De motivatie voor duurzame vliegtuigbrandstoffen

Wereldwijde vliegreizen verbruiken jaarlijks meer dan 100 miljard liter vliegtuigbrandstof. Dat zal naar verwachting in 2025 meer dan verdubbelen tot 230 miljard gallon. Ondanks de huidige pandemie weerspiegelen deze projecties de toekomstige verwachte passagiersvraag. Luchtvaartmaatschappijen willen voldoen aan de eisen van de markt en tegelijkertijd hun CO2-uitstoot verminderen.

In feite hebben luchtvaartmaatschappijen over de hele wereld zich gecommitteerd aan koolstofneutrale groei vanaf 2021. Als onderdeel van die toezegging hebben Amerikaanse luchtvaartmaatschappijen een doel gesteld om de uitstoot van kooldioxide tegen 2050 met 50 procent te verminderen ten opzichte van het niveau van 2005.

Het bereiken van dat doel zal niet gemakkelijk zijn. Elektrische vliegtuigen maken niet veel een deuk omdat de batterijen alleen de kleinste lichte vliegtuigjes kunnen voeden. De enige manier om emissiereductiedoelstellingen te bereiken, is met vloeibare brandstoffen met een lagere CO2-voetafdruk: Sustainable Aviation Fuels (SAF).

John Holladay van het Pacific Northwest National Laboratory was co-auteur van een recent rapport dat de weg naar goedkope, schone brandende en roetarme vliegtuigbrandstof presenteert.

“Tegenwoordig zijn er zeven goedgekeurde SAF-routes, maar het gebruik ervan is beperkt. Luchtvaartmaatschappijen willen SAF echt gebruiken, maar het moet concurrerend zijn met op aardolie gebaseerde brandstoffen, aangezien brandstof ongeveer 30 procent uitmaakt van de bedrijfskosten van een luchtvaartmaatschappij. “, zegt Holladay, de manager van de transportsector bij PNNL, die hielp bij de ontwikkeling van een brandstof op basis van afvalstoffen die wordt gebruikt in een vlucht van Virgin Atlantic.

Het rapport, Sustainable Aviation Fuel: Review of Technical Pathways, is geschreven door PNNL, National Renewable Energy Laboratory en University of Dayton voor het Bioenergy Technologies Office (BETO) in het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy van het Amerikaanse Department of Energy. Het schetst de onderzoeksbehoeften om meer vliegtuigbrandstof te produceren uit hernieuwbare en verspilde bronnen.

Het rapport presenteert nieuwe inzichten die het resultaat zijn van een studie van de luchtvaartindustrie, commerciële vliegtuigbrandstof, de samenstelling, specificaties en certificeringsproces, en de uitdagingen en successen met goedgekeurde chemische routes die biomassa omzetten in vliegtuigbrandstof. Het rapport beoordeelt ook procesverbeteringen, techno-economische analyse en supply chain-problemen.

Een ander probleem oplossen

Zoals gedetailleerd in het rapport, kunnen de kosten van duurzame grondstoffen waarschijnlijk worden verlaagd door te kijken naar niet-traditionele biomassa. Het klassieke idee van maïs of specifieke gewassen die worden verbouwd om brandstoffen te produceren, maakt plaats voor het gebruik van niet-traditionele afvalmaterialen. Milieuproblemen zoals vast stedelijk afval, riolering, afvalgassen zoals koolmonoxide en zelfs gedeconstrueerd plastic zijn rijke bronnen van koolstof die kunnen worden omgezet in vliegtuigbrandstof.

Vetten en landbouwafval of bosresten zijn andere soorten afgedankt materiaal, die met bestaande biologische of thermische processen kunnen worden verwerkt om hoogwaardige tussenproducten te produceren.

“Het kost steden en bedrijven geld om dit afval te beheren en te verwerken, maar als we deze verplichtingen kunnen omzetten in een hoogwaardig product, verandert de waardepropositie helemaal”, aldus Holladay. “Wanneer we deze goedkope grondstoffen opnemen, komt er genoeg biomassa over om op te schalen naar industriële productieniveaus. Sommige grondstoffen zijn zelfs gratis, en dat verlaagt de kosten van SAF aanzienlijk.”

De eigenschappen van vliegtuigbrandstof optimaliseren

Op korte termijn is uitbreiding van de productiecapaciteit van bestaande goedgekeurde brandstoffen cruciaal. Maar uiteindelijk verbetert het leveren van een brandstof met verbeterde eigenschappen, binnen de grenzen van de specificaties, de mogelijkheid voor markttrekking verder, aldus het rapport.

‘We hoeven niet alleen op petroleum gebaseerde brandstof na te bootsen’, zei Holladay. “Als we een nieuwe brandstof gaan maken, kunnen we net zo goed een brandstof maken die beter is. En met het aanvullende onderzoek en de ontwikkeling die in dit rapport worden voorgesteld, kunnen we dat.”

Het rapport roept op tot een dieper begrip van de kritische brandstofeigenschappen van de vier koolwaterstoffamilies waaruit vliegtuigbrandstof bestaat. Deze families worden in chemische termen beschreven als aromaten, n-alkanen, iso-alkanen en cycloalkanen. De laatste twee moleculenfamilies bieden alle eigenschappen die nodig zijn in vliegtuigbrandstof. De eerste twee, aromaten en n-alkanen, worden vaak gecoproduceerd; hun primaire productie is echter geen optimaal onderzoeksgebied voor SAF.

SAF moet in de eerste plaats veilig zijn voor gebruik in vliegreizen. Dit omvat het produceren van een schone brandstof die de straalmotoren niet schaadt, die op grote hoogte niet bevriest en een laag vlampunt heeft om veilig op de grond te kunnen tanken. Met het oog op veiligheid zijn er nieuwe mogelijkheden om roetvorming te verminderen door de hoeveelheid aromaten in de brandstof te verminderen.

“Uiteindelijk hebben we SAF nodig die veilig en goedkoop zijn en een hoge energie-inhoud hebben”, zei Holladay. “Het rapport beveelt aan dat het onderzoek zich richt op manieren om goedkope iso-alkanen en cycloalkanen te maken die betere SAF-prestaties mogelijk maken. “

Het mengen van de twee kan brandstof een hogere energie-inhoud geven dan vliegtuigbrandstof terwijl het voldoet aan de vereiste dichtheidsspecificatie, zodat vliegtuigen verder kunnen vliegen met minder brandstof. Ze kunnen ook schoner verbranden door de aromaten in brandstof te verdunnen. Aromaten creëren roet en de veelbetekenende contrails die bijdragen aan atmosferische opwarming.

Er zijn veel soorten iso-alkanen en cycoalkanen die kunnen worden gebruikt in vliegtuigbrandstof, maar ze zijn duur en sommige cycloalkanen kunnen bevriezen bij extreme koude temperaturen op kruishoogtes. Aanbevolen onderzoeksdoelen zijn onder meer een beter begrip van de verbranding en moleculaire eigenschappen van cycloalkanen en hoe ze goedkoop kunnen worden geproduceerd en goedgekeurd voor gebruik in vliegtuigbrandstof.

Het is de brandstof … en nog veel meer

Het rapport vermeldt ook de kritische brandstofeigenschappen die vereist zijn voor certificeringsprocessen. De certificering van vliegtuigbrandstof is tijdrovend en duur en kan alleen worden bereikt door inzicht in de vereiste kritieke brandstofeigenschappen en hun impact.

De auteurs merken ook op dat bioraffinaderijen, die goedkope biomassa en afval zullen omzetten, veelzijdig moeten zijn en een verscheidenheid aan jet- en andere brandstoffen moeten produceren. De technologie moet deze raffinaderijen in staat stellen om kostenconcurrerend te zijn wanneer ze op veel kleinere schaal worden geëxploiteerd dan aardolieraffinaderijen. De toeleveringsketens – van grondstoffen en infrastructuur tot opslag en levering – moeten ook in aanmerking worden genomen bij het beschouwen van de volledige kosten van de brandstof. Deze onderwerpen moeten worden aangepakt in onderzoek en bij de analyse van technische en economische voordelen voor de SAF-industrie.

Het rapport moedigt Amerikaanse onderzoekers aan om samen te werken met partners in Canada en Mexico om te profiteren van synergieën in Noord-Amerika. Canada herbergt een derde van ’s werelds gecertificeerde duurzame bossen en Mexico heeft een warm klimaat dat de groei van duurzame grondstoffen mogelijk maakt. Beide landen kunnen bijdragen aan biomassa-grondstoffen en bieden unieke kansen voor samenwerking.