Kömür Endüstrisini Karbon Noktalarıyla Yeniden Hayal Etmek

2023 Aralık ayında, Taraflar Konferansı (COP) kapsamında 198 imzacı ülke, dünyanın kömür gibi fosil yakıtlardan “geçiş” yapması gerektiğini “adil, düzenli ve eşit bir şekilde” 2050 yılına kadar sera gazı emisyonlarını neredeyse sıfıra indirmek amacıyla kabul etti. Ancak henüz bir zaman çizelgesi yok, bu yüzden fosil yakıtlar önümüzdeki yıllarda ekonomilerin temel taşı olmaya devam edecek.

Kömür, dünyanın en baskın ve en karbon yoğun enerji kaynağıdır. Kömürün dört ana tipi şunlardır:

(i) Antrasit
(ii) Bitümlü
(iii) Subbitümlü
(iv) Linyit

Bu fosil yakıt küresel elektrik arzının %37’inden fazlasını oluşturmakta, evleri ve sanayileri güçlendirmede ve dünyanın enerji yoksulluğunu hafifletmede temel bir rol oynamaktadır. Bugün bile, dünya genelinde yaklaşık 860 milyon insan elektriğe erişememektedir. Bu nedenle, modern yaşam kömür olmadan düşünülemez.

Küresel kömür kullanımı 2023’te gerçek bir rekor seviyeye ulaştı; fosil yakıt talebi yılda %1,4 artarak ilk kez 8,5 milyar metrik tonu aştı, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) raporladı. Küresel tüketiminin 2026’da 8 milyar metrik tonun üzerinde kalması öngörülüyor.

Kömür, diğer fosil yakıtlara göre çok daha ucuz ve daha erişilebilir olduğu için hızla artan enerji tüketimi sorunuyla mücadelede temel bir kaynaktır. Petrol ve gazın aksine, dünya genelinde bol miktarda bulunur.

Kömür, yüksek basınçlı boru hatları, maliyetli işleme veya taşıma sırasında pahalı koruma gerektirmediği için diğer yüksek yanıcılı fosil yakıtlardan daha kolay depolanıp taşınabilir. Ayrıca, kullanılmadan önce sadece madencilik yapılması yeterlidir; diğer fosil yakıtlar uzun ve maliyetli bir rafinasyon süreci gerektirir.

Ayrıca, kömür rezervleri gezegen genelinde çok daha eşit dağıtılmıştır. Ocak 2020 itibarıyla ABD, dünyanın en büyük kömür rezervlerine sahiptir; bu, tüm fosil yakıt rezervlerinin yaklaşık %90’ını oluşturur ve tahmini 250 milyar ton civarındadır.

Ucuz ve erişilebilir olmasının yanı sıra, kömür çok yönlüdür ve çeşitli süreçlerde kullanılabilir. Kömür, dünya çapında öncelikle enerji üretiminde kullanılır ve aslında uygun maliyetli bir enerji biçimidir; kömürle üretilen elektrik, diğer kaynaklardan elde edilen elektrikten daha ucuzdur.

ABD’de bile, kömür enerji santrallerinde yakılarak elektrik üretiminde kullanılır. Ortaya çıkan ısı, suyu yüksek basınçlı buhara dönüştürür; bu buhar bir türbini çalıştırır ve ardından elektrik üretir. 2019’da, ABD Enerji Bilgi İdaresi verilerine göre, ABD’deki tüm elektriğin yaklaşık %23’ü kömürle çalışan santraller tarafından üretilmiştir.

Bu fosil yakıt, çelik ve beton üretiminde, demir yapımının temel bileşeni olarak ve alüminyum, bakır gibi diğer metallerde de kullanılır. Kömür ve yan ürünleri ayrıca su filtrelerinde, hava temizleme sistemlerinde, uçak ve otomobil yapımında, ilaçlarda ve nadir toprak elementlerini çıkarmak için kimyasal süreçlerde kullanılmaktadır.

Kömürün gazlaştırma ve likitleştirme kullanım alanları da vardır; kömürden gaza dönüşüm projelerinin çoğu ABD ve Çin’de, birkaç tanesi ise Avustralya, Kanada, Hindistan, Güney Afrika ve Endonezya’da yer almaktadır. Amonyak, metanol ve üre gibi kimyasal yapı taşlarını üretmenin yanı sıra, kömür kağıt, tekstil ve cam endüstrilerinde de kullanılır. Karbon fiber üretimiyle birlikte, kişisel bakım ve ev sektörü için bileşen üretiminde kullanılan silikon metaller gibi maddeler de sağlar.

Kömürün bolluğu, uygun fiyatı ve güvenilirliğine rağmen, sektör sıfır emisyon hedeflerine ulaşmak için teknolojiler ve yollar geliştirme konusunda zorluklarla karşı karşıyadır; bu durum iklim değişikliğinin bir faktörü olarak görülmektedir.

Atmosferik CO2 ile mücadelede önleme mi yoksa tedavi mi gerektiğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Kömürün Ekonomik Rolünü Yeniden Değerlendirme

Dünya genelindeki ülkeler, iklim değişikliğine katkıları nedeniyle enerji üretiminde başka yöntemlere geçiş sözü verirken, araştırmacılar ve bilim insanları kömürün başka yollarla kullanılmasını araştırıyor.

Fosil yakıtın ekonomik rolünü yeniden değerlendirmek için, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign ve Oak Ridge National Laboratory, kömürün nesil-gelecek elektronik cihazlarda oynayabileceği kritik rolü göstermek amacıyla ortak bir araştırma çalışması yürüttüler.

Son yıllarda, elektriksel, optik ve mekanik özellikleri nedeniyle 2D malzemeler alanında çok sayıda araştırma yapılmaktadır. Atomik ince 2D malzemelerin sentezi, katman katman malzemeler için yeni bir platform açmakta ve bilinmeyen özelliklerin keşfine olanak tanıyarak yeni teknolojilerin vaat edilmesini sağlamaktadır.

2D tabakalı yarı iletkenler yüksek mobilite, düşük güç anahtarlama, nispeten geniş bant boşluğu ve büyük alan büyüme yöntemlerinin bulunması gibi özelliklere sahiptir; bu da onları nesil-gelecek elektronik için umut vaat eden adaylar yapar. Şimdi, kömür bu tür elektroniklerde kullanılmak üzere deneysel olarak inceleniyor.

“Kömür genellikle hantal ve kirli bir şey olarak düşünülür, ancak geliştirdiğimiz işleme teknikleri onu sadece birkaç atom kalınlığında yüksek saflıkta malzemelere dönüştürebilir.”

– bu ifadeyi, çalışmayı ortak yöneten U. of I. malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Qing Cao yaptı.

Ayrıca şunu belirtti:

“Bunların benzersiz atomik yapıları ve özellikleri, mevcut teknolojinin ötesinde performans sunan en küçük elektronik cihazları üretmek için idealdir.”

Bu iş birliği kapsamında, araştırmacılar kömür kömürünü son derece küçük karbon disklerine dönüştüren bir süreç geliştirdiler; bu diskler “karbon nokta” (carbon dots) olarak adlandırılıyor.

Araştırma grubu tarafından gösterildiği gibi, bu nanoskalalı karbon diskleri atomik ince membranlar oluşturmak için birleştirilebilir. Bu membranlar iki boyutlu (2D) transistörler ve memristörler gibi teknolojilerde kullanılabilir. Araştırmacılara göre, bu teknolojiler daha verimli elektroniklerin inşasında kritik olacak.

Karbon bazlı malzemeler, ister geleneksel endüstriyel karbon (karbon siyah) olsun, ister yeni endüstriyel karbon (grafit ve karbon fiber) olsun, malzeme biliminin gelişiminde önemli roller oynasa da, makroskobik karbon malzemeleri uygun bant boşluğu eksikliği nedeniyle etkili bir floresan malzeme olarak kullanılamaz. İşte bu noktada karbon noktaları (CD’ler) umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkıyor.

Karbons noktaları ya da CD’ler, çeşitli fiziko-kimyasal özellikleri nedeniyle büyük ilgi ve araştırma gören yeni bir karbon bazlı nanomalzemedir. Karbon noktaları titizlikle formüle edilir ve genellikle 10 nm’den daha küçüktür. Bu karbon bazlı nanomalzeme, küçük boyut, çevre dostu, düşük maliyet, düşük toksisite, yüksek stabilite, iyi biyouyumluluk, elektron mobilitesi, yüksek kuantum verimi, bol fonksiyonel grup ve güçlü absorpsiyon, fotolüminesans ve fosforesans gibi benzersiz optik özellikler gibi özelliklere sahiptir.

Tüm bu nitelikler, karbon ailesindeki bu yeni malzemeyi çok popüler kılıyor ve birçok uygulamaya sahip olmasını sağlıyor. Bunlar şunları içerir:

• Sensörler
• Bilgi şifreleme
• Fotokataliz
• Işık yayan diyotlar
• Kimyasal algılama
• Güneş hücreleri
• Süperkapasitörler
• Şarj edilebilir piller
• Biyogörüntüleme
• Fototerapi
• Gen taşıma
• Drudge teslimatı
• Patlayıcı tespiti
• Nanomedisin
• Gıda güvenliği
• Sahteciliğe karşı önlem

Metanın iklim hedeflerine ulaşmada anahtar olabileceği ve nereden geldiği ile ilgili neler yapıldığını öğrenin.

Kömür, Nesil-gelecek Elektroniklerde Hayati Bir Rol Oynayacak

Dünya çapındaki araştırmacılar ve bilim insanları, daha küçük, daha hızlı ve daha gelişmiş elektronikler üzerinde çalışıyorlar. Bu, sadece bir veya iki atom kalınlığında malzemelerle yapılan cihazların çok daha hızlı çalışması ve çok daha az enerji tüketmesi anlamına geliyor.

Bu cihazlara yönelik olarak, ultra ince yarı iletkenler üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır, ancak şimdi çalışan elektronik cihazlar (transistörler ve memristörler gibi) oluşturmak için atomik ince yalıtkanlar üzerinde kapsamlı araştırma yapılması gerekiyor.

Malzemeler, elektrik akımını iletebilme yeteneklerine göre iletkenler, yarı iletkenler ve yalıtkanlar olarak sınıflandırılır. Bakır, pirinç, çelik, altın ve alüminyum gibi düşük elektriksel dirençleri nedeniyle kolayca elektrik ileten maddelere iletken denir.

Yalıtkanlar, cam, hava, ahşap, plastik ve kauçuk gibi elektriği kolayca iletmeyen malzemelerdir. Öte yandan, silikon (Si), germanyum (Ge) ve selenyum (Se) gibi malzemeler ve gallium arsenide (GaAs) ve indium antimonide (InSb) gibi bileşikler, iletken ile yalıtkan arasındaki elektriksel iletkenlik değerine sahiptir.

Bir yarı iletkenin direnci, sıcaklık yükseldikçe azalır, aynı zamanda yarı iletkenin iletkenliği sıcaklık arttıkça artar.

Yalıtkanların geniş bir uygulama yelpazesi vardır; duvar yalıtımı ısı akışını düzenlemek, fırın yalıtımı termal ve dielektrik bariyerler, ses yalıtımı gürültüyü önlemek ve ev devrelerinde ve ticari/ tüketici ürünlerde kapasitörlerde elektrik yalıtımı gibi. Yarı iletkenler de etrafımızda bulunur; neredeyse her cihazda bulunan küçük transistörler ve güneş panellerinde güneş ışığını elektriğe dönüştüren güneş hücreleri gibi.

Yalıtkanlarda, valans ve iletim bantları arasındaki enerji boşluğu çok büyüktür (yaklaşık 15 eV) iken yarı iletkenlerde bu boşluk çok küçüktür (yaklaşık 1 eV).

En son çalışmaya göre, düzensiz atomik yapıya sahip atomik ince karbon katmanları, kömür kömüründen elde edilen karbon noktalarından oluşturulan 2D cihazlar için mükemmel bir yalıtkan görevi görebilir.

Şimdi, kömürden elde edilen karbon katmanlarının potansiyelini göstermek için, araştırmacılar bu katmanları 2D transistörlerde geçit dielektriği olarak kullandılar. Yarı iletken molibden disülfür üzerine inşa edilen bu cihaz, daha düşük enerji tüketimiyle iki kat daha hızlı bir çalışma hızı sağladı.

Bu kömürden elde edilen karbon katmanları, geleneksel 3D yalıtkanların yüzeyinde bol miktarda bulunan “sarkan bağlara” sahip değildir. Etkili bir şekilde “tuzak” görevi görerek 3D yalıtkanların elektriksel özelliklerini değiştirir, mobil yüklerin taşınmasını yavaşlatarak transistör anahtarlama hızını etkiler.

Ancak, diğer atomik ince malzemelerin aksine, yeni kömürden elde edilen karbon katmanları amorf olup, istenmeyen elektrik akımları yalıtkandan geçerek cihaz çalışması sırasında önemli ölçüde ek enerji tüketimine yol açar. Qing Cao şöyle dedi:

“Bu gerçekten çok heyecan verici, çünkü kömürün, genellikle düşük teknoloji olarak gördüğümüz bir şeyin, mikroelektroniğin en ileri noktasıyla doğrudan ilişkilendirildiği ilk kez oluyor.”

Araştırmacıların gösterdiği bir diğer uygulama ise, yapay zekanın (AI) uygulanmasını önemli ölçüde iyileştiren, veri depolayabilen ve işleyebilen memristörlerdir. Bu cihazlar, iletken bir filament modüle edilerek veri depolar ve temsil eder.

İzolasyon olarak ultra ince karbon katmanları kullanılarak, araştırmacılar düşük enerji tüketimiyle hızlı filament oluşumunu sağlayabildi ve bu sayede cihaz yüksek hızda düşük güçle çalıştı. Ayrıca, bu kömürden elde edilen karbon katmanlarındaki atomik boyutlu halkalar filament’i tutarak, daha güvenilir veri depolama için cihazın tekrarlanabilir çalışmasını iyileştirir.

Bu yeni cihazlar, kömür kömüründen elde edilen karbon katmanlarının 2D cihazlarda kullanılabileceğini göstermektedir. Bir sonraki adımda, iş birliği çabası, büyük ölçekli uygulanabilecek “kömür bazlı karbon yalıtkanları için bir imalat süreci” geliştirmeye yöneliktir.

Yeni Yaklaşımın Kullanılması 

Dünya, sera gazı emisyonlarını azaltma odaklı olarak karbondan uzaklaşırken, sektördeki devam eden araştırmalar, yarı iletken üreticileri gibi farklı endüstrilerin gelecekte yeni formlarını kullanmasını sağlayabilir. Şimdi, bu yaklaşımları benimseyebilecek bazı şirketlere bir göz atalım.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Bu, endüstride en gelişmiş işlem teknolojilerini kullanan dünyanın en büyük çip üreticisidir. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) ve Apple gibi yüksek profilli müşterilerin ihtiyaçlarını karşılamasıyla bilinir. Şirketin ürün uygulama yelpazesi geniş elektrik endüstrisini kapsar ve fabrikaları üç kıtaya yayılmış olarak dünya genelinde yavaş yavaş genişlemektedir.

530,26 milyar dolar piyasa değerine sahip olan TSM hisseleri şu anda hisse başına 101,40 dolar fiyatla, yılbaşından bu yana %1,69 düşüşle işlem görüyor (YTD). Şirket, son on iki ayda (TTM) 69,84 milyar dolar gelir elde etti ve EPS (TTM) 5,36, P/E (TTM) 19,08 ve ROE (TTM) %29,43 oldu. Taiwan Semiconductor Manufacturing ayrıca %1,88 temettü getirisi ödemektedir.

#2. NVIDIA Corporation 

Bu şirket, oyun, dizüstü bilgisayar, veri merkezleri ve uygulamalar için donanım ve yazılım geliştirir ve özellikle oyunlar, kripto madenciliği ve yapay zeka dahil çeşitli uygulamalar için grafik işleme birimleri (GPU’lar) üretmesiyle tanınır.

En son olarak, Nvidia yeni masaüstü grafik işlemcisi GeForce RTX 40 SUPER Serisi’ni oyun tutkunları ve yapay zeka uygulamalarını yerel olarak çalıştırmak için tanıttı. Nvidia ayrıca Çin’in EV sektöründe de etkisini artırıyor; dört Çinli EV markasının otomatik sürüş sistemleri için teknolojisini kullanacağını duyurdu.

1,29 trilyon dolar piyasa değerine sahip NVDA hisseleri şu anda hisse başına 522,58 dolar fiyatla, yılbaşından bu yana %5,5 artışla işlem görüyor (YTD). Şirket, son on iki ayda (TTM) 44,87 milyar dolar gelir elde etti ve EPS (TTM) 7,57, P/E (TTM) 68,99 ve ROE (TTM) %69,17 oldu. Nvidia ayrıca %0,03 temettü getirisi ödemektedir.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Bu CPU ve GPU tasarımcısı, yakın zamanda Ryzen 8000G serisini duyurdu; bu serinin öne çıkan ürünü Ryzen 7 8700G, AMD’nin en hızlı entegre grafik hızlandırıcısına sahip olduğunu belirtiyor. Öte yandan, Advanced Micro Devices’ (AMD ) ın en yeni GPU’su Radeon serisi, oyun pazarının düşük ve orta segmentine hitap ediyor.

236,154 milyar dolar piyasa değerine sahip AMD hisseleri şu anda hisse başına 145,21 dolar fiyatla, yılbaşından bu yana %0,83 düşüşle işlem görüyor (YTD). Şirket, son on iki ayda (TTM) 22,11 milyar dolar gelir elde etti ve EPS (TTM) 0,13, P/E (TTM) 1.152,84 ve ROE (TTM) %0,38 oldu.

Sonuç

Gördüğümüz gibi, kömür endüstrisi, bilim insanları ve araştırmacıların karbon noktaları yaratarak değerini ortaya çıkarmaya ve benzersiz özellikler sergileyen bu noktaların nesil-gelecek elektronik cihazlarda gerçekten faydalı olabileceğini göstermeye çalışmasıyla dönüşüm geçiriyor. Bu sayede, kömür endüstrisi sürdürülebilir bir şekilde elektronik teknolojilerin geleceğini şekillendirmeye yardımcı olabilir.