Omdefinere kullindustrien gjennom karbonprikker

I desember 2023 ble 198 signaturland på konferansen for partene (COP) samlet enige om at verden må «overgang» bort fra fossile brensler som kull på en «rettferdig, ordnet og rettferdig måte» for å kutte klimagassutslippene til nesten null innen 2050. Det finnes imidlertid ingen tidslinjer ennå, så fossile brensler vil fortsatt være grunnpilaren i økonomier overalt i årene som kommer.

Kull er verdens mest dominerende og mest karbonintensive energikilde. Fire hovedtyper av kull inkluderer:

(i) Antracit
(ii) Bituminøst
(iii) Subbituminøst
(iv) Lignitt

Dette fossile brenselet utgjør mer enn 37% av den globale elektrisitetsforsyningen, og spiller en grunnleggende rolle i å forsyne hjem og industri og lindre verdens energifattigdom. Selv i dag lever omtrent 860 millioner mennesker over hele verden uten tilgang til elektrisitet. Som sådan er moderne liv rett og slett uforståelig uten kull.

Global kullbruk nådde faktisk en rekordhøyde i 2023 da etterspørselen etter det fossile brenselet økte med 1,4 % i løpet av året og for første gang oversteg 8,5 milliarder tonn, rapporterte International Energy Agency (IEA). Det globale forbruket forventes å holde seg godt over 8 milliarder tonn i 2026.

Kull er en essensiell ressurs for å takle utfordringen med raskt økende energiforbruk fordi det er betydelig billigere og mer tilgjengelig enn andre fossile brensler. I motsetning til olje og gass finnes det i overflod over hele verden.

Det som er med kull er at det ikke krever høytrykksrørledninger, kostbar bearbeiding eller dyr beskyttelse under transport, noe som gjør det enklere å lagre og transportere enn andre svært brannfarlige fossile brensler. I tillegg trenger kull kun å bli utvunnet før bruk, i motsetning til andre fossile brensler som krever en langvarig og kostbar raffineringsprosess. 

Ikke å nevne at kullreserver er mye mer jevnt fordelt rundt planeten. Per januar 2020 har USA de verdens største kullreserver, som utgjør nesten 90 % av alle fossile brenselreserver, med et estimat på 250 milliarder tonn.

I tillegg til å være billigere og tilgjengelig, er kull også svært allsidig og kan brukes i en rekke prosesser. Kull brukes primært til kraftproduksjon over hele verden og er faktisk en rimelig energiform, med elektrisitet generert fra kull som er billigere enn elektrisitet fra andre kilder. 

Selv i USA brukes kull til å produsere elektrisitet ved å brenne det fossile brenselet i kraftverk. Den resulterende varmen brukes til å omdanne vann til høytrykksdamp, som driver en turbin som så produserer elektrisitet. I 2019 ble omtrent 23 % av all elektrisitet i USA generert av kullkraftverk, ifølge US Energy (BSIN ) Information Administration.

Dette fossile brenselet brukes også til produksjon av stål og betong og er en kjernekomponent i jernproduksjon, samt andre metaller som aluminium og kobber. Kull og dets biprodukter brukes videre i vannfiltre og luftrensingssystemer, i bygging av fly og biler, i medisiner, og i kjemiske prosesser for å ekstrahere sjeldne jordarter.

Deretter finnes det gassifiserings- og flytende bruksområder for kull, med flertallet av kull‑til‑gass‑prosjekter lokalisert i USA og Kina, samt noen få i Australia, Canada, India, Sør‑Afrika og Indonesia. I tillegg til å produsere kjemiske byggesteiner som ammoniakk, metanol og ureum, brukes kull også i papir-, tekstil- og glassindustrien. Sammen med produksjon av karbonfiber gir det ingredienser som silisiummetaller, som brukes til å lage komponenter for personlig pleie og husholdningssektoren.

Til tross for kulls overflod, prisgunstighet og pålitelighet, står industrien overfor utfordringer i form av å utvikle teknologier og veier mot nullutslipp, som er identifisert som en faktor i klimaendringer.

Klikk her for å lære om forebygging eller behandling er veien til å takle atmosfærisk CO2.

Revurdere kullens økonomiske rolle

Etter hvert som land over hele verden forplikter seg til å gå over til andre energiproduksjonsmidler på grunn av deres bidrag til klimaendringer, ser forskere og vitenskapsfolk på andre måter å utnytte kull på.

For å revurdere det fossile brenselens økonomiske rolle, samlet Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign og Oak Ridge National Laboratory seg for en felles forskningsinnsats og demonstrerte den kritiske rollen kull kan spille i neste generasjons elektroniske enheter.

I de siste årene har det blitt gjort mye forskning innen 2D‑materialer på grunn av deres elektriske, optiske og mekaniske egenskaper. Syntesen av en rekke atomisk tynne 2D‑materialer åpner en ny plattform for lag‑for‑lag‑materialer som gjør det mulig å utforske ukjente egenskaper, og lover en rekke nye teknologier. 

2D‑lagdelte halvledere har egenskaper som høy mobilitet, lav‑effekt‑bytting, relativt stor båndgap, og tilgjengelighet av store‑område vekstmetoder, noe som gjør dem til lovende kandidater for neste generasjons elektronikk. Nå eksperimenteres det med kull for bruk i slik elektronikk.

“Kull blir vanligvis sett på som noe klumpete og skittent, men bearbeidingsteknikkene vi har utviklet kan omdanne det til høy‑renhetsmaterialer som bare er noen få atomer tykke.” 

– sa Qing Cao, en professor i materialvitenskap & ingeniørfag ved U. of I. som var med på å lede innsatsen. 

Han bemerket også:

“Deres unike atomstrukturer og egenskaper er ideelle for å lage noen av de minste mulige elektronikkene med ytelse som overgår dagens standard.”

Under dette samarbeidet utviklet forskerne en prosess som konverterte kullkull til ekstremt små karbonskiver, som kalles «karbonprikker». 

Som vist av forskergruppen kan disse nanoskalaskarbonskivene kobles sammen for å lage atomisk tynne membraner. Disse membranene kan brukes i teknologier som todimensjonale (2D) transistorer og memristorer. Ifølge forskerne vil disse teknologiene være kritiske for å bygge mer effektive elektroniske enheter. 

Mens karbonbaserte materialer, enten det er tradisjonell industriell karbon som karbon svart eller ny industriell karbon som grafitt og karbonfiber, spiller betydelige roller i utviklingen av materialvitenskap, kan makroskopisk karbonmateriale egentlig ikke brukes som et effektivt fluorescerende materiale på grunn av mangel på passende båndgap. Dette er hvor karbonprikker (CDs) har dukket opp som en lovende løsning.

Karbonprikker eller CDs er en ny type karbonbasert nanomateriale som har fått mye oppmerksomhet og forskningsinteresse på grunn av sine mangfoldige fysikokjemiske egenskaper. Karbonprikker er nøye formulert og er vanligvis mindre enn 10 nm i størrelse. Dette karbonbaserte nanomaterialet har egenskaper som liten størrelse, miljøvennlighet, lav kostnad, lav toksisitet, høy stabilitet, god biokompatibilitet, elektronmobilitet, høy kvanteutbytte, rikelige funksjonelle grupper og unike optiske egenskaper, inkludert sterk absorpsjon, fotoluminescens og fosforescens.

Alle disse egenskapene gjør dette nye materialet i karbonfamilien så populært og har mange anvendelser. Dette inkluderer:

• Sensorer
• Informasjonskryptering
• Fotokatalyse
• Lysdioder
• Kjemisk sensing
• Solceller
• Superkondensatorer
• Oppladbare batterier
• Bioavbildning
• Fototerapi
• Genlevering
• Legemiddellevering
• Eksplosivdeteksjon
• Nanomedisin
• Mattrygghet
• Antifalsk

Lær hvordan metan kan være nøkkelen til å nå klimamålene.

Kull vil spille en viktig rolle i neste generasjons elektronikk 

Forskere og vitenskapsfolk over hele verden har arbeidet med å lage mindre, raskere og mer avansert elektronikk. Dette betyr at enheter laget med materialer som er kun én eller to atomer tykke fungerer mye raskere og bruker langt mindre energi. 

Mot disse enhetene har det blitt gjort mange studier om ultratynne halvledere, men nå trengs omfattende forskning på atomisk tynne isolatorer for å konstruere fungerende elektroniske enheter som transistorer og memristorer.

Når det gjelder materialer, deles de inn i ledere, halvledere og isolatorer basert på deres evne til å lede elektrisk strøm. Materialer som kobber, messing, stål, gull og aluminium som lett leder elektrisitet på grunn av lav elektrisk resistivitet kalles ledere. 

Isolatorer er materialer som glass, luft, tre, plast og gummi, som ikke lett leder elektrisitet. Samtidig har materialer som silisium (Si), germanium (Ge) og selen (Se), samt forbindelser som galliumarsenid (GaAs) og indiumantimonid (InSb), en elektrisk ledningsevne som ligger mellom en leder og en isolator.

Motstanden i en halvleder synker når temperaturen stiger, mens ledningsevnen i en halvleder øker når temperaturen øker.

Isolatorer har et bredt spekter av anvendelser, inkludert veggisolasjon for å regulere varmestrømmen, ovnsisolasjon for termiske og dielektriske barrierer, lydisolasjon for å forhindre forstyrrelser, og elektrisk isolasjon i husholdningskretser og kondensatorer i kommersielle og forbrukerprodukter. Halvledere er også overalt rundt oss, som små transistorer som finnes i nesten alle enheter vi bruker og solceller i solpaneler som omdanner sollys til elektrisitet.

I isolatorer er energigapet mellom valens- og ledningsbåndet svært stort (ca. 15 eV), mens i en halvleder er dette gapet svært lite (ca. 1 eV). 

Ifølge den siste studien kan atomisk tynne lag av karbon med uordnede atomstrukturer fungere som en utmerket isolator for å konstruere 2D‑enheter, som teamet laget fra kullkull‑avledede karbonprikker.

For å demonstrere potensialet til kull‑avledede karbonlag, brukte forskerne dem som gate‑dielektrikum i 2D‑transistorer. Bygget på halvlederen molybden disulfid, skapte teamet en enhet med en driftshastighet over to ganger raskere med lavere energiforbruk. 

Disse kull‑avledede karbonlagene har ikke «hengende bindinger», som er rikelig på overflaten av konvensjonelle 3D‑isolatorer. Ved effektivt å fungere som «feller», endrer de 3D‑isolatorers elektriske egenskaper, og bremser transporten av mobile ladninger, noe som påvirker transistorens brytes hastighet.

Imidlertid er de nye kull‑avledede karbonlagene, i motsetning til andre atomisk tynne materialer, amorfe, og uønskede elektriske strømmer flyter gjennom isolatoren, noe som fører til betydelig ekstra strømforbruk under enhetsdrift. Mr Qing Cao sa:

“Det er virkelig spennende, fordi dette er første gang kull, noe vi vanligvis ser på som lavteknologisk, har blitt direkte knyttet til spissen av mikroelektronikk.” 

En annen anvendelse demonstrert av forskerne er memristorer, elektroniske komponenter som kan lagre og behandle data, og som betydelig forbedrer implementeringen av kunstig intelligens (AI). Disse enhetene lagrer og representerer data ved å modulere et ledende filament.

Ved å bruke karbonlag som er ultratynne som isolator, klarte forskerne å oppnå rask dannelse av slikt filament med lavt energiforbruk, noe som gjorde at enheten kunne operere med høy hastighet og lav effekt. I tillegg fanger atomstørrelses‑ringer i disse kull‑avledede karbonlagene filamentet for å forbedre reproduserbare enhetsoperasjoner for større pålitelighet i datalagring.

Disse nye enhetene demonstrerer at kullkull‑avledede karbonlag kan brukes i 2D‑enheter. I neste steg vil samarbeidet gå videre mot å utvikle en «fremstillingsprosess for kull‑baserte karbonisolatorer» som kan anvendes i stor skala.

Utnytte den nye tilnærmingen 

Mens verden går bort fra karbon på grunn av økt fokus på å kutte klimagassutslipp, kan den pågående forskningen i industrien for å revurdere karbon se ulike industrier, som halvlederprodusenter, utnytte dets nye former i fremtiden. Så la oss se på noen av selskapene som kan adoptere slike tilnærminger.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Dette er verdens største chipprodusent som bruker de mest avanserte prosess‑teknologiene i bransjen. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. er kjent for å betjene behovene til mange høyprofilerte kunder, inkludert NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) og Apple. Selskapets produktapplikasjonsområde dekker den brede elektriske industrien, og det har gradvis ekspandert over hele verden med fabrikker spredt over tre kontinenter.

Med en markedsverdi på 530,26 milliarder dollar, handles TSM-aksjer for øyeblikket til 101,40 $, ned 1,69 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet rapporterte en omsetning for de siste tolv månedene (TTM) på 69,84 milliarder dollar, med EPS (TTM) på 5,36, P/E (TTM) på 19,08, og ROE (TTM) på 29,43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing betaler også en utbytteavkastning på 1,88 %.

#2. NVIDIA Corporation 

Dette selskapet utvikler maskinvare og programvare for spill, bærbare datamaskiner, datasentre og apper, og er spesielt kjent for å lage grafikkprosessorer (GPUer) for en rekke anvendelser, inkludert spill, kryptomining og AI.

Nylig avduket Nvidia sin nye stasjonære grafikkprosessor, GeForce RTX 40 SUPER Series, for videospillentusiaster samt for å kjøre AI‑applikasjoner lokalt. Nvidia utvider også sin tilstedeværelse i Kinas elbil‑sektor etter å ha kunngjort at fire kinesiske elbil‑merker vil bruke deres teknologi for automatiserte kjøresystemer.

Med en markedsverdi på 1,29 billion dollar, handles NVDA-aksjer for øyeblikket til 522,58 $, opp 5,5 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet rapporterte en omsetning for de siste tolv månedene (TTM) på 44,87 milliarder dollar, med EPS (TTM) på 7,57, P/E (TTM) på 68,99, og ROE (TTM) på 69,17 %. Nvidia betaler også en utbytteavkastning på 0,03 %.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Denne CPU‑ og GPU‑designeren er et av de største chip‑selskapene som nylig kunngjorde Ryzen 8000G‑serien, ledet av Ryzen 7 8700G, som AMD sier har den raskeste integrerte grafikkakseleratoren. Samtidig retter Advanced Micro Devices’ (AMD ) nyeste GPU, Radeon‑serien, seg mot den lavere og mellomste delen av gamer‑markedet.

Med en markedsverdi på 236,154 milliarder dollar, handles AMD‑aksjer for øyeblikket til 145,21 $, ned 0,83 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet rapporterte en omsetning for de siste tolv månedene (TTM) på 22,11 milliarder dollar, med EPS (TTM) på 0,13, P/E (TTM) på 1 152,84, og ROE (TTM) på 0,38 %.

Konklusjon

Så, som vi kan se, blir kullindustrien transformert med forskere og forskere som arbeider med å avdekke dens verdi og rollen den spiller ved å lage karbonprikker som viser noen unike egenskaper som kan gjøre dem virkelig nyttige i neste generasjons elektroniske enheter. På denne måten kan kullindustrien bidra til å forme fremtiden for elektronisk teknologi på en bærekraftig måte.