Alternative drivstoff – Hvordan lys kan hjelpe med å omforme karbondioksid

En av de største årsakene til klimaendringer er karbondioksid (CO2). En viktig drivhusgass, CO2, er resultatet av forbrenning av fossile brensler (som olje, kull og naturgass). Den forekommer også naturlig gjennom menneskelig pust, planteånding og vulkanske utbrudd.

Skogbranner er enda en fremtredende årsak til CO2-utslipp, med anslagsvis 2 170 millioner tonn sluppet ut i 2023 alene.

En ny studie har funnet at CO2-utslipp fra skogbranner faktisk har økt med hele 60 % globalt de siste 23 årene.

Ledet av University of East Anglia (UEA) grupperte studien verdensområder i ‘pyromes’, som er regioner hvor skogbrannmønstre påvirkes av lignende klimatiske, menneskelige og miljømessige faktorer.

Med dette undersøkte studien forskjellene mellom skogbranner og ikke‑skogsbranner, noe som avslører nøkkelfaktorene som driver de nylige økningene i skogbrannaktivitet. 

Ifølge studien nesten tredoblet CO2-utslippet fra branner i en av de største pyromes mellom 2001 og 2023. Disse pyromes, som dekker boreale skoger i Eurasia og Nord‑America, har noen av de mest klima‑sensitive nordlige boreale skogene.

Betydelige økninger har blitt observert bredere over de ekstratropiske skogene, og utgjør ytterligere en halv milliard tonn karbondioksid hvert år. Episkenteret for CO2-utslipp flytter også mot ekstratropene, bort fra tropiske skoger.

Økningen i utslipp har blitt knyttet til en økning i værforhold som er gunstige for brann, som varme og tørre forhold under hetebølger og tørke. Dessuten har økte vekstrater i skoger ført til mer vegetasjonsbrensel. Disse trendene støttes ytterligere av stigende temperaturer i de høye nordlige breddegradene, som skjer med dobbelt så høy hastighet som på globalt nivå. 

Ikke bare har det vært en betydelig økning i omfanget av skogbranner, men også deres alvorlighet har økt de siste to tiårene. 

Karbonforbrenningsraten, som måler brannens alvorlighet basert på karbon utslippet per enhet brent område, steg med opptil 50 % i skoger globalt i denne perioden. Ifølge hovedforfatter Dr Matthew Jones ved Tyndall Centre for Climate Change Research ved UEA:

«Økninger i både omfang og alvorlighet av skogbranner har ført til en dramatisk økning i mengden karbon som slippes ut av skogbranner globalt. Overraskende endringer i den globale geografien for branner er også i gang, og de forklares primært av de økende påvirkningene fra klimaendringer i verdens boreale skoger.»

Effekten av skogbranner på karbonsekvestreringsinnsats

Forskere fra hele verden samlet seg for den nye studien og advarte at for å hindre fortsatt vekst i skogbranner, må vi takle hovedårsakene til klimaendringer.

«For å beskytte kritiske skogøkosystemer mot den akselererende trusselen fra skogbranner, må vi holde global oppvarming i sjakk, og dette understreker hvorfor det er så viktig å gjøre raske fremskritt mot netto nullutslipp.»

– Dr. Jones, en NERC uavhengig forskningsstipendiat

Skogene selv spiller en avgjørende rolle i å nå internasjonale klimamål. De hjelper tross alt med å fjerne CO2 fra atmosfæren ved å fungere som karbonlagre.

Måten det fungerer på er at skoger absorberer karbondioksid fra atmosfæren og lagrer det i form av biomasse, dødt tre, løv og jord, noe som kalles karbonsekvestrering, og det reduserer hastigheten på global oppvarming. 

Dermed har regjeringer over hele verden innført reforestrerings‑ og afforestingsprogrammer for å kompensere for menneskelige CO2‑utslipp, spesielt fra sektorer som luftfart og enkelte andre industrier. Suksessen til disse programmene avhenger imidlertid av permanent karbonlagring i skoger, som trues av skogbranner.  

Med ekstratropiske branner som allerede slipper ut en halv milliard tonn mer CO2 enn i 2001, og den langsiktige effekten avhenger av skogenes gjenoppretting, gjør mer utbredte og alvorlige skogbranner utslippene ubalanserte i forhold til karbonet som fanges opp ved gjenoppretting etter brann. Dr. Jones sa:

«Den bratte trenden mot økte ekstratropiske skogbrannutslipp er en advarsel om den økende sårbarheten til skoger, og den utgjør en betydelig utfordring for globale mål om å takle klimaendringer.»

Han uttalte videre at etter alvorlige branner er skoger kjent for å komme dårlig tilbake. Derfor må vi følge nøye med på hvordan økningen i brannalvorlighet vil påvirke skogens karbonlagring i de kommende årene. 

Midt i alt dette har brenning av tropiske, brannutsatte savanner blitt redusert, med tidligere studier som viser at siden 2001 har området som brennes av både skog‑ og ikke‑skogbranner falt med en fjerdedel globalt. 

Mot denne bakgrunnen av redusert brenning i gressletter og savanner viser studien, ifølge forfatterne, at branner fortsetter å oppstå i økende grad der de ikke burde, dvs. at skoger har maskert den økende omfanget og alvorligheten av skogbranner. Dette utgjør «den største trusselen mot mennesker og til vitale karbonlagre», sa Dr. Jones.

Disse nye observasjonene ble avdekket med hjelp av maskinlæring, som ble brukt til å gruppere skogøkoregioner i 12 forskjellige pyromes. Som vi nylig delte, blir AI‑modeller brukt i stor grad til å oppdage skogbranner tidlig. Det enorme potensialet til AI og maskinlæring blir ytterligere styrket av den voksende databasen for brannforekomster.  

I den nye studien gjorde bruk av AI for gruppering det mulig for forskere å isolere klimaendringseffektene fra andre faktorer som vegetasjonsproduktivitet og arealbruk. Dessuten er forståelse av hva som forårsaker branner i disse ulike pyromes viktig for å utvikle effektive strategier for å forutsi og dempe skogbranner og beskytte skoger.

«Betydelige finansieringer er nødvendig for å støtte strategiske programmer for skogforvaltning, interessentengasjement og offentlig utdanning, som alle representerer et meningsfullt skifte i brannforvaltningsstrategi fra i stor grad reaktiv til stadig mer proaktiv.»

– Dr. Jones

En ny front: Å omdanne CO2 til verdifulle produkter

I tillegg til karbonsekvestrering er en annen måte å dempe de negative effektene av CO2 på miljøet ved å omdanne det til verdifulle produkter.

Dette inkluderer å konvertere CO2 til karbonnanofibre, som kan brukes til å styrke byggematerialer, kombinere det med hydrogen for å produsere drivstoff som metan, metanol, bensin og luftfartsdrivstoff, samt omdanne CO2 til kjemikalier og andre produkter som farmasøytiske produkter, mattilsetningsstoffer og dufter. 

En ny studie forbedret denne konverteringen av CO2 til verdifulle produkter ved å kombinere synlig lys og elektrokjemi.

Mens de gjorde dette, gjorde teamet en overraskende oppdagelse at synlig lys betydelig forbedret selektiviteten, som er en viktig kjemisk egenskap. Denne oppdagelsen åpner nye veier for CO2‑konvertering samt mange andre kjemiske reaksjoner som brukes i katalysere forskning og kjemisk produksjon. 

Å omdanne CO2 til en energibærer i stedet for avfall eller utslipp gjennom resirkulering er en flott måte å redusere klimaendringer på. Her blir karbondioksid omdannet til drivstoff, kjemikalier, materialer og termisk energi. 

Noen måter CO2 resirkuleres på inkluderer kunstig fotosyntese, en prosess der solenergi utnyttes til å syntetisere kjemikalier ved å bruke CO2 som råmateriale. Deretter finnes elektrokjemisk konvertering, hvor elektrisitet brukes til å omdanne CO2 til kjemikalier som etanol, eddiksyre eller format. 

Den nye studien benyttet elektrokjemisk reduksjon for å resirkulere karbondioksid til verdifulle produkter. I denne prosessen forklarte Prashant Jain, en kjemiprofessor ved University of Illinois Urbana‑Champaign, at en strøm av CO2‑gass passerer gjennom en elektrolysecelle som bryter ned karbondioksid og vann til giftig karbonmonoksid (CO) og hydrogen. Disse nye gassene kan deretter brukes til å lage nye hydrokarbonprodukter.

Jain påpeker imidlertid at denne reaksjonen er ganske treg, og vi trenger store elektroder for denne prosessen. Disse elektrodene inneholder mye dyrt katalysatormateriale som kobber eller gull eller kobber.

Gitt disse hindringene, gikk Jan, sammen med sin tidligere doktorgradsstudent Francis Alcorn, videre for å finne måter å fremskynde prosessen som ville kreve mindre katalysatormateriale, og dermed «gjør det til et mer levedyktig alternativ for bransjen for alternative drivstoff».

Bruk av synlig lys for å øke CO2‑konverteringseffektiviteten

Under den nye metoden kombinerte teamet synlig lys med elektroder som er dekket med ekstremt små partikler av gull‑kobber legering. Dette gjør det mulig å redusere CO2 med økt hastighet og mer kontrollert selektivitet sammenlignet med konvensjonelle metoder. 

Jain forklarte at:

«(De nye elektrodene) fungerer som små antenner som søker etter fotoner i det synlige lysspekteret og kobler dem til den kjemiske reaksjonsveien.»

For å forbedre ledningsevnen til disse elektrodene, dyppet teamet dem i en løsning av vann, CO2 og en elektrolytt. De påførte deretter en spenning over elektroden mens overflaten ble belyst med en synlig lyslaser.

Dette resulterte i en reaksjon som raskt produserer hydrogen ved å splitte vannmolekyler og karbonmonoksid, som kommer fra splitting av karbondioksid.

Mens teamet var «svært begeistret» over å se spranget i produktivitet ved bruk av synlig lys, var det som ikke var forventet at synlig lys hadde så stor innvirkning på kjemisk selektivitet — noe Jain sa «er den viktige fremgangen her». 

Hva er denne selektiviteten her? Vel, i katalyse er kjemisk selektivitet en kjemisk reaksjons evne til å foretrekke en type molekyl eller vei fremfor en annen. 

I denne spesifikke studien ble en vannsplittingsreaksjon som danner hydrogengass funnet å bli selektivt forbedret ved bruk av lys. Jain sa:

«Resultatene antyder at synlig lys gir en unik mulighet til å justere forholdet mellom karbonmonoksid og hydrogengass som produseres, en avgjørende faktor for industriell produksjon av syntetisk gass. Denne funn åpner veien for en mer bærekraftig og effektiv energifremtid.»

Det professoren bemerket er at bruk av lys for å forbedre kjemiske reaksjoner ikke er uten kontrovers, gitt at lys også medfører varme. Så dette krevde at teamet utførte kontrollforsøk og foretok nøye målinger for å avgjøre om det var lysets oppvarmingseffekt som forårsaket raskere reaksjonshastigheter og selektivitet.

Hva teamet gjorde for å fastslå dette var at de utførte eksperimenter med laser og uten den ved nøyaktig samme temperatur som ble produsert av lys‑eksitasjon. Dette hjalp dem med å utelukke oppvarming som den ansvarlige faktoren.

Teamet fant at det faktisk var elektriske felt og rettet ladningsstrøm skapt av lys‑eksitasjon som var ansvarlig for økningen i produktivitet og forbedret selektivitet ved vannsplitting.

Nå, fremover, har teamet fortsatt utfordringer å overvinne. Dette inkluderer gjentatt bruk av elektrodebaserte nanopartikler, som vil føre til nedbrytning over tid, spesielt når metoden skaleres for industriell anvendelse.

Teamet må også gjøre videre forskning og forbedre den samlede energieffektiviteten i prosessen og lysstyringen.

«(Generelt) det vi fant med denne studien presenterer helt nye måter å tenke på innen elektrokjemi og katalyse.»

– Jain

Etter alt, har bruken av lys forbedret katalysatorens aktivitet, men viktigere og overraskende, har det gjort det mulig å endre selektiviteten, noe som vil åpne nye kjemiske veier som lager forskjellige produkter. Dette betyr at CO2‑reduksjon eller vannsplitting bare er begynnelsen; metoden kan også brukes på mange andre katalytiske reaksjoner som er viktige for den kjemiske industrien.

Selskaper involvert i CO2‑reduksjon og -konvertering

Den økende alvorligheten og ødeleggelsen forårsaket av skogbranner har ført til fremskritt innen brannbeskyttelsesmetoder, som heat‑activatable biomimetic hydrogels. Imidlertid er det også en økende interesse for å redusere og omforme CO2‑utslipp. Denne omformingen innebærer å transformere karbondioksid, en hovedbidragsyter til klimaendringer, til nyttige produkter som drivstoff, kjemikalier og byggematerialer. 

Selskaper i frontlinjen av disse innsatsene kombinerer banebrytende teknologier for å takle de miljømessige og økonomiske utfordringene som CO2‑utslipp medfører.

Dette inkluderer Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), og Occidental Petroleum (OXY ). Mens Chevron investerer i karbonfangst teknologier, er FuelCell Energy fokusert på ren energiløsninger, og Occidental er involvert i direkte luftfangst (DAC)‑teknologi for å fjerne CO2 fra atmosfæren og konvertere det til brukbare produkter.

Air Products and Chemicals (APD ) er en annen som er involvert i hydrogenproduksjon og CO2‑konverteringsteknologier. Med en markedsverdi på $73.44 billion, handles APD‑aksjene for øyeblikket til $330.37, opp 20.66% YTD.

La oss nå se nærmere på en annen stor aktør innen karbonfangst:

ExxonMobil (XOM )

Dette amerikanske multinasjonale olje‑ og gasselskapet, som er den største direkte etterfølger av John D. Rockefellers Standard Oil, har en økende interesse for karbonfangst, -utnyttelse og -lagring (CCUS)‑teknologier for å redusere CO2‑utslipp.

ExxonMobils CCS‑nettverk involverer driften av den største 1 500 mile‑lange CO2‑pipelinen i USA. Det har også flere strategisk plasserte lagringssteder langs USAs Gulfkyst.

Gjennom ExxonMobil Low Carbon Solutions spiller selskapet en viktig rolle i å skalere opp karbonfangst‑ og lagringsteknologi. Det har en nåværende fangstkapasitet på 9 millioner tonn per år, en samlet fangst på 120 millioner tonn til dags dato, og står for omtrent 40 % av all menneskeskapt CO2 som er fanget, ifølge tall fra ExxonMobils offisielle nettside.

Selskapet har samarbeidet med Mitsubishi Heavy Industries (MHI) for å muliggjøre omfattende ende‑til‑ende‑løsninger for CO2‑fangst etter forbrenning. Løsningen gir komplette karbonfangst‑, transport‑ og lagringsløsninger.

Selskapet er også kjører et pilotprosjekt for å bruke gass, som ellers ville blitt brent av på grunn av mangel på rørledninger, fra sine oljebrønner i North Dakota til å drive Bitcoin‑miningsoperatører. For dette har ExxonMobil inngått partnerskap med Crusoe Energy Systems, som utnytter avfallsenergiressurser for å ta gass fra oljebrønnene og drive mobile generatorer brukt i Bitcoin‑mining. Selskapet forventer at deres utslippsreduksjonsplaner vil oppnå Verdensbankens Zero Routine Flaring innen 2030.

På tidspunktet for skrivingen har aksjene handlet til $119.94, etter en prisøkning på 20.72% så langt i år. Dette gir ExxonMobils markedsverdi på $536.2 billion while having an EPS (TTM) of 8.34, P/E (TTM) of 14.47, and a dividend yield of 3.15%.

For Q2 2024 rapporterte inntekter på $9.2 billion, noe som det sa viser de «differensierte styrkene i ExxonMobils portefølje og dens forbedrede inntjeningskraft». Det utvidet også sitt verdiforslag ved å styrke lederskapet innen karbonfangst og -lagring (CCS) med en ny avtale som økte total kontraktert CO2‑tilførsel til 5.5 millioner tonn per år. Dette er, ifølge ExxonMobil, mer «forpliktet volum enn noe annet selskap har kunngjort». Dens finansresultater for tredje kvartal 2024 vil bli publisert 1. november.

Konklusjon

Med milliarder av tonn CO2 sluppet ut i atmosfæren hvert år, fører dette ikke bare til klimaendringer, som gir mer ekstreme værhendelser, men også til helsefarer og havforsuring som truer marint liv og korallrev.

Etter hvert som klimakrisen intensiveres, har det blitt kritisk at vi takler det alvorlige problemet med økende CO2‑utslipp for å redusere global oppvarming og dens katastrofale konsekvenser. Skogbranner, drevet av klimaendringer, slipper ut enestående mengder karbondioksid, noe som ytterligere akselererer problemet. Selv om reforestrerings‑ og afforestingsprogrammer er avgjørende for å kompensere utslipp, er trusselen fra skogbranner stor, noe som gjør proaktive brannforvaltningsstrategier nødvendige.

Innovative løsninger, som elektrokjemisk reduksjon av CO2 og bruk av synlig lys for å forbedre katalytiske reaksjoner, tilbyr lovende muligheter for å omforme skadelige karbonutslipp til verdifulle produkter som syntetisk drivstoff og industrielle kjemikalier.

Disse fremskrittene, selv om de fortsatt er under utvikling, representerer potensialet til å dempe klimaendringer ved å transformere CO2 fra et globalt forurensningsmiddel til en ressurs for fremtiden. Etter hvert som selskaper fortsetter å investere i karbonfangstteknologier og alternative drivstoff, kommer vi nærmere en bærekraftig løsning som kan omforme energilandskapet.

Klikk her for å lære hvilken som er bedre for å takle atmosfærisk CO2: forebygging eller kur.