Een nieuwe route voor ‘drop-in’ duurzame vliegtuigbrandstof voor netto-nulvluchten

Vliegtuigen staan ​​op een keerpunt in de race om de uitstoot te verminderen om klimaatverandering tegen te gaan. Hoewel de vliegtuigsector slechts verantwoordelijk is voor een deel van de transportgerelateerde uitstoot van broeikasgassen in de Verenigde Staten – met 9% – is het moeilijk om koolstofarm te maken.

Nu de vraag naar vliegtuigbrandstof tegen 2050 verdubbeld is en luchtvaartmaatschappijen toezeggingen doen om de uitstoot te verminderen, zijn innovaties in brandstoffen, motoren en opkomende technologieën van cruciaal belang om de kloof naar netto nul te dichten.

Die taak kreeg net een uitbarsting van energie met de publicatie van een nieuw artikel over koolstofnegatieve duurzame vliegtuigbrandstof (SAF) door wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL), de University of Dayton, Yale University en Oak Ridge National Laboratory .

Gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciencesschetst het artikel een bioraffinageproces waarbij gebruik wordt gemaakt van de onbenutte energie van voedselafval en ander nat afval om SAF te produceren die zowel compatibel is met bestaande straalmotoren als in staat is om een ​​vlucht zonder koolstofuitstoot te ondersteunen. In de praktijk betekent dit dat de broeikasgasemissies die worden veroorzaakt door de verbranding van vliegtuigbrandstof, op nul worden gezet door de broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus die worden verwijderd uit of omgeleid uit de atmosfeer bij het produceren van de brandstof.

Grote luchtvaartbedrijven, waaronder Southwest Airlines, werken al samen met NREL en andere organisaties aan het demonstratieproject voor natte afvalvluchten van het Amerikaanse Department of Energy. Vanaf 2019 begon Southwest met NREL samen te werken als onderdeel van haar grotere toewijding om commercieel levensvatbare SAF op te nemen in haar activiteiten, indien beschikbaar.

Met deze publicatie is het verplaatsen van dergelijke inspanningen van demonstratie naar commerciële realiteit dichterbij dan ooit tevoren.

“Als ons raffinagepad wordt opgeschaald, kan het slechts een jaar of twee duren voordat luchtvaartmaatschappijen zoals Southwest de brandstofregulerende goedkeuringen krijgen die ze nodig hebben om nat afval SAF te gaan gebruiken in commerciële vluchten”, aldus NREL-wetenschapper Derek Vardon, de overeenkomstige auteur van het artikel. “Dat betekent dat netto-koolstofvrije vluchten eerder aan de horizon verschijnen dan sommigen misschien hadden gedacht.”

Identiek aan fossiele vliegtuigbrandstof, maar met een negatieve koolstof-twist

De indrukwekkende emissiereducties van de SAF van de onderzoeker – een daling van 165% in netto koolstofemissies in vergelijking met fossiele straalvliegtuigen – zijn haalbaar door de enorme broeikasgasvoetafdruk van voedselverspilling aan te pakken.

Elk jaar worden miljoenen tonnen voedselafval naar stortplaatsen in het hele land gesleept. Eenmaal daar, rot het en produceert het methaan, een broeikasgas dat meer dan 20 keer krachtiger is dan kooldioxide.

Het elimineren van voedselverspilling als bron van methaan kan dus een zeer effectieve manier zijn om de uitstoot van stortplaatsen terug te dringen.

Het kan ook effectief zijn bij het produceren van brandstof. Eerder onderzoek toonde aan hoe de methaanproductie kan worden onderbroken met fermentoren die de koolstofenergie van voedselafval en ander organisch “nat afval” omzetten in vluchtige vetzuren (VFA’s), die kunnen worden opgewaardeerd tot vliegtuigbrandstof. Maar die studies, die weliswaar aantoonden dat SAF uit nat afval mogelijk is, documenteerden niet hoe een dergelijke brandstof zou kunnen voldoen aan de eisen van ASTM International op het gebied van brandstofeigenschappen.

“Voldoen aan ASTM-normen is verplicht voor het gebruik en de implementatie van nieuwe SAF door de industrie”, zei Vardon. “Ons artikel laat zien dat we drop-in SAF kunnen maken die aan die normen voldoen, met analyse die onthult hoe VFA’s kunnen worden verfijnd, zodat luchtvaartmaatschappijen grote hoeveelheden VFA-SAF kunnen gebruiken zonder in te boeten aan prestaties.”

Met behulp van een katalysator om meer koolstof aan VFA-moleculen toe te voegen, lieten Vardon en de andere wetenschappers zien hoe ze lange reeksen energierijke paraffine-koolwaterstoffen konden bouwen die in wezen chemisch identiek zijn aan die in conventionele vliegtuigbrandstof, behalve met een fractie van de koolstofvoetafdruk.

“De NREL SAF-route tegen voedselverspilling is een veelbelovende kandidaat voor ASTM International D4054 Fast Track-evaluatie”, zegt Josh Heyne, universitair hoofddocent mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Dayton, die co-auteur is van de paper en toonaangevende expert op het gebied van SAF ASTM-testen. “De brandstofmonsters die we hebben getest, hebben veelbelovende samenstellingen, en het vermogen van NREL om deze samenstellingen aan te passen is zeer gunstig voor goedkeuring.”

De lucht is de limiet voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen

Het gebruik van grotere hoeveelheden SAF in straalmotoren vereist meer tijd om te worden goedgekeurd, maar dit kan ook een veel grotere vermindering van de netto-uitstoot mogelijk maken. Om een ​​weg te bieden voor het verkrijgen van ASTM-goedkeuring voor hogere mengsels, schetst het artikel een extra stap om complexere moleculen te produceren, isoparaffines genaamd, die unieke vertakte chemische structuren kunnen hebben.

Met meer testen zou SAF gemaakt van een combinatie van hernieuwbare isoparaffines en paraffines met een rechte keten kunnen worden gemengd met conventionele vliegtuigbrandstof in hogere concentraties, tot wel 70%.

“Aangezien het SAF-mengsel een ecologische voetafdruk zou hebben die 165% lager is dan die van fossiele straalvliegtuigen, is dat mengsel hoog genoeg om de vlucht koolstofvrij te maken”, legt Vardon uit.

Het resultaat is een brandstofraffinageproces dat luchtvaartmaatschappijen een snelle overwinning biedt op het verminderen van emissies op korte termijn met kleinere hoeveelheden SAF, terwijl het ook een blauwdruk op lange termijn biedt voor hogere SAF-mengsels die diepere emissiereducties mogelijk maken.

“Het ontwikkelen van nieuwe SAF-productietechnologieën om grondstoffen om te zetten die verder gaan dan vetten, oliën en vetten, is van cruciaal belang voor de toekomstige groei van onze industrie”, zegt Bryan Sherbacow, Chief Commercial Officer van World Energy – een wereldwijd biobrandstofbedrijf dat ’s werelds eerste SAF exploiteert. raffinaderij, opgericht in Californië in 2016. “Deze demonstratie door NREL om SAF te produceren uit nat afval toont het technische potentieel aan voor flexibiliteit van de grondstoffen die de industrie nodig heeft om brandstof op schaal te decarboniseren.”

Commerciële vlucht samenvoegen

Het bereiken van flexibiliteit op het gebied van grondstoffen op schaal is geen sinecure. Het vereist een multidisciplinair team van vooraanstaande wetenschappers, analisten en experts uit de industrie, die allemaal vanuit hun hoek van de puzzel naar binnen werken ter ondersteuning van een overtuigende schets voor commerciële vluchten met SAF. Terwijl sommigen de katalysatorchemie verfijnen voor het upgraden van VFA’s, testen anderen de brandstofeigenschappen in het laboratorium. Weer anderen analyseren de economie van het opvoeren van de industriële productie.

Maar misschien zijn de meest kritische spelers aan tafel zelf de commerciële luchtvaartmaatschappijen. Verschillende grote Amerikaanse luchtvaartmaatschappijen hebben zich al gecommitteerd aan het gebruik van SAF in hun vliegtuigen en voeren hun inspanningen op om nieuwe routes naar koolstofarme SAF te vinden om hun milieudoelstellingen te helpen bereiken.

Southwest Airlines werkt bijvoorbeeld samen met NREL om SAF uit nat afval op te schalen en geeft inzicht in de industrie over hoe de brandstof kan worden gebruikt en geleverd in belangrijke regio’s in de Verenigde Staten. Door een route te beschrijven voor het produceren van SAF op grotere schaal, zou dit nieuwe onderzoek het voor de luchtvaartmaatschappij gemakkelijker kunnen maken om de brandstof op grotere schaal toe te passen en de uitstoot van haar activiteiten te verminderen.

“We zijn verheugd om samen te werken met NREL terwijl we onze reis voortzetten om commercieel levensvatbare SAF een realiteit te maken en een deel van de toekomst van Southwest te maken”, aldus Michael AuBuchon, senior directeur van Fuel Supply Chain Management bij Southwest. “Het valt niet te ontkennen dat de rol van SAF bij het verminderen van emissies in de hele industrie en in Southwest aanzienlijk zal zijn. NREL’s onderzoek zou een baanbrekende kans kunnen bieden om SAF kosteneffectief te maken, wat leidt tot een grootschaliger implementatie.”

“Onze SAF-route is geen wondermiddel,” voegde Vardon eraan toe, “maar als een stukje van de puzzel zou het een aanzienlijke deuk kunnen betekenen in een industrie die notoir moeilijk te decarboniseren is.”

Het analyseteam van NREL heeft inderdaad aangetoond dat nat afval in de VS, inclusief voedselafval, voldoende energie bevat om ongeveer 20% van het verbruik van vliegtuigbrandstof in de VS te dekken. Aangezien brandstof een primaire bron van broeikasgasemissies is in de luchtvaartindustrie, is koolstofnegatieve SAF van goedkoop nat afval misschien wel precies wat het nodig heeft om een ​​bredere impuls te geven aan decarbonisatie.