Når temperaturen på Jorden stiger, og der kommer mere kuldioxid (CO₂) i atmosfæren, oplever vi både flere ekstreme vejrhændelser og mere langsigtede ændringer i klimaet. En måde at bremse udviklingen på er at fjerne CO₂ direkte fra luften – en metode kaldet DAC. Men de teknologier, vi har i dag, er ofte dyre og bruger meget energi. Derfor undersøger forskere nu, om enzymer kan bruges til at gøre CO₂-fangst billigere og mere energieffektiv. Hvis det lykkes at skalere metoden op, kan det blive muligt at fjerne store mængder CO₂ på en økonomisk overkommelig måde – og dermed blive en realistisk løsning i fremtiden.
Klimaforandringerne accelererer, drevet af stigende CO₂-niveauer, som opvarmer jorden og forværrer ekstreme vejrfænomener som hedebølger, storme og oversvømmelser. Selv hvis man stopper alle nye udledninger i dag, vil den CO₂, der allerede er i atmosfæren, blive der i hundreder af år og fortsat forværre krisen. For at imødegå det arbejder forskere på at udvikle teknologier som Directed Air Capture (DAC), der kan fjerne CO₂ direkte fra luften.
Problemet er, at selvom mængden af CO₂ i atmosfæren stiger, udgør den stadig kun en meget lille del af luften sammenlignet med de andre gasser. Det gør det svært, langsomt og dyrt at fange CO₂-molekylerne. De metoder, man har i dag, kræver enten meget energi eller meget store anlæg. For at løse de udfordringer kigger forskere mod naturens egne tricks – især enzymer, der kan hjælpe med at optage CO₂ hurtigere og samtidig bruge mindre energi.
"Vores vigtigste opdagelse er, at man med hjælp fra et enzym kan fange CO₂ direkte fra luften (DAC) lige så hurtigt som i de nuværende systemer – men uden at bruge enorme mængder energi. Metoden i sig selv er mere bæredygtig, men den har hidtil været for langsom. Det problem løser enzymet, fordi det gør CO₂-optagelsen hurtigere – uden at man behøver at bruge høj varme for at frigive CO₂’en igen. Det betyder, at teknologien både kan skaleres op og blive billig nok til at bruge i stor skala. På den måde kan det blive en reel løsning til at fjerne CO₂ fra atmosfæren," forklarer en af hovedforfatterne, Peter Westh, professor på Institut for Bioteknologi og Biomedicin på Danmarks Tekniske Universitet i Kongens Lyngby.
"Næste skridt? At gå fra laboratorietests til virkelige systemer – hvor vi skal sikre enzymets stabilitet, optimere omkostningerne og integrere teknologien i industrielle processer."
CO₂-fangst uden skorstene
DAC er en relativt ny teknologi, der er udviklet til at fjerne CO₂ direkte fra atmosfæren. I modsætning til traditionelle metoder, som fanger CO₂ fra koncentrerede kilder som fx kraftværker eller fabrikker, er målet med DAC at sænke det samlede CO₂-niveau i luften omkring os. Det er en stor udfordring, fordi CO₂ kun udgør omkring 0,04 % af atmosfæren – altså meget lidt. Det gør det både svært og dyrt at indfange CO₂ direkte fra luften på en effektiv måde.
"Den største udfordring er, at traditionelle metoder virker godt, når der er meget CO₂ i luften – som i røgen fra et kraftværk. Men når CO₂ er så fortyndet, som det er i atmosfæren, bliver det meget langsommere og dyrere at fange," forklarer Peter Westh.
En måde at fange CO₂ på er ved hjælp af kemiske stoffer, som kan binde sig til CO₂ – for eksempel hydroxider og carbonater. Et vigtigt gennembrud i den type CO₂-fangst er brugen af et enzym, der findes naturligt i kroppen: kulsyreanhydrase. I levende organismer hjælper det med at få CO₂ til at reagere hurtigt med vand. Forskere arbejder nu på at ændre og tilpasse enzymet, så det også kan bruges i industrielle anlæg – og dermed gøre DAC-teknologien mere brugbar i stor skala.
"Kulsyreanhydrase er et enzym, der får CO₂ til at blive optaget hurtigere. Det virker rigtig godt, når CO₂-koncentrationen er høj – som for eksempel i røggasser fra kraftværker eller cementfabrikker. Det gør hele processen hurtigere, og det betyder, at udstyret kan laves mindre og billigere," fortæller Agnese Zaghini, ph.d.-studerende på Institut for Bioteknologi og Biomedicin på Danmarks Tekniske Universitet.
Hurtig, men energikrævende
Den hurtigste metode, vi i dag har til at opsamle CO₂ fra luften, bruger et meget reaktivt kemikalie kaldet koncentreret hydroxid – som f.eks. natriumhydroxid eller kaliumhydroxid. Hydroxidopløsninger suger CO₂ til sig næsten øjeblikkeligt, og derfor er de meget effektive. Men der er en stor ulempe: Det kræver ekstremt meget varme at trække CO₂’en ud igen – faktisk omkring 7 til 9 gigajoule energi per ton CO₂. Det svarer til energiforbruget i et dansk parcelhus over et helt år og gør metoden både dyr og energitung. Derfor er det tvivlsomt, om teknologien er bæredygtig, hvis den skal bruges i stor skala.
”Lige nu er den hurtigste måde at opsamle CO₂ på at bruge koncentreret hydroxid, som binder CO₂ næsten med det samme. Men det koster rigtig meget energi at frigive CO₂’en igen – omkring 150 til 200 dollars per ton – og derfor er metoden både dyr og mindre bæredygtig,” forklarer Peter Westh.
Derfor undersøger forskere nu alternative opsamlingsstoffer – som for eksempel kaliumcarbonat (K₂CO₃). Det binder CO₂ langsommere end hydroxid, men til gengæld kræver det meget mindre energi at få CO₂’en ud igen. Det gør det til en mere bæredygtig løsning.
”Den her balance mellem hvor hurtigt man kan opsamle CO₂, og hvor meget energi det kræver at slippe den fri igen, har været en af de største stopklodser i udviklingen af teknologien. Og det er netop her, enzymer som kulsyreanhydrase kan vise sig at være en lovende løsning,” siger Silke Flindt Badino, der er forsker og medforfatter på studiet fra Institut for Bioteknologi og Biomedicin på Danmarks Tekniske Universitet.
Et boost fra kogende varme kilder
Kulsyreanhydrase gør det muligt for kaliumcarbonat at opfange CO₂ lige så hurtigt som hydroxid – men uden at det kræver nær så meget energi.
"De første forsøg viser, at man med enzymer måske kan fange CO₂ lige så hurtigt som de systemer, der bruger hydroxid – men med et lavere energiforbrug. For at teste det har vi brugt en lille forsøgsopstilling i laboratoriet, som efterligner, hvordan det kunne fungere i stor skala," forklarer Silke Flindt Badino.
I forsøget brugte forskerne kaliumcarbonat til at fange CO₂ og tilsatte enzymet kulsyreanhydrase for at få reaktionen til at gå hurtigere. Det var særligt vigtigt at undersøge, om enzymet stadig virkede effektivt, selv når mængden af CO₂ i luften er meget lav – som det typisk er i denne type CO₂-fangst.
"Det enzym, vi bruger, er meget stabilt – selv under ekstreme forhold. Det stammer fra en dybhavsbakterie, der hedder Persephonella marina. Den lever i kogende varme kilder på havbunden, de såkaldte hydrotermiske kilder. Det gør enzymet til en stærk kandidat til industriel brug," forklarer Agnese Zaghini.
Laboratorietest
Den eksperimentelle opsætning bestod af en såkaldt "packed column" – et rør fyldt med små glaskugler. Her blev almindelig luft med CO₂ ledt den ene vej, mens en væske, som kan opsamle CO₂ (en væskesorbent), blev pumpet den modsatte vej. På den måde blev kontaktfladen mellem luft og væske gjort så stor som muligt, hvilket giver bedre CO₂-optagelse.
”For at teste, hvordan enzymbaseret CO₂-opsamling virker, byggede vi en kolonne i laboratoriestørrelse med små glaskugler, som efterligner forholdene i en industriel opsætning. Vi pumpede luft igennem væsken og målte, hvor hurtigt reaktionen skete – både med og uden enzymet,” forklarer Agnese Zaghini.
For at finde ud af, hvor godt enzymet virkede, målte forskerne en række vigtige faktorer – blandt andet hvor hurtigt væsken løb igennem, hvilken sammensætning luften havde, og hvor meget enzym der blev brugt. En af de vigtigste tests gik ud på at holde væskens gennemstrømning konstant, mens man ændrede, hvor hurtigt luften blev pumpet igennem. Det skulle vise, om enzymet stadig virkede effektivt, selv når luftmængden steg – noget der er vigtigt, hvis teknologien skal bruges i stor skala.
”Vi holdt væskens hastighed stabil på 25 milliliter i minuttet og testede forskellige luftstrømme. Det var en vigtig test, for den viste, at enzymet stadig virkede, selv når vi øgede mængden af luft. Det beviste, at systemet fungerer under realistiske forhold,” siger Agnese Zaghini.
Fra prototype til virkelighed
Udviklingen af DAC-systemet (Direct Air Capture) bød på en række udfordringer, fordi man ikke bare kunne bruge standardudstyr. Forskerne blev nødt til selv at designe og justere den kolonne, hvor CO₂ bliver optaget, for præcist at kunne måle, hvad enzymet bidrog med i processen.
”Det var ikke ligetil at bygge kolonnen – vi var nødt til at specialdesigne den og tilpasse alle detaljer, så vi kunne være sikre på, at vi målte effekten af enzymet og ikke bare den CO₂, der bliver opsuget naturligt af væsken,” forklarer Agnese Zaghini.
Ved omhyggeligt at styre forsøgsbetingelserne og ændre på, hvor meget luft der strømmede igennem, kunne forskerne finde ud af præcis, hvor meget enzymet forbedrede optagelsen af CO₂. Resultatet viste, at enzymet gør en stor forskel – det får kaliumcarbonat til at opsuge CO₂ langt mere effektivt.
”Hvis man bruger kaliumcarbonat i stedet for hydroxid, kan man spare en masse energi, fordi det ikke kræver så meget varme at få CO₂’en ud igen bagefter. Ulempen er, at det normalt går meget langsommere – og så skal man bruge større og dyrere anlæg. Vores vigtigste opdagelse? Når vi tilsætter et enzym, går det hele hurtigere – og vi løser både problemet med energiforbrug og med hastighed,” forklarer Peter Westh.
Sådan finder man den rette balance
Yderligere analyser viste, at enzymassisteret DAC (Direct Air Capture) rammer en god balance mellem hurtig reaktion og lavt energiforbrug. Enzymet hjælper med at gøre kaliumcarbonat hurtigere til at optage CO₂, og samtidig undgår man den store mængde energi, det normalt kræver at genbruge hydroxid. Det tyder på, at enzymbaserede systemer kan blive lige så effektive som de hydroxid-baserede – bare uden de høje energiomkostninger ved opvarmning.
"Vi fandt et sweet spot: Enzymer løser problemet med kaliumcarbonatets lave hastighed, og kaliumcarbonatet slipper for det store energiforbrug, som hydroxid kræver. Det betyder, at enzymassisteret DAC kan være lige så effektivt som hydroxidbaserede systemer – men med meget lavere energiforbrug," forklarer Peter Westh.
En vigtig udfordring er stadig at kunne producere enzymer i stor skala til en overkommelig pris.
"En af de største udfordringer ved DAC er, at der skal behandles enorme mængder luft for at fange CO₂. Vi opdagede, at jo mere luft vi fører igennem systemet, desto bedre fungerer enzymet. Det bliver ikke overbelastet – og det er helt afgørende, når teknologien skal skaleres op," siger Silke Flindt Badino.
Skalering giver udfordringer
Disse resultater viser, at enzymer kan bruges til at gøre CO₂-fangst mere energieffektiv og nemmere at skalere op sammenlignet med de traditionelle metoder, som kræver meget energi. Selvom enzymbaserede systemer kan gøre det hurtigere at fange CO₂ fra luften, er det største problem stadig, hvordan man slipper af med CO₂’en igen – en proces, der normalt kræver meget høj varme i de klassiske systemer. Hvis teknologien skal fungere i stor skala, skal enzymet kunne klare de hårde forhold uden at blive ødelagt.
”En stor udfordring ved at bruge enzymet i industrien er, at det kun er første skridt at fange CO₂. Det næste – at frigive CO₂’en, så den kan lagres eller bruges – kræver normalt høj temperatur. For at det her kan fungere i stor skala, skal vi sikre, at enzymet også virker under de ekstreme forhold,” forklarer Silke Flindt Badino.
Flere virksomheder producerer allerede enzymer i stor skala til industrien, men det er stadig uklart, om det kan gøres billigt nok til at dække behovet i CO₂-fangst fra luften (DAC).
”Det er stadig usikkert, hvor dyrt det bliver at producere enzymet i stor skala til DAC. Nogle firmaer har allerede kapaciteten, og andre er godt på vej med fuldskala systemer til CO₂-fangst – men de præcise priser er stadig uklare. Alligevel tyder meget på, at vi nærmer os et punkt, hvor det kan lade sig gøre kommercielt,” siger Peter Westh.
Pris betyder noget, men det gør holdbarhed også
Når man ser på prisen i forhold til effekten, er enzymbaseret CO₂-fangst allerede en god løsning ved punktkilder som f.eks. kraftværker. Her er der nemlig meget mere CO₂ i luften, hvilket gør fangsten både billigere og mere effektiv. Til gengæld er det dyrere, når man forsøger at fange CO₂ direkte fra atmosfæren (DAC), fordi koncentrationen er meget lavere.
Men selv her kan enzymbaserede løsninger vise sig at være økonomisk fornuftige. Forsøg viser, at nogle enzymer kan holde i op til en måned, før de skal udskiftes – og det tyder på, at teknologien kan bruges i større skala uden at blive alt for dyr.
"Ved fangst fra punktkilder som kraftværker er prisen allerede nede under 100 dollars per ton CO₂. DAC er naturligt dyrere, fordi CO₂ er så fortyndet i atmosfæren. Men fordi nogle enzymer kan holde i cirka en måned, ser det stadig lovende ud," forklarer Peter Westh.
Enzymbaseret DAC kan altså blive en vigtig teknologi i fremtiden, men der er stadig behov for mere forskning – især i at gøre enzymerne mere stabile, gøre produktionen billigere og få teknologien til at fungere i stor skala.
"I laboratoriet har vi set, at det virker rigtig godt. Nu handler det om at få teknologien til at virke i praksis – i stor skala," siger Silke Flindt Badino.
Det næste skridt er derfor at teste teknologien under mere realistiske forhold. Det betyder højere gasstrømme, skiftende temperaturer og længere driftstider. Her er samarbejde med virksomheder, der allerede arbejder med store fangstanlæg, en vigtig nøgle.
"Det store næste skridt er at skalere op. Vi har bevist, at det virker i laboratoriet – nu skal vi finde ud af, om det også virker i virkeligheden. Det ville være fantastisk at samarbejde med et team, der allerede har store DAC-anlæg og teste enzymet dér," siger Agnese Zaghini.
Fra laboratorium til industri
En af de største tekniske udfordringer er den enorme mængde luft, der skal behandles i et fuldskala DAC-anlæg (Direct Air Capture). I laboratoriet har forskerne kun arbejdet med 50 milliliter væske ad gangen, men i virkeligheden skal et industrielt system kunne trække CO₂ ud af tusindvis af kubikmeter luft – og det skal ske hele tiden, uden afbrydelser. Derfor bliver det helt afgørende at teste teknologien i større skala, på anlæg der kan efterligne de forhold, man møder i industrien. Her kan man finde ud af, om enzymet også fungerer stabilt og effektivt, når det virkelig gælder.
"Vi brugte kun små mængder i laboratoriet – omkring 50 milliliter. Men hvis teknologien skal bruges i praksis, taler vi om at håndtere tusindvis af kubikmeter luft. Derfor er tests i større skala – især på Danmarks avancerede anlæg – helt nødvendige for at bygge bro mellem laboratoriet og virkeligheden," forklarer Peter Westh.
For at tage næste skridt er det helt afgørende at skaffe finansiering og finde virksomheder, der vil være med. Forskerne er allerede i dialog med nogle potentielle partnere, men der mangler stadig midler til at gennemføre de store tests. Et samarbejde med hold, der allerede arbejder med CO₂-fangst, kan hjælpe med at få enzymmetoden ud i virkelige anvendelser og finjustere processen, så den kan bruges kommercielt.
"Vi taler allerede med mulige partnere og leder aktivt efter finansiering. Det næste vigtige skridt er at samarbejde med teams, der har udstyret og erfaringen til at teste systemet under realistiske forhold," siger Peter Westh.
Enzymer, der arbejder smartere
Et vigtigt fokus for den videre forskning er at finde smartere måder at bruge enzymet på. I dag er enzymet opløst i væsken, der bruges til at fange CO₂, og det betyder, at man skal bruge ret store mængder for at få det til at virke effektivt. Hvis man i stedet kunne fastgøre enzymet på en overflade – eller gøre det mere effektivt – kunne man nøjes med meget mindre enzym og måske endda få et endnu bedre resultat.
"Måske bør næste skridt være at forbedre måden, enzymet anvendes på. Lige nu flyder det rundt i opløsningen, men det kræver meget enzym. Derfor arbejder vi nu med enzymteknologi og nye metoder, der kan gøre processen mere effektiv, så vi kan bruge mindre enzym og stadig få samme løft i CO₂-fangst," forklarer Agnese Zaghini.
Samtidig med at teknologien omkring enzymbaseret CO₂-fangst (DAC) udvikler sig, bliver det vigtigt at kommunikere klart og tydeligt. Forskerne ved, at de tekniske detaljer er vigtige, men det er mindst lige så vigtigt, at resultaterne kan forstås af både politikere, erhvervsfolk og den brede befolkning.
"Vi vil give al den feedback, vi kan. Vi forstår balancen – hvis det bliver for teknisk, mister man folk; rammer vi den rigtige tone, rykker vores forskning fremad. Med løbende forskning, pilotforsøg og samarbejde med industrien kan enzymbaseret DAC udvikle sig til en skalerbar og omkostningseffektiv metode til at reducere CO₂ i atmosfæren," siger Peter Westh.
