Energi
Alternativa bränslen – hur ljus kan hjälpa till att återanvända koldioxid
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
En av de största orsakerna till klimatförändringarna är koldioxid (CO2). En viktig växthusgas, CO2, är resultatet av förbränning av fossila bränslen (såsom olja, kol och naturgas). Den förekommer också naturligt genom mänsklig andning, växters respiration och vulkanutbrott.
Skogsbränder är ytterligare en framträdande källa till CO2-utsläpp, med uppskattningsvis 2 170 miljoner ton som släpptes år 2023.
En ny studie har funnit att CO2-utsläppen från skogsbränder faktiskt har ökat med hela 60 % globalt under de senaste 23 åren.
Studien, ledd av University of East Anglia (UEA), delade in världens områden i så kallade ‘pyromes’, vilket är regioner där skogsbrandmönster påverkas av liknande klimatmässiga, mänskliga och miljömässiga faktorer.
Med detta undersökte studien skillnaderna mellan skogs- och icke-skogsbränder, vilket avslöjar de viktigaste faktorerna bakom den senaste ökningen av skogsbrandaktivitet.
Enligt studien har CO2-utsläppen från bränder i en av de största pyromes nästan tredubblats mellan 2001 och 2023. Dessa pyromes, som omfattar boreala skogar i Eurasien och Nordamerika, innehåller några av de mest klimatkänsliga norra boreala skogarna.
Betydande ökningar har observerats mer generellt i de extratropiska skogarna, vilket motsvarar ytterligare en halv miljard ton koldioxid varje år. Epicentrum för CO2-utsläppen förflyttar sig också mot de extratropiska områdena, bort från tropiska skogar.
Ökningen av utsläppen har förknippats med ett ökat förekomst av väder som gynnar bränder, såsom varma och torra förhållanden under värmeböljor och torkperioder. Dessutom har ökade tillväxttakten i skogarna lett till mer växtlighet som bränsle. Dessa trender stöds ytterligare av stigande temperaturer i de höga norra latituderna, som sker i dubbelt så hög takt som på global nivå.
Inte bara har omfattningen av skogsbränder ökat avsevärt, utan även deras allvar har ökat under de senaste två decennierna.
Koldioxidförbränningsgraden, som mäter brandens allvar baserat på mängden kol som släpps ut per enhet bränt område, ökade med upp till 50 % i skogar globalt under denna period.
“Ökningar både i omfattning och allvar av skogsbränder har lett till en dramatisk ökning av mängden kol som släpps ut av skogsbränder globalt. Anmärkningsvärda förändringar i den globala brandgeografin pågår också, och de förklaras främst av de ökande effekterna av klimatförändringarna i världens boreala skogar.”
Skogsbrändernas påverkan på koldioxidbindningsinsatserna
Forskare från hela världen samlades för den nya studien och varnade för att för att förhindra den fortsatta ökningen av skogsbränder måste vi ta itu med de främsta orsakerna till klimatförändringarna.
“För att skydda kritiska skogsekosystem från det ökande hotet från skogsbränder måste vi hålla den globala uppvärmningen i schack, och detta understryker varför det är så viktigt att snabbt göra framsteg mot nettonollutsläpp.”
– Dr. Jones, en NERC Independent Research Fellow
Skogarna själva spelar en avgörande roll för att nå internationella klimatmål. De hjälper nämligen till att avlägsna CO2 från atmosfären genom att fungera som kolsänkor.
Det fungerar så att skogar absorberar koldioxid från atmosfären och lagrar den i form av biomassa, dött trä, lövverk och jord, vilket kallas koldioxidbindning, och det minskar den globala uppvärmningstakten.
Därför har regeringar världen över infört återplanterings- och nyplanteringsprogram för att kompensera mänskliga CO2-utsläpp, särskilt från sektorer som flyg och vissa andra industrier. Framgången för dessa program beror dock på permanent kol lagring i skogarna, vilka hotas av skogsbränder.
Med de extratropiska bränderna som redan släpper ut en halv miljard ton mer CO2 än år 2001 och den långsiktiga effekten som beror på skogarnas återhämtning, gör mer omfattande och allvarliga skogsbränder utsläppen obalanserade i förhållande till det kol som fångas upp av återhämtning efter brand. Dr. Jones sade:
“Den branta trenden mot ökade extratropiska skogsbrandutsläpp är en varning om skogarnas växande sårbarhet, och den utgör en betydande utmaning för globala mål att bekämpa klimatförändringarna.”
Han påpekade vidare att efter allvarliga bränder är det känt att skogar återhämtar sig dåligt. Därför måste vi noggrant följa hur ökningen av brandens allvar kommer att påverka skogarnas kolinlagring under de kommande åren.
Mitt i allt detta har förbränningen av tropiska brandbenägna savanner minskat, med tidigare studier som visar att sedan 2001 har det område som bränts av både skogs- och icke‑skogsbränder minskat med en fjärdedel globalt.
Mot bakgrund av minskad förbränning i gräsmarker och savanner visar studien, enligt dess författare, att bränder fortsätter att inträffa i ökande grad där de inte bör, dvs. skogarna har maskerat den ökande omfattningen och allvaret av skogsbränder. Detta utgör ”det största hotet mot människor och vitala kolreserver”, sade Dr. Jones.
Dessa nya observationer möjliggjordes med hjälp av maskininlärning, som användes för att gruppera skogsekoregioner i 12 olika pyromes. Som vi nyligen delade är AI‑modeller i hög grad använda för att tidigt upptäcka skogsbränder. Den enorma potentialen hos AI och maskininlärning förstärks ytterligare av den växande databasen över brandhändelser.
I den nya studien gjorde användningen av AI för gruppering det möjligt för forskare att isolera klimatförändringarnas effekter från andra faktorer som växtproduktivitet och markanvändning. Dessutom är förståelsen av vad som orsakar bränder i dessa olika pyromes viktig för att utveckla effektiva strategier för att förutsäga och mildra skogsbränder samt skydda skogarna.
“Betydande finansiering krävs för att stödja strategiska program för skogsförvaltning, intressentengagemang och allmän utbildning, vilka alla representerar ett meningsfullt skifte i brandhanteringsstrategin från i huvudsak reaktiv till alltmer proaktiv.”
– Dr. Jones
En ny front: omvandla CO2 till värdefulla produkter
Förutom koldioxidbindning är ett annat sätt att mildra CO2:s negativa effekter på miljön att omvandla den till värdefulla produkter.
Detta inkluderar att omvandla CO2 till kolnanofibrer, som kan användas för att stärka byggmaterial, kombinera den med väte för att producera bränslen som metan, metanol, bensin och flygbränslen, samt omvandla CO2 till kemikalier och andra produkter såsom läkemedel, livsmedelstillsatser och dofter.
En ny studie förbättrade denna omvandling av CO2 till värdefulla produkter genom att kombinera synligt ljus och elektrokemi.
Under processen gjorde teamet en överraskande upptäckt att synligt ljus avsevärt förbättrade selektiviteten, vilket är en viktig kemisk egenskap. Denna upptäckt öppnar nya vägar för CO2‑omvandling samt många andra kemiska reaktioner som används i katalysforskning och kemisk tillverkning.
Att omvandla CO2 till en energibärare istället för avfall eller utsläpp genom återvinning är ett utmärkt sätt att minska klimatförändringarna. Här omvandlas koldioxid till bränslen, kemikalier, material och termisk energi.
Några sätt som CO2 återvinns på inkluderar artificiell fotosyntes, en process där solenergi utnyttjas för att syntetisera kemikalier med CO2 som råmaterial. Därefter finns elektrolytisk omvandling, där elektricitet används för att omvandla CO2 till kemikalier som etanol, ättiksyra eller myrsyra.
Den nya studien använde elektrolytisk reduktion för att återvinna koldioxid till värdefulla produkter. I denna process förklarade Prashant Jain, en kemiprofessor vid University of Illinois Urbana‑Champaign, att en ström av CO2‑gas passerar genom en elektrolyscell som bryter ner koldioxid och vatten till giftigt kolmonoxid (CO) och väte. Dessa nya gaser kan sedan utnyttjas för att skapa nya kolväteprodukter.
Jain påpekar dock att denna reaktion är ganska trög, och vi behöver stora elektroder för processen. Dessa elektroder innehåller mycket dyr katalysatormaterial som koppar eller guld eller koppar.
Med tanke på dessa hinder sökte Jan, tillsammans med sin tidigare doktorand Francis Alcorn, efter sätt att påskynda processen som skulle kräva mindre katalysatormaterial, och därmed ”göra det till ett mer genomförbart alternativ för branschen för alternativa bränslen”.
Användning av synligt ljus för att öka CO2‑omvandlingseffektiviteten
Med den nya metoden kombinerade teamet synligt ljus med elektroder som är täckta av extremt små partiklar av guld‑koppar‑legering. Detta möjliggör en snabbare reduktion av CO2 och en mer kontrollerad selektivitet jämfört med konventionella metoder.
Jain förklarade att: “(De nya elektroderna) fungerar som små antenner som söker efter fotoner i det synliga ljusområdet och kopplar dem till den kemiska reaktionsvägen.”
För att förbättra ledningsförmågan hos dessa elektroder sänkte teamet ner dem i en lösning av vatten, CO2 och en elektrolyt. De applicerade sedan en spänning över elektroden medan dess yta belystes med en synlig ljuslaser.
Detta resulterade i en reaktion som snabbt producerar väte genom att spalta vattenmolekyler och kolmonoxid, som erhålls genom att spalta koldioxid.
Medan teamet var ”mycket entusiastiskt” över att se ökningen i produktivitet vid användning av synligt ljus, var det oväntat att ljuset hade så stor inverkan på kemisk selektivitet — vilket Jain sade ”är den viktiga framsteg här.”
Vad är då denna selektivitet? Jo, i katalys är kemisk selektivitet en kemisk reaktions förmåga att föredra en typ av molekyl eller väg framför en annan.
I denna specifika studie fann man att en vattenspaltningsreaktion som bildar vätgas selektivt förbättrades genom att använda ljus. Jain sade:
“Resultaten tyder på att synligt ljus erbjuder en unik möjlighet att justera förhållandet mellan producerad kolmonoxid och vätgas, en avgörande faktor för industriell produktion av syntesgas. Denna upptäckt banar vägen för en mer hållbar och effektiv energiframtid.”
Det sagt noterade professorn att användning av ljus för att förbättra kemiska reaktioner inte är utan kontrovers, eftersom ljus också medför värme. Därför krävde teamet att genomföra kontrollexperiment och göra noggranna mätningar för att avgöra om det var ljusets värmeeffekt som orsakade snabbare reaktionshastigheter och selektivitet.
Det teamet gjorde för att fastställa detta var att de körde experiment med lasern och utan den vid exakt samma temperatur som produceras av ljusexcitation. Detta hjälpte dem att utesluta uppvärmning som den ansvariga faktorn.
Teamet fann att det faktiskt var elektriska fält och riktad laddningsflöde som skapats av ljusexcitation som låg bakom ökningen i produktivitet och förbättrad selektivitet vid vattenspalting.
Framöver har teamet fortfarande utmaningar att övervinna. Detta inkluderar den upprepade användningen av elektrod‑baserade nanopartiklar, vilket kommer att leda till nedbrytning över tid, särskilt vid skala‑uppning av metoden för industriell tillämpning.
Teamet måste också fortsätta forskningen och förbättra den övergripande energieffektiviteten i processen samt ljusförvaltningen.
“(Övergripande) vad vi fann med denna studie presenterar helt nya sätt att tänka kring elektrokemi och katalys.”
– Jain
Efter allt har användningen av ljus förbättrat katalysatorns aktivitet, men viktigare och överraskande är att den har möjliggjort förändring av selektiviteten, vilket kommer att öppna nya kemiska vägar som ger olika produkter. Detta innebär att CO2‑reduktion eller vattenspalting bara är början; metoden kan även tillämpas på många andra katalytiska reaktioner som är viktiga för den kemiska industrin.
Företag som är involverade i CO2‑reduktion och -omvandling
Den ökande allvaret och förödelsen som skogsbränder orsakar har lett till framsteg inom brandskyddsmekanismer, såsom värmeaktiverbara biomimetiska hydrogeler. Dessutom finns ett växande intresse för att minska och återanvända CO2‑utsläpp. Denna återanvändning innebär att omvandla koldioxid, en stor bidragsgivare till klimatförändringarna, till användbara produkter såsom bränslen, kemikalier och byggmaterial.
Företag i framkant av dessa insatser kombinerar banbrytande teknologier för att hantera de miljömässiga och ekonomiska utmaningar som CO2‑utsläpp medför.
Detta inkluderar Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL) och Occidental Petroleum (OXY ). Medan Chevron investerar i koldioxidinfångningstekniker fokuserar FuelCell Energy på rena energilösningar, och Occidental är involverat i direkt luftinfångning (DAC) för att avlägsna CO2 från atmosfären och omvandla den till användbara produkter.
Air Products and Chemicals (APD ) är ett annat företag som är involverat i vätgasproduktion och CO2‑omvandlingstekniker. Med ett börsvärde på 73,44 miljarder dollar handlas APD‑aktier för närvarande till 330,37 $, upp 20,66 % år‑till‑datum.
APD Prisdiagram
Låt oss nu ta en närmare titt på en annan stor aktör inom koldioxidinfångning:
ExxonMobil
Detta amerikanska multinationella olje- och gasföretag, som är den största direkta eftertraktaren till John D. Rockefellers Standard Oil, har ett växande intresse för koldioxidinfångning, -användning och -lagring (CCUS) för att minska CO2‑utsläpp.
ExxonMobils CCS‑nätverk omfattar drift av den största 1 500 mil långa CO2‑ledningen i USA. Företaget har också flera strategiskt placerade lagringsplatser längs USA:s Gulfkust.
Genom ExxonMobil (XOM ) Low Carbon Solutions spelar företaget en viktig roll i att skala upp koldioxidinfångnings‑ och lagringsteknik. Det har en nuvarande infångningskapacitet på 9 miljoner ton per år, en kumulativ infångning på 120 miljoner ton hittills, och står för cirka 40 % av all mänskligt producerad CO2 som fångas, enligt siffror från ExxonMobils officiella webbplats.
Företaget har samarbetat med Mitsubishi Heavy Industries (MHI) för att möjliggöra omfattande helhetslösningar för efterbrännings‑CO2‑infångning. Lösningen erbjuder komplett koldioxidinfångning, transport och lagring.
Företaget driver också ett pilotprojekt för att använda gas, som annars skulle brännas av på grund av brist på pipelines, från sina oljeborr i North Dakota för att driva Bitcoin‑gruvoperatörer. För detta har ExxonMobil samarbetat med Crusoe Energy Systems, som utnyttjar spillenergi för att ta gas från dess oljeborr och driva mobila generatorer som används för Bitcoin‑gruvdrift. Företaget förväntar sig att dess utsläppsminskningsplaner ska uppnå Världsbankens mål om noll rutin‑flaring år 2030.
XOM Prisdiagram
Vid tidpunkten för skrivandet handlas dess aktier till 119,94 $ efter en prisökning på 20,72 % hittills i år. Detta ger ExxonMobils börsvärde till 536,2 miljarder dollar med ett EPS (TTM) på 8,34, P/E (TTM) på 14,47 och en utdelningsavkastning på 3,15 %.
För Q2 2024 rapporterade företaget en vinst på 9,2 miljarder dollar, vilket enligt dem visar de ”differentierade styrkorna i ExxonMobils portfölj och dess förbättrade vinstkraft.” Det utökade också sitt värdeerbjudande genom att stärka ledarskapet inom koldioxidinfångning och -lagring (CCS) med ett nytt avtal som ökade dess totala kontrakterade CO2‑uppköp till 5,5 miljoner ton per år. Detta, enligt ExxonMobil, är mer ”engagerad volym än något annat företag har annonserat.” Dess finansiella resultat för tredje kvartalet 2024 kommer att publiceras den 1 november.
Slutsats
Med miljarder ton CO2 som släpps ut i atmosfären varje år har det lett till inte bara klimatförändringar som ger mer extrema väderhändelser, utan också hälsorisker och havsförsurning som hotar marint liv och korallrev.
När klimatkrisen intensifieras har det blivit avgörande att vi tar itu med det allvarliga problemet med ökande CO2‑utsläpp för att minska den globala uppvärmningen och dess katastrofala konsekvenser. Skogsbränder, drivna av klimatförändringarna, släpper ut oöverträffade mängder koldioxid, vilket ytterligare påskyndar problemet. Även om återplanterings‑ och nyplanteringsprogram är viktiga för att kompensera utsläpp, är hotet från skogsbränder stort, vilket gör proaktiva brandskyddsstrategier nödvändiga.
Innovativa lösningar, såsom elektrolytisk reduktion av CO2 och användning av synligt ljus för att förbättra katalytiska reaktioner, erbjuder lovande möjligheter att återanvända skadliga koldioxidutsläpp till värdefulla produkter som syntetiska bränslen och industriella kemikalier.
Dessa framsteg, även om de fortfarande är under utveckling, representerar potentialen att mildra klimatförändringarna genom att omvandla CO2 från en global förorening till en resurs för framtiden. När företag fortsätter att investera i koldioxidinfångningstekniker och alternativa bränslen närmar vi oss en hållbar lösning som kan omforma energilandskapet.
