De kolenindustrie opnieuw vormgeven met koolstofdruppels

In dec. 2023, 198 ondertekenende landen op de Conference of Parties (COP) stemden collectief ermee in dat de wereld moet “overstappen” van fossiele brandstoffen zoals kolen op een “rechtvaardige, ordelijke en eerlijke manier” om de uitstoot van broeikasgassen tegen 2050 bijna tot nul te reduceren. Er zijn echter nog geen tijdschema’s, dus fossiele brandstoffen zullen de komende jaren de pijler van economieën overal blijven.

Steenkool is de meest dominante en koolstofintensieve energiebron ter wereld. Vier hoofdtypen steenkool omvatten:

(i) Anthraciet (ii) Bitumineus (iii) Subbitumineus (iv) Lignite

Deze fossiele brandstof vertegenwoordigt meer dan 37% van de wereldwijde elektriciteitsvoorziening, speelt een fundamentele rol bij het aandrijven van huizen en industrieën en het verlichten van de wereldwijde energiearmoede. Zelfs vandaag leven ongeveer 860 miljoen mensen wereldwijd zonder toegang tot elektriciteit. Daarom is het moderne leven simpelweg onvoorstelbaar zonder steenkool.

Het wereldwijde gebruik van steenkool bereikte in 2023 een recordhoogte, aangezien de vraag naar de fossiele brandstof in het jaar met 1,4% toenam en voor het eerst meer dan 8,5 miljard metrische ton overschreed, gerapporteerd door het International Energy Agency (IEA). Naar verwachting blijft de wereldwijde consumptie in 2026 ruim boven de 8 miljard metrische ton.

Steenkool is een essentiële hulpbron om de uitdaging van snel stijgende energieconsumptie aan te pakken, omdat het aanzienlijk goedkoper en toegankelijker is dan andere fossiele brandstoffen. In tegenstelling tot olie en gas is het overal ter wereld in overvloed aanwezig.

Het voordeel van steenkool is dat het geen hogedrukleidingen, dure verwerking of dure bescherming tijdens transport vereist, waardoor het makkelijker op te slaan en te vervoeren is dan andere sterk brandbare fossiele brandstoffen. Bovendien hoeft steenkool alleen maar gedolven te worden voordat het wordt gebruikt, in tegenstelling tot andere fossiele brandstoffen die een langdurig en kostbaar raffinageproces vereisen.

Niet te vergeten, steenkoolreserves zijn veel gelijkmatiger over de planeet verdeeld. Vanaf januari 2020 heeft de VS de grootste steenkoolreserves ter wereld, goed voor bijna 90% van alle fossiele brandstofreserves, met een geschatte 250 miljard ton.

Naast dat het goedkoper en toegankelijk is, is steenkool ook zeer veelzijdig en kan het in een reeks processen worden gebruikt. Steenkool wordt wereldwijd voornamelijk gebruikt voor stroomopwekking en is eigenlijk een betaalbare vorm van energie, waarbij elektriciteit opgewekt uit steenkool minder duur is dan elektriciteit opgewekt uit andere bronnen. 

Zelfs in de VS wordt steenkool gebruikt om elektriciteit te produceren door de fossiele brandstof te verbranden in energiecentrales. De resulterende warmte wordt gebruikt om water om te zetten in hogedrukstoom, die een turbine aandrijft, die vervolgens elektriciteit produceert. In 2019 werd ongeveer 23% van alle elektriciteit in de VS opgewekt door kolencentrales, volgens de US Energy (BSIN ) Information Administration.

Deze fossiele brandstof wordt ook gebruikt voor de productie van staal en beton en is een kerncomponent bij het maken van ijzer, evenals andere metalen zoals aluminium en koper. Steenkool en zijn bijproducten worden bovendien gebruikt in waterfilters en luchtreinigingssystemen, bij de constructie van vliegtuigen en auto’s, in medicijnen, en in chemische processen om zeldzame aardmetalen te extraheren.

Daarnaast zijn er gasificatie- en vloeibaarmakingsgebruikstoepassingen van steenkool, waarbij de meeste kolen-naar-gas projecten zich bevinden in de VS en China, met enkele in Australië, Canada, India, Zuid‑Afrika en Indonesië. Naast het produceren van chemische bouwstenen, zoals ammoniak, methanol en ureum, wordt steenkool ook gebruikt in de papier-, textiel- en glasindustrie. Samen met de productie van koolstofvezel levert het ingrediënten zoals siliciummetalen, die worden gebruikt om componenten voor de persoonlijke verzorgings‑ en huishoudelijke sector te produceren.

Ondanks de overvloed, betaalbaarheid en betrouwbaarheid van steenkool, staat de industrie voor uitdagingen in de vorm van het ontwikkelen van technologieën en routes naar nul emissies, wat wordt gezien als een factor in klimaatverandering.

Klik hier om te leren of preventie of behandeling de manier is om atmosferische CO2 aan te pakken.

De economische rol van steenkool heroverwegen

Naarmate landen over de hele wereld beloven over te schakelen op andere vormen van energieproductie vanwege hun bijdrage aan klimaatverandering, zoeken onderzoekers en wetenschappers naar andere manieren om steenkool te benutten.

Om de economische rol van de fossiele brandstof te heroverwegen, bundelden Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, het National Energy Technology Laboratory, de University of Illinois Urbana-Champaign en Oak Ridge National Laboratory hun krachten voor een gezamenlijk onderzoeksproject en tonen ze de cruciale rol die steenkool kan spelen in elektronische apparaten van de volgende generatie.

In de afgelopen jaren is er veel onderzoek gedaan op het gebied van 2D-materialen vanwege hun elektrische, optische en mechanische eigenschappen. De synthese van een reeks atomair dunne 2D-materialen opent een nieuw platform voor laag‑voor‑laag materialen die de verkenning van onbekende eigenschappen mogelijk maken, wat een reeks nieuwe technologieën belooft.

2D gelaagde halfgeleiders beschikken over kenmerken zoals hoge mobiliteit, laag‑energie schakelen, relatief grote bandgap en de beschikbaarheid van grootschalige groeimethoden, waardoor ze een veelbelovende kandidaat zijn voor de volgende generatie elektronica. Nu wordt steenkool geëxperimenteerd voor gebruik in dergelijke elektronica.

“Steenkool wordt meestal gezien als iets omvangrijks en vuil, maar de verwerkingsmethoden die we hebben ontwikkeld kunnen het omvormen tot hoogzuivere materialen van slechts een paar atomen dik.”

– zei Qing Cao, een professor in materiaalkunde & engineering aan de U. of I. die mede het onderzoek leidde.

Hij merkte ook op:

“Hun unieke atomaire structuren en eigenschappen zijn ideaal om enkele van de kleinste mogelijke elektronica te maken met een prestatie die superieur is aan de stand van de techniek.”

Onder deze samenwerking ontwikkelden de onderzoekers een proces dat kolenchar omzette in extreem kleine koolstofschijven, die “koolstofdruppels” worden genoemd.

Zoals aangetoond door de onderzoeksgroep, kunnen deze nanoschaal koolstofschijven met elkaar worden verbonden om atomair dunne membranen te vormen. Deze membranen kunnen worden gebruikt voor toepassingen in technologieën zoals tweedimensionale (2D) transistors en memristors. Volgens de onderzoekers zullen deze technologieën cruciaal zijn voor het bouwen van efficiëntere elektronica.

Hoewel koolstofgebaseerde materialen, of het nu traditioneel industrieel koolstof zoals carbon black is of nieuw industrieel koolstof zoals grafiet en koolstofvezels, een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van materiaalkunde, kan macroscopiaal koolstofmateriaal niet echt worden gebruikt als een effectief fluorescerend materiaal vanwege een gebrek aan de juiste bandgap. Hier komen koolstofdruppels (CD’s) naar voren als een veelbelovende oplossing.

Koolstofdruppels of CD’s zijn een nieuw type koolstofgebaseerd nanomateriaal dat veel aandacht en onderzoek heeft gekregen vanwege hun diverse fysisch‑chemische eigenschappen. Koolstofdruppels worden nauwkeurig samengesteld en zijn meestal kleiner dan 10 nm. Dit koolstofgebaseerde nanomateriaal heeft kenmerken zoals kleine afmeting, milieuvriendelijkheid, lage kosten, lage toxiciteit, hoge stabiliteit, goede biocompatibiliteit, elektronenmobiliteit, hoge kwantumopbrengst, overvloedige functionele groepen en unieke optische eigenschappen, waaronder sterke absorptie, fotoluminescentie en fosforescentie.

Al deze kwaliteiten maken dit nieuwe materiaal binnen de koolstoffamilie zo populair en hebben vele toepassingen. Dit omvat:

• Sensoren
• Informatievercijfering
• Fotocatalyse
• Lichtgevende diodes
• Chemische detectie
• Zonnecellen
• Supercondensatoren
• Oplaadbare batterijen
• Bio‑imaging
• Fototherapie
• Genlevering
• Drudge levering
• Explosiedetectie
• Nanogeneeskunde
• Voedselveiligheid
• Antivervalsing

Leer hoe methaan de sleutel kan zijn tot het behalen van klimaatdoelstellingen.

Steenkool speelt een cruciale rol in elektronica van de volgende generatie 

Onderzoekers en wetenschappers over de hele wereld werken aan het maken van kleinere, snellere en geavanceerdere elektronica. Dit betekent dat apparaten gemaakt met materialen die slechts één of twee atomen dik zijn, veel sneller werken en veel minder energie verbruiken.

Voor deze apparaten zijn er veel studies gedaan naar ultradunne halfgeleiders, maar nu is er uitgebreid onderzoek nodig naar atomair dunne isolatoren om werkende elektronische apparaten zoals transistors en memristors te bouwen.

Wat materialen betreft, worden ze ingedeeld in geleiders, halfgeleiders en isolatoren op basis van hun vermogen om een elektrische stroom te geleiden. Materialen zoals koper, messing, staal, goud en aluminium die gemakkelijk elektriciteit geleiden vanwege hun lage elektrische weerstand, worden geleiders genoemd.

Isolatoren zijn materialen zoals glas, lucht, hout, plastic en rubber, die niet gemakkelijk elektriciteit geleiden. Ondertussen hebben materialen zoals silicium (Si), germanium (Ge) en selenium (Se), evenals verbindingen zoals galliumarsenide (GaAs) en indiumantimonide (InSb), een elektrische geleidbaarheid die tussen die van een geleider en een isolator ligt.

De weerstand van een halfgeleider daalt naarmate de temperatuur stijgt, terwijl de geleidbaarheid van een halfgeleider toeneemt naarmate de temperatuur stijgt.

Isolatoren hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder muurisolatie om de warmteflux te reguleren, ovenisolatie voor thermische en diëlektrische barrières, geluidsisolatie om storingen te voorkomen, en elektrische isolatie in huishoudelijke bedrading en condensatoren in commerciële en consumentenproducten. Halfgeleiders zijn ook overal om ons heen, zoals kleine transistors die in bijna elk apparaat dat we gebruiken zitten en zonnecellen die in zonnepanelen worden gebruikt om zonlicht om te zetten in elektriciteit.

In isolatoren is de energiekloof tussen de valentie‑ en geleidingsbanden zeer groot (ongeveer 15 eV), terwijl deze kloof in een halfgeleider zeer klein is (ongeveer 1 eV).

Volgens de laatste studie kunnen atomair dunne koolstoflagen met ongeordende atomaire structuren fungeren als een uitstekende isolator voor het bouwen van 2D‑apparaten, die het team heeft gecreëerd uit koolstofdruppels afgeleid van kolenchar.

Nu, om het potentieel van koolstoflagen afgeleid van kolen te tonen, gebruikten de onderzoekers ze als gate‑dielectrisch materiaal in 2D‑transistors. Gebouwd op de halfgeleider molybdeendisulfide, creëerde het team een apparaat met een operationele snelheid meer dan twee keer sneller en een lager energieverbruik.

Deze koolstoflagen afgeleid van kolen hebben geen ‘hangende bindingen’, die overvloedig aanwezig zijn op de oppervlakken van conventionele 3D‑isolatoren. Door effectief te functioneren als ‘vallen’, veranderen ze de elektrische eigenschappen van 3D‑isolatoren, waardoor het transport van mobiele ladingen wordt vertraagd, wat de schakelsnelheid van de transistor beïnvloedt.

Echter, de nieuwe koolstoflagen afgeleid van kolen, in tegenstelling tot andere atomair dunne materialen, zijn amorf, en ongewenste elektrische stromen stromen door de isolator, wat leidt tot aanzienlijke extra energieverbruik tijdens apparaatoperaties. Meneer Qing Cao zei:

“Het is echt heel opwindend, want dit is de eerste keer dat kolen, iets wat we normaal als low‑tech beschouwen, direct gekoppeld is aan de voorhoede van micro‑elektronica.”

Een andere toepassing die door de onderzoekers werd gedemonstreerd, zijn memristors, elektronische componenten die data kunnen opslaan en verwerken, waardoor de implementatie van Kunstmatige Intelligentie (AI) aanzienlijk verbetert. Deze apparaten slaan data op en representeren deze door een geleidende filament te moduleren.

Door ultradunne koolstoflagen als isolator te gebruiken, konden de onderzoekers een snelle vorming van zo’n filament realiseren met een laag energieverbruik, waardoor het apparaat met hoge snelheid en laag stroomverbruik kon werken. Bovendien vangen atomaire ringen in deze koolstoflagen afgeleid van kolen het filament om de reproduceerbare apparaatoperaties te verbeteren voor meer betrouwbaarheid van gegevensopslag.

Deze nieuwe apparaten tonen aan dat koolstoflagen afgeleid van kolenchar kunnen worden gebruikt in 2D‑apparaten. In de volgende stap zal de samenwerking zich richten op het ontwikkelen van een ‘fabricageproces voor koolstofisolatoren op basis van kolen’ dat op grote schaal kan worden toegepast.

De nieuwe aanpak benutten 

Terwijl de wereld zich afwendt van koolstof vanwege een toenemende focus op het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, kan het lopende onderzoek in de industrie om koolstof opnieuw te beoordelen verschillende sectoren, zoals halfgeleiderfabrikanten, in de toekomst laten profiteren van de nieuwe vormen ervan. Laten we dus een kijkje nemen bij enkele bedrijven die dergelijke benaderingen kunnen adopteren.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Dit is de grootste chipfabrikant ter wereld die de meest geavanceerde procestechnologieën in de sector gebruikt. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. staat bekend om het bedienen van de behoeften van vele hoogprofielklanten, waaronder NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) en Apple. Het producttoepassingsbereik van het bedrijf bestrijkt de brede elektrische industrie, en het breidt zich langzaam uit over de hele wereld met fabrieken verspreid over drie continenten.

Met een marktkapitalisatie van $530,26 miljard worden TSM‑aandelen momenteel verhandeld tegen $101,40, een daling van 1,69% sinds het begin van het jaar (YTD). Het bedrijf rapporteerde een omzet over de laatste twaalf maanden (TTM) van $69,84 miljard met een winst per aandeel (EPS, TTM) van 5,36, een koers‑winstverhouding (P/E, TTM) van 19,08 en een rendement op eigen vermogen (ROE, TTM) van 29,43%. Taiwan Semiconductor Manufacturing betaalt ook een dividendrendement van 1,88%.

#2. NVIDIA Corporation 

Dit bedrijf ontwikkelt hardware en software voor gaming, laptops, datacenters en apps en staat specifiek bekend om het creëren van grafische verwerkingseenheden (GPU’s) voor diverse toepassingen, waaronder games, cryptomining en AI.

Onlangs heeft Nvidia zijn nieuwe desktopgrafische processor, de GeForce RTX 40 SUPER Series, gepresenteerd voor videogame‑enthousiastelingen en om AI‑toepassingen lokaal uit te voeren. Nvidia breidt ook zijn bereik uit in de Chinese EV‑sector, aangezien het heeft aangekondigd dat vier Chinese EV‑merken hun technologie zullen gebruiken voor geautomatiseerde rij‑systemen.

Met een marktkapitalisatie van $1,29 biljoen worden NVDA‑aandelen momenteel verhandeld tegen $522,58, een stijging van 5,5% sinds het begin van het jaar (YTD). Het bedrijf rapporteerde een omzet over de laatste twaalf maanden (TTM) van $44,87 miljard met een winst per aandeel (EPS, TTM) van 7,57, een koers‑winstverhouding (P/E, TTM) van 68,99 en een rendement op eigen vermogen (ROE, TTM) van 69,17%. Nvidia betaalt ook een dividendrendement van 0,03%.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Deze CPU- en GPU‑ontwerper is een van de grootste chipbedrijven die onlangs de Ryzen 8000G‑serie aankondigde, met als vlaggenschip de Ryzen 7 8700G, waarvan AMD zegt dat deze de snelste geïntegreerde grafische accelerator bevat. Ondertussen richt de nieuwste GPU van Advanced Micro Devices (AMD ), de Radeon‑serie, zich op het lagere en middensegment van de gamer‑markt.

Met een marktkapitalisatie van $236,154 miljard worden AMD‑aandelen momenteel verhandeld tegen $145,21, een daling van 0,83% sinds het begin van het jaar (YTD). Het bedrijf rapporteerde een omzet over de laatste twaalf maanden (TTM) van $22,11 miljard met een winst per aandeel (EPS, TTM) van 0,13, een koers‑winstverhouding (P/E, TTM) van 1.152,84 en een rendement op eigen vermogen (ROE, TTM) van 0,38%.

Conclusie

Dus, zoals we kunnen zien, wordt de kolenindustrie getransformeerd door wetenschappers en onderzoekers die werken aan het onthullen van haar waarde en de rol die ze speelt door koolstofdruppels te creëren die enkele unieke eigenschappen vertonen die ze echt nuttig kunnen maken in de volgende generatie elektronische apparaten. Op deze manier kan de kolenindustrie de toekomst van elektronische technologieën vormgeven op een duurzame manier.