtbaar licht gebruiken om de efficiëntie van CO2‑omzetting te verhogen

Met de nieuwe methode combineerde het team zichtbaar licht met elektroden die bedekt zijn met extreem kleine deeltjes van een goud‑koperlegering. Dit maakt een snellere reductie van CO2 mogelijk en biedt een beter gecontroleerde selectiviteit vergeleken met conventionele methoden.

Jain legde uit:

“(De nieuwe elektroden) fungeren als kleine antennes die fotonen in het zichtbare lichtbereik opsporen en koppelen aan het chemische reactiepaden.”

Om de geleidbaarheid van deze elektroden te verbeteren, dompelde het team ze onder in een oplossing van water, CO2 en een elektrolyt. Vervolgens legden ze een spanning aan over de elektrode terwijl het oppervlak werd belicht met een zichtbare‑lichtlaser.

Dit resulteerde in een reactie die snel waterstof produceert door watermoleculen te splitsen en koolmonoxide, afkomstig van het splitsen van koolstofdioxide.

Hoewel het team “zeer enthousiast” was over de productiviteitstoename bij gebruik van zichtbaar licht, was het onverwacht dat zichtbaar licht zo’n grote impact had op de chemische selectiviteit — wat Jain “de belangrijke vooruitgang hier” noemt.

Wat is nu precies deze selectiviteit? In de katalyse is chemische selectiviteit het vermogen van een reactie om de ene soort molecuul of pad boven een andere te verkiezen.

In deze specifieke studie werd een water‑splitsingsreactie die waterstofgas vormt, gevonden om selectief te worden verbeterd door licht. Jain zei:

“De resultaten suggereren dat zichtbaar licht een unieke mogelijkheid biedt om de verhouding van koolmonoxide tot waterstofgas aan te passen, een cruciale factor voor de industriële productie van synthetisch gas. Deze bevinding effent de weg naar een duurzamere en efficiëntere energietoekomst.”

De professor merkte echter op dat het gebruik van licht om chemische reacties te verbeteren niet zonder controverse is, omdat licht ook warmte met zich meebrengt. Daarom moest het team controle‑experimenten uitvoeren en zorgvuldige metingen doen om te bepalen of het verwarmende effect van het licht de snellere reactiesnelheden en selectiviteit veroorzaakte.

Wat het team deed om dit te bepalen, was experimenten uitvoeren met en zonder de laser bij exact dezelfde temperatuur die door lichtexcitatie werd geproduceerd. Dit hielp hen om verwarming als verantwoordelijke factor uit te sluiten.

Het team ontdekte dat het in feite elektrische velden en gerichte ladingsstromen waren, gecreëerd door lichtexcitatie, die verantwoordelijk waren voor de productiviteitsboost en de verbeterde selectiviteit van water‑splitsing.

Vooruitkijkend heeft het team nog uitdagingen te overwinnen. Dit omvat het herhaaldelijk gebruik van op elektroden gebaseerde nanodeeltjes, wat na verloop van tijd tot degradatie leidt, vooral bij opschaling voor industriële toepassingen.

Het team moet bovendien verder onderzoek doen naar en de algehele energie‑efficiëntie van het proces en lichtbeheer verbeteren.

“(In het algemeen) toont wat we met deze studie hebben gevonden volledig nieuwe manieren van denken over elektrochemie en katalyse.”

– Jain

Uiteindelijk heeft het gebruik van licht de activiteit van de katalysator verhoogd, maar belangrijker en verrassend is dat het de selectiviteit heeft veranderd, waardoor nieuwe chemische paden ontstaan die verschillende producten opleveren. Dit betekent dat CO2‑reductie of water‑splitsing slechts het begin is; de methode kan ook worden toegepast op vele andere katalytische reacties die belangrijk zijn voor de chemische industrie.

Bedrijven die betrokken zijn bij CO2‑reductie en -omzetting

De groeiende ernst en verwoesting door bosbranden heeft geleid tot vooruitgang in brandbeschermingsmethoden, zoals warmte‑activerbare biomimetische hydrogels. Tegelijkertijd groeit de interesse in het verminderen en hergebruiken van CO2‑emissies. Dit hergebruik houdt in dat koolstofdioxide, een belangrijke bijdrager aan klimaatverandering, wordt omgevormd tot bruikbare producten zoals brandstoffen, chemicaliën en bouwmaterialen.

Bedrijven die vooroplopen in deze inspanningen combineren geavanceerde technologieën om de milieu‑ en economische uitdagingen van CO2‑emissies aan te pakken.

Dit omvat Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), en Occidental Petroleum (OXY ). Terwijl Chevron investeert in carbon capture‑technologieën, richt FuelCell Energy zich op schone‑energie‑oplossingen, en is Occidental betrokken bij direct‑air‑capture (DAC)‑technologie om CO2 uit de atmosfeer te verwijderen en om te zetten in bruikbare producten.

Air Products and Chemicals (APD ) is een andere speler die betrokken is bij waterstofproductie en CO2‑omzettingstechnologieën. Met een marktkapitalisatie van $73,44 miljard worden APD‑aandelen momenteel verhandeld tegen $330,37, een stijging van 20,66 % YTD.

Laten we nu dieper ingaan op een andere grote speler in carbon capture:

ExxonMobil (XOM )

Deze Amerikaanse multinationale olie‑ en gasonderneming, die de grootste directe afstammeling is van John D. Rockefeller’s Standard Oil, heeft een groeiende interesse in carbon capture, utilization, and storage (CCUS)‑technologieën om CO2‑emissies te verminderen.

Het CCS‑netwerk van ExxonMobil omvat de exploitatie van de grootste 1.500‑mijl‑lange CO2‑pijpleiding in de VS. Het heeft ook meerdere strategisch gepositioneerde opslaglocaties langs de Golfkust van de VS.

Via ExxonMobil Low Carbon Solutions speelt het bedrijf een belangrijke rol bij het opschalen van carbon capture‑ en storage‑technologie. Het beschikt over een huidige opvangcapaciteit van 9 miljoen metrische ton per jaar, een cumulatieve opvang van 120 miljoen metrische ton tot nu toe, en vertegenwoordigt ongeveer 40 % van alle door de mens geproduceerde CO2‑opvang, volgens cijfers van de officiële website van ExxonMobil.

Het bedrijf heeft samengewerkt met Mitsubishi Heavy Industries (MHI) om uitgebreide end‑to‑end‑oplossingen voor post‑combustie CO2‑opvang mogelijk te maken. De oplossing biedt volledige carbon capture, transport‑ en opslagoplossingen.

Het bedrijf runt ook een pilotproject om gas, dat anders zou worden verbrand vanwege een gebrek aan pijpleidingen, van zijn olievelden in North Dakota te gebruiken om Bitcoin‑mijnoperators van stroom te voorzien. Hiervoor heeft ExxonMobil samengewerkt met Crusoe Energy Systems, dat afval‑energiemiddelen benut om gas uit zijn olievelden te halen en mobiele generatoren te laten draaien voor Bitcoin‑mijnoperaties. Het bedrijf verwacht dat zijn emissiereductie‑plannen tegen 2030 de World Bank Zero Routine Flaring‑doelstelling zullen bereiken.

Op het moment van schrijven worden de aandelen verhandeld tegen $119,94 na een stijging van 20,72 % in de koers tot nu toe dit jaar. Dit brengt de marktkapitalisatie van ExxonMobil op $536,2 miljard, met een EPS (TTM) van 8,34, een P/E (TTM) van 14,47 en een dividendrendement van 3,15 %.

Voor Q2 van 2024 rapporteerde het bedrijf winst van $9,2 miljard, wat volgens hen de “gedifferentieerde sterktes van ExxonMobil’s portfolio en de verbeterde winstkracht” aantoont. Het breidde ook zijn waardepropositie uit door de leiderspositie in carbon capture en storage (CCS) te versterken met een nieuwe overeenkomst die de totale gecontracteerde CO2‑afname tot 5,5 miljoen metrische ton per jaar vergrootte. Dit, volgens ExxonMobil, is meer “gecommitteerde volume dan elk ander bedrijf heeft aangekondigd.” De financiële resultaten van het derde kwartaal van 2024 zullen op 1 november worden gepubliceerd.

Conclusie

Met miljarden metrische ton CO2 die elk jaar in de atmosfeer worden uitgestoten, leidt dit niet alleen tot klimaatverandering, met extremere weergebeurtenissen, maar ook tot gezondheidsrisico’s en verzuring van de oceanen die het mariene leven en koraalriffen bedreigen.

Naarmate de klimaatcrisis verergert, is het cruciaal dat we het ernstige probleem van stijgende CO2‑emissies aanpakken om de opwarming van de aarde en de catastrofale gevolgen ervan te verminderen. Door klimaatverandering aangedreven bosbranden stoten ongekende hoeveelheden koolstofdioxide uit, waardoor het probleem wordt versneld. Hoewel herbebossings‑ en bosaanplantingsprogramma’s essentieel zijn om emissies te compenseren, vormt de dreiging van bosbranden een grote uitdaging, waardoor proactieve brandbeheersingsstrategieën onmisbaar zijn.

Innovatieve oplossingen, zoals de elektrochemische reductie van CO2 en het gebruik van zichtbaar licht om katalytische reacties te verbeteren, bieden veelbelovende mogelijkheden om schadelijke koolstofemissies om te zetten in waardevolle producten zoals synthetische brandstoffen en industriële chemicaliën.

Deze ontwikkelingen, hoewel nog in ontwikkeling, vertegenwoordigen het potentieel om klimaatverandering te mitigeren door CO2 te transformeren van een wereldwijde verontreiniging naar een hulpbron voor de toekomst. Naarmate bedrijven blijven investeren in carbon capture‑technologieën en alternatieve brandstoffen, komen we dichter bij een duurzame oplossing die het energielandschap zou kunnen hervormen.

Klik hier om te ontdekken wat beter is voor het aanpakken van atmosferische CO2: preventie of genezing.