Een hoek van de Omaanse woestijn is bedekt met een soort gesteente met een onlesbare dorst naar een kleurloos en geurloos gas dat van vitaal belang is voor het leven op aarde. Dat gas is CO2, en wanneer het reageert met peridotiet, een rots die overvloedig aanwezig is in de aardmantel, het is doorweekt, vorming van een vast carbonaat vergelijkbaar met kalksteen.

De Omaanse peridotiet absorbeert momenteel naar schatting 10, 000 tot 100, 000 ton kooldioxide per jaar, maar wetenschappers zeggen dat met een beetje menselijk ingrijpen, het zou kunnen worden versneld om een ​​achtste van de 38 miljard ton CO2 te absorberen die wordt uitgestoten door de verbranding van fossiele brandstoffen over de hele wereld. Een broeikasgas, CO2 hoopt zich op in de atmosfeer van de aarde, waar het warmte vasthoudt en de wereldwijde gemiddelde temperatuur verhoogt, aanwakkeren van extreem weer, zoals hetere hittegolven, vaker droogte, en krachtigere orkanen. De huidige concentratie CO2 ligt rond de 400 ppm, het hoogste is in de afgelopen 800, 000 jaar.

Hoewel het slechts een van de gesteenten is met CO2-absorberende eigenschappen, en slechts één methode om de impact van CO2-emissies te verminderen, peridotiet kan helpen de dreigende risico's van klimaatverandering te verminderen.

De pioniers achter het peridotietonderzoek, Peter Kelemen en Juerg Matter, geologen aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, ontdekten de affiniteit van peridotiet voor het consumeren van CO2 toen ze het naar het laboratorium brachten om de leeftijd te bepalen. Beseffend dat de peridotiet relatief recentelijk met CO2 had gereageerd, ze begonnen te conceptualiseren hoe de reactie eruit zou kunnen zien.

Hoewel het te duur zou zijn om het gesteente dicht bij elektriciteitscentrales te verplaatsen waar het emissies zou kunnen absorberen, de onderzoekers suggereren dat CO2 in de met peridotiet beladen mantel van de aarde kan worden gesluisd via een proces dat vergelijkbaar is met hydrofracturering. Dit zou een gigantische opslagplaats voor het gas kunnen openen die niet afhankelijk is van de locatie, maar brengt gevolgen voor het milieu met zich mee waarmee zorgvuldig rekening moet worden gehouden.

Natuurgestuurde oplossingen

Geologen hebben lang begrepen dat rotsen een belangrijke koolstofput zijn. Steenverwering treedt op wanneer CO2 oplost in druppeltjes regenwater, het toevoegen van de zuurgraad die nodig is om de mineralen waaruit het gesteente bestaat op te lossen. Rotsverwering haalt jaarlijks naar schatting een miljard ton CO2 uit de atmosfeer.

"Het begrijpen van deze natuurlijke chemische processen kan leiden tot doorbraken die ons in staat stellen om processen te gebruiken en te versnellen die CO2 in de atmosfeer verminderen, " zegt Bradley Sageman, hoogleraar en voorzitter van aard- en planeetwetenschappen aan Northwestern. "Methoden zoals deze die tegenwoordig standaardtechnologie zijn, werden in het verleden als sciencefiction beschouwd. Neem het Omaanse peridotiet-voorbeeld. Als we die reactie konden benutten, we hebben een potentieel transformatief mechanisme om CO2 op grote schaal te absorberen."

Sommige collega's van Sageman bestuderen de kinetiek van verweringsreacties om een ​​fundamenteel begrip te krijgen van de koolstofcyclus - de circulaire transformatie van koolstof tussen levende wezens en het milieu. Natuurlijke gebruikers van CO2 zijn onder meer bossen, wetlands, en veenmoerassen. Wetenschappers hebben deze en andere koolstofputten bestudeerd om veel kunstmatige processen te ontwikkelen die vergelijkbare effecten produceren.

Twee veelbesproken soorten kunstmatige opslag zijn oceaanopslag - het pompen van CO2 diep in de oceaan - en geologische opslag - het injecteren van CO2 diep in uitgeputte olie- en gasreservoirs of steenkoollagen die niet kunnen worden gedolven. Wetenschappers aarzelen om een ​​van deze oplossingen agressief na te streven uit bezorgdheid over de stabiliteit van verstoorde natuurlijke systemen en de mogelijke effecten op het leven in de oceaan.

Om de dynamiek van opslagoplossingen beter te begrijpen, Sageman en zijn team kijken naar perioden in de geschiedenis van de aarde die worden gekenmerkt door hoge niveaus van atmosferisch CO2 en opwarming. "Veel van het werk dat we doen, is om ons begrip te verbeteren van hoe het systeem van de aarde zich gedroeg tijdens eerdere gebeurtenissen van opwarming van de aarde. Dit zou moeten leiden tot een beter kader om te onderscheiden wat er kan gebeuren in een toekomstige opwarmende wereld, " hij zegt.

Hoewel de afvang en langdurige opslag van CO2 enkele haalbare oplossingen suggereert om CO2 te verminderen, wetenschappers kijken ook naar het gas als een hulpbron voor het creëren van schone energie. Over de hele wereld, onderzoekers tonen aan dat CO2 een belangrijk ingrediënt kan zijn in veel technologieën die schone, CO2-neutrale energie.

Dergelijke technologieën kunnen een aanvulling vormen op de huidige op fossiele brandstoffen gebaseerde systemen om emissies te verminderen, en uiteindelijk CO2 uit de atmosfeer af te vangen om de klimaatverandering te helpen verminderen. Grote en kleine bedrijven - in sectoren die variëren van energie tot luchtvaartmaatschappijen tot auto's - merken dit op.

Industriële sterkte-oplossingen

Industriestrategen over de hele linie, van kleine startups tot multinationals, zijn op zoek naar hun rol en kansen in een toekomst met schone energie. Ze zijn op zoek naar complementaire vaardigheden, technologieën, of technologen die bezig zijn met het ontwikkelen van innovaties die technisch haalbaar zijn, maar geen zicht op de markt hebben. Ze weten dat met risico beloning komt, en de pioniers wachten niet op de perfecte oplossing voor hun energiebehoeften; ze werken samen met de slimste technologen om het te maken.

In vergelijking met bedrijven in veel andere sectoren, het is niet bekend dat nutsbedrijven zwaar investeren in onderzoek en ontwikkeling, in plaats daarvan vertrouwen op een relatief statische kennisbank. Die status-quo doorbreken, Exelon, het grootste gereguleerde nutsbedrijf in het land dat 10 miljoen consumenten bedient, investeert agressief in technologieën die het kan omzetten in klantgerichte producten.

Exelon investeert in veel projecten in de vroege en middenfase die zijn diensten aanvullen en tegelijkertijd zijn ecologische voetafdruk verkleinen, inclusief investeringen in zonne-energie, brandstofcellen, en batterijen. Een voorbeeld, een bedrijf genaamd NetPower, gebruikt CO2 als werkvloeistof om een ​​verbrandingsturbine aan te drijven die elektriciteit opwekt zonder uitstoot te veroorzaken. Het systeem produceert ook CO2 van pijpleidingkwaliteit die kan worden opgeslagen of gebruikt in industriële processen, inclusief een verbeterd oliewinningsproces waarbij CO2 in een oliereservoir wordt geïnjecteerd om de output te verhogen.

In maart 2016, NetPower brak de grond op een demonstratiefabriek van 50 megawatt in La Porte, Texas, met als doel net zo efficiënt te werken als de beste aardgascentrales van vandaag. Als onderdeel van een programma van $ 140 miljoen, de fabriek zal voortdurende technologische vooruitgang omvatten, een volledig test- en operatieprogramma, en commerciële productontwikkeling. Toshiba zal voor het project een superkritische CO2-turbine en -verbrandingsinstallatie leveren.

"Veel mensen zeggen dat aardgas een overbruggingsbrandstof is om de uitstoot in de elektriciteitssector te verlagen, maar omdat de meeste aardgascentrales worden aangedreven door turbines die afhankelijk zijn van een traditionele stoomcyclus, ze kunnen geen CO2 van hoge kwaliteit produceren die voor andere dingen kan worden hergebruikt, "zegt Gould. "Bovendien, aangezien NetPower-centrales geen stoom nodig hebben om hun turbines aan te drijven, het elimineert ook het waterverbruik."

Waardecreatie stimuleren

Net als NetPower, veel technologiebedrijven hebben processen ontwikkeld om industrieën te helpen hun ecologische voetafdruk te verkleinen, en in sommige gevallen, nieuwe producten maken in het proces. Een dergelijk bedrijf, LanzaTech, maakt golven in koolstofrecycling met een gepatenteerd biologisch proces dat een microbe gebruikt om industriële emissies om te zetten in bruikbare brandstoffen en chemicaliën.

"We zetten emissies om in een verscheidenheid aan nieuwe waardevolle producten die anders uit grondstoffen zouden komen, " zegt Prabhakar Nair, LanzaTech's vice-president voor bedrijfsontwikkeling.

Het proces van LanzaTech werkt met een verscheidenheid aan microben, waardoor een klant de gewenste output kan specificeren - momenteel ofwel ethanol of butaandiol - en voordeel kan halen uit de marktomstandigheden.

Na de opening van twee preproductiefabrieken in China, LanzaTech is van plan eind 2017 zijn eerste grootschalige commerciële fabriek in Shanghai te openen. Het bedrijf werkt ook samen met 's werelds grootste staalproducent, ArcelorMittal, om een ​​project op commerciële schaal uit te voeren in zijn vlaggenschipstaalfabriek in België.

De sleutel tot het succes van het bedrijf, volgens Nair, ligt in de synergie tussen de technologie, industriële partners, en productafnemers. Full-service bij een faciliteit op demoschaal omvat het koppelen van industriële partners aan kopers voor het bijproduct dat daar wordt geproduceerd. Bijvoorbeeld, LanzaTech heeft staalproducenten gekoppeld aan lokale raffinaderijen die wettelijk verplicht zijn ethanol in hun brandstofmengsels te mengen.

"Door als brug te dienen tussen industrieën die een grondstofvoorraad hebben en die welke een behoefte hebben, en door dat te doen met afvalemissies, we brengen de circulaire economie in beweging, ' zegt Nair.

Het bedrijf ontving onlangs $ 4 miljoen van het Bioenergy Technologies Office van het Amerikaanse Department of Energy voor het ontwerpen en plannen van een faciliteit op demonstratieschaal die gebruikmaakt van industriële afgassen van de staalproductie om drie miljoen gallons koolstofarme vliegtuig- en dieselbrandstoffen per jaar te produceren. Dit volgt op een samenwerking met Virgin Atlantic, die in 2017 een testvlucht plant met vliegtuigbrandstof gemaakt van LanzaTech's eigen koolstofarme ethanol. LanzaTech schat dat zijn technologie compatibel is met 65 procent van de staalfabrieken, en indien geïmplementeerd, zou dit 15 miljard gallons vliegtuigbrandstof per jaar kunnen produceren, of een vijfde van de vliegtuigbrandstof die over de hele wereld wordt gebruikt.

De race naar de zonneraffinaderij

Stel je voor dat je morgen naar het tankstation rijdt, maar in plaats van te kiezen tussen loodvrij, plus, of diesel, u reikt naar een zeer efficiënte brandstof die alleen uit zonlicht bestaat, water, en CO2.

Deze componenten waaruit deze "zonnebrandstof" bestaat, zijn dezelfde drie dingen die levende planten in voedsel omzetten. Genaamd "kunstmatige fotosynthese, " op grote schaal zou dit proces grote hindernissen kunnen nemen om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.

Met zijn voordelen, het is geen wonder dat het onderzoek naar zonnebrandstoffen over de hele wereld van de grond is gekomen - van hubs in Japan en Zweden tot het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) in Californië, opgericht door het Amerikaanse ministerie van Energie in 2010. Met een budget van $ 122 miljoen over een periode van vijf jaar, De missie van JCAP is het bouwen van een prototype van een zonne-energiesysteem.

De componenten van het systeem dat JCAP voor ogen heeft, zijn vrij eenvoudig. Het systeem vereist een fotovoltaïsch materiaal om lichtenergie van de zon te absorberen, die vervolgens op twee afzonderlijke katalysatoren wordt gericht om de energetische hindernis voor een reactie te verlagen. De ene katalysator splitst water in protonen en zuurstof en de andere zet kooldioxide en protonen om in koolwaterstoffen. de belangrijkste componenten van brandstoffen. Hoewel deze processen momenteel mogelijk zijn, ze bieden nog steeds uitdagingen.

Een daarvan is economisch. De materialen die worden gebruikt in zowel de fotovoltaïsche als de katalysatoren zijn duur, waaronder zeldzame materialen zoals iridium of platina, wat een uitdaging op het gebied van schaalbaarheid vormt. De andere is efficiëntie. Hoewel het tien keer efficiënter is dan natuurlijke fotosynthese bij het vastleggen en omzetten van zonne-energie, de hoogste geregistreerde efficiëntie voor kunstmatige fotosynthese is nog steeds slechts 10 procent. Dat is minder dan de helft van de efficiëntie van siliciumpanelen die momenteel op de markt zijn.

Dus waarom al die moeite om energierijke brandstoffen te maken als er tegenwoordig efficiëntere hernieuwbare technologieën beschikbaar zijn? Bronnen van hernieuwbare energie, inclusief zon en wind, kan alleen met tussenpozen worden gegenereerd - wanneer de zon schijnt of de wind waait. Brandstoffen vormen een haalbare optie voor energieopslag op netschaal die die onderbrekingen zou kunnen compenseren en gemakkelijk kunnen worden getransporteerd naar waar ze nodig zijn.

De energiedichtheid van brandstoffen is ook ongeveer 100 keer groter dan die van de best presterende batterijen, en vele transportmiddelen, waaronder auto's, schepen, en vliegtuigen - hebben al de infrastructuur om op brandstoffen te draaien. En als het gaat om het mitigeren van de effecten van klimaatverandering, als deze brandstoffen waren gemaakt van koolstofdioxide dat uit de lucht is gehaald, het proces zou koolstofneutraal zijn en geen nieuwe broeikasgassen in de atmosfeer uitstoten.

Samenwerking op wereldwijde schaal

Omdat veel vragen onbeantwoord blijven, JCAP heeft zijn doel gewijzigd om een ​​zonne-brandstofsysteem te creëren, in plaats daarvan focussen op het verkrijgen van de basisprincipes. In de tussentijd, andere wetenschappers hanteren een hele systeembenadering.

Die aanpak vereist samenwerking en systeemtechniek, zegt Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall, hoogleraar scheikunde en directeur van het Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center. "Onderzoekers hebben subsystemen die op een bepaald basisniveau kunnen presteren, maar als je ze probeert te integreren, het is niet naadloos en daarom niet commercieel levensvatbaar. Je hebt wetenschappers nodig die samenwerken met ingenieurs om de bugs uit te werken en een compleet werkend systeem te creëren, ' Zegt Wasielewski.

Bij ANSER, een Energy Frontier Research Center van het Amerikaanse ministerie van Energie, Wasielewski werkt samen met meer dan 60 onderzoekers om een ​​fundamenteel begrip van de moleculen te ontwikkelen, materialen, en methoden die nodig zijn om aanzienlijk efficiëntere technologieën voor zonnebrandstoffen en zonne-elektriciteitsproductie te creëren. In 2013, Wasielewski richtte ook het Solar Fuels Institute (SOFI) op.

SOFI lanceerde in 2016 een demonstratieproject in zes fasen met het oog op een systeembenadering voor de ontwikkeling van zonnebrandstoffen. Eind vorig jaar, SOFI-wetenschappers hadden met succes methanol geproduceerd in het laboratorium in Northwestern. "Het SOFI-demoproject werd vanaf het begin gezien als een systeem, "zegt Wasielewski. "We zullen dit van het ene eind naar het andere moeten laten werken. Maar we kunnen het niet alleen."

Als een wereldwijd consortium, SOFI heeft universitaire en industriële partners van over de hele wereld - van academische instellingen die drie continenten beslaan tot grote multinationals zoals Shell en Total. Nog altijd, SOFI zoekt samenwerkingen uit uiteenlopende vakgebieden, inclusief economie en beleid, te werken aan implementatiestrategieën.

"In het algemeen, " Wasielewski zegt, "Wetenschappers en ingenieurs kunnen meer dan één oplossing voor een probleem bedenken. We kunnen een proces zo verfijnen dat het veel efficiënter is, maar we kunnen niet weten wat de prioriteiten zijn voor echte klanten als we ze er niet vroeg bij betrekken. Dat is wat een baanbrekende technologie vormt."