Iranin sodan vaikutukset öljymarkkinoilla ovat lisänneet huomiota EU:n suunnitelmiin tuottaa itse vähäpäästöistä lentopolttoainetta. EU-säännökset synteettisille lentopolttoaineille kuitenkin vaarantavat kehityksen suuntaamisen tuotantotapoihin, jotka ovat sekä kalliimpia että energiaintensiivisempiä kuin on tarpeen – ja siten vaikeuttavat ilmastotavoitteiden saavuttamista. Tämä selviää Chalmersin tutkimuksesta, jossa analysoitiin erilaisia synteettisen metanolin valmistusmenetelmiä.
Viime vuonna otettiin käyttöön säännöt, jotka edellyttävät vähintään 2 prosentin kestävän lentopolttoaineen sekoittamista EU:n lentokentillä. Tämän sekoitusvaatimuksen on määrä nousta asteittain vähintään 70 prosenttiin vuoteen 2050 mennessä. Puolet kestävistä lentopolttoaineista on tällöin niin kutsuttua RFNBO: uusiutuva, ei-biologista alkuperää oleva polttoaine. Ne ovat synteettisiä polttoaineita, joita kutsutaan myös sähköpolttoaineiksi ja jotka valmistetaan uusiutuvasta vedystä ja talteen otetusta hiilidioksidista.
Nyt Chalmersin tutkijat osoittavat, että RFNBO-säännöt suosivat ”kiertoreittiä” synteettisten polttoaineiden valmistuksessa, mikä riskää sekä kustannusten että energiankulutuksen kasvua.
– Säännökset eivät vaikuta vain teollisuuden investointeihin teknologiaan, vaan myös siihen, mihin tutkimukseen ja kehitykseen priorisoidaan. Sen sijaan, että edistäisimme innovaatioita tehokkaimpiin ratkaisuihin, vaarana on, että jumiudumme vähemmän resurssitehokkaisiin tuotantotapoihin, sanoo Henrik Thunman, energitekniikan professori Chalmersissa ja tieteellisen artikkelin toinen kirjoittaja.
Tuhansia uusia tehtaita tarvitaan maailmanlaajuisesti vastaamaan kasvavaan kestävien lentopolttoaineiden kysyntään tulevina vuosikymmeninä. Kyse on erittäin suurista investoinneista pitkäikäisiin laitoksiin.
Suuri ero eri reittien välillä saman raaka-aineen ja lopputuotteen välillä
Chalmersin tutkijat ovat tutkineet synteettisen metanolin valmistusta, joka on esimerkki polttoainemolekyyleistä, joista voidaan valmistaa kestävää lentopolttoainetta. Se on edustava esimerkki analysoitaessa, miten erilaiset tuotantoreitit vaikuttavat tällaisten polttoainemolekyylien valmistuksen resurssien kulutukseen.
Nämä energiaa sisältävät molekyylit voidaan tuottaa yhdistämällä hiiliatomeja ja vetykaasua kemiallisissa prosesseissa. opinnot tutkijat vertailivat kolmea erilaista metanolin tuotantoreittiä, jossa hiiliatomit tulevat biomassasta – niin sanotusta biogeenisestä hiilestä. Kaksi menetelmää perustuu biomassan polttoon, jossa hiilidioksidi otetaan talteen savukaasuista ja sekoitetaan sitten erikseen sähköllä tuotettuun vetyyn. Kolmas menetelmä perustuu kaasutukseen, jossa kuumennettu biomassa muunnetaan suoraan synteesikaasuksi, joka sisältää sekä hiiltä että vetyä.
Alla kolme tuotantoreittiä ovat teknisesti toteutettavissa, ja sekä raaka-aine että lopputuote voivat olla samoja. Sen sijaan ne eroavat selvästi toisistaan energiankulutuksen, kustannusten ja sähköntarpeen osalta.
Suora tuotantoreitti voidaan sivuuttaa sääntelyn muotoilun vuoksi
– Kaasutusvaihtoehto osoittautui resurssitehokkaimmaksi analyysissamme, sen tuotantokustannukset olivat jopa 46 prosenttia matalammat ja sähköntarve 30 prosenttia pienempi kuin kahdessa polttopohjaisessa vaihtoehdossa. Ero osoittaa, kuinka suuria energiahäviöitä voi syntyä, kun biomassaa ensin poltetaan hiilidioksidiksi, joka sen jälkeen jälleen rakennetaan polttoainemolekyyleiksi käyttämällä suuria määriä sähköä ja vetyä, sanoo Johanna Beiron, Chalmersin fyysisen resurssiteorian tutkija ja artikkelin ensimmäinen kirjoittaja.
Tästä huolimatta EU:n lainsäädäntö suosii merkittävästi enemmän polttamista kuin kaasutusta. RFNBO-kategoria – jonka on määrä kasvaa nykyisestä lähes nollasta 35 prosentin osuuteen kaikista lentopolttoaineista EU:ssa vuoteen 2050 mennessä – kattaa kaiken polttoaineen polttamisvaihtoehdoista, mutta sulkee pois noin puolet kaasutuspolttoaineesta.
Syynä on se, että RFNBO:ta ei saa tuottaa biomassasta peräisin olevalla energialla ja hiiliatomeilla, mikä suurimmaksi osaksi tapahtuu kaasutusmenetelmässä. Sen sijaan saa käyttää biomassasta peräisin olevia hiiliatomeja poltossa, jos se tehdään siten, että otetaan talteen hiilidioksidi, joka syntyy biomassaa käytettäessä muihin energiatarkoituksiin. Esimerkki tästä on metsäteollisuuden jäteaineiden polttaminen lämpö- ja sähkövoimalaitoksissa.
Mutta tällaista jäännösmateriaalia voidaan siis hyödyntää resurssitehokkaammin kaasuttamalla.
– Yksi analysoimistamme polttoaineisiin perustuvista vaihtoehdoista oli prosessi voimalaitoksessa, sanoo Johanna Beiron. Sen kustannus- ja energiatehokkuus on alhaisempi kuin kaasutuksen, vaikka laskemmekin mukaan ylimääräisen sähkön, jota tarvitaan esimerkiksi polttoprosessin mahdollisesti tuottaman kaukolämmön korvaamiseksi.
Ohjaus voi vaarantaa omat tavoitteensa
RFNBO-luokituksen tarkoituksena on muun muassa edistää uusiutuvan sähkön tuotannon lisääntymistä, vihreän vedyn valmistusta ja biomassan, joka on rajallinen resurssi, käytön vähentämistä.
Mutta synteettisen lentopolttoaineen hiili on hankittava jostain. Biomassan odotetaan olevan kustannustehokkain fossiiliton hiilenlähde RFNBO:lle, ja tutkijat arvioivat, että nykyiset säännökset johtavat erittäin suureen kysyntään biomassasta peräisin olevasta hiilidioksidista. Sen sijaan, että biomassan tarvetta vähennettäisiin, EU:n säännöt vaarantavat päinvastoin rajallisen biomassaresurssin vähemmän energiatehokkaan käytön.
– Lainsäädäntö ei ota riittävästi huomioon sitä, kuinka tehokkaasti eri järjestelmät käyttävät energiaa ja resursseja, sanoo Henrik Thunman. Tutkimus valottaa siten EU:n energia- ja teollisuuspolitiikan rakenteellista kysymystä: ohjaus voi vaarantaa omat tavoitteensa, kun kestävien polttoaineiden määritelmät eivät ole linjassa perusenergetiikan periaatteiden ja unionin yleisten resurssitehokkuuttavanneiden tavoitteiden kanssa.
Tehokasta siirtymistä varten saatetaan tarvita tarkistettuja sääntöjä
Tutkijat toivovat tulostensa lisäävän tietoisuutta käytettävissä olevista tekniikoista ja järjestelmistä.
– On yllättävää, että EU:n säännöt eivät ohjaa selkeämmin tehokkaimpia vaihtoehtoja kohti, sanoo Johanna Beiron. Nykyinen sääntely saattaa johtaa lukkiutumiseen polttopohjaisiin energiajärjestelmiin, vaikka on jo olemassa teknisesti kypsiä prosesseja, joilla saavutettaisiin sekä pienempi energiankulutus että kustannukset – esimerkiksi kaasutus ja kaukolämmön sähköistäminen.
– Tutkimuksemme osoittaa, että joitakin sääntelykehyksen osia on todennäköisesti muutettava, jotta EU voi saavuttaa pitkän aikavälin tavoitteensa, sanoo Henrik Thunman. Ilmastotavoitteiden, resurssitehokkuuden ja teollisen toteutettavuuden välillä tarvitaan parempaa koordinointia nykyisen epävarmuuden ratkaisemiseksi. Sen vuoksi kestävien lentopolttoaineiden suuren mittakaavan laajentamisen investointipäätösten tekeminen tulevina vuosina on vaikeaa.
Lisätietoja: tutkimus
Opinnot Lukittu RFNBO-polttoaineisiin – Johtaako EU:n niin kutsuttuihin "drop-in"-synteettisiin lentopolttoaineisiin liittyviin mandaatteihin energiankäytön ja kustannusten tehokkuuden heikkeneminen? on julkaistu aikakauslehdessä Polttoaine. Sen suorittivat Chalmersin tutkijat Johanna Beiron, Simon Harvey ja Henrik Thunman.
Tutkimus on osa projektia FUTNERC, Muutos kohti negatiivisia päästöjä Ruotsin jalostamo- ja petrokemianteollisuudessa. Se on viisivuotinen tutkimushanke, jonka Ruotsin energivirasto (Energimyndigheten) rahoittaa 50-prosenttisesti ja yritykset VaroPreem ja Borealis kumpikin 25-prosenttisesti. Hankkeen tavoitteena on edistää kemianteollisuuden murrosta, jotta jalostamoilta ja kemianteollisuudelta peräisin olevat kasvihuonekaasupäästöt olisivat nettonolla tai negatiiviset viimeistään vuonna 2050.
Lisätietoa: synteettisen metanolin valmistuksen kolme menetelmää
Tutkijat päättivät tutkia juuri metanolin tuotantoa, koska se on selkeä esimerkki, jolla voidaan näyttää, miten polttoaineen valmistuksen kokonaistehokkuuteen vaikuttaa se, käytetäänkö hiiltä suoraan biomassan hiilidioksidipitoisena kaasuna vai muunnetaanko se ensin hiilidioksidiksi, joka sitten rakennetaan uudelleen vedyllä. Tutkimuksessa vertaillaan kolmea vakiintunutta, mutta vielä kaupallisesti käyttämätöntä tuotantoreittiä, jotka perustuvat uusiutuvaan vetyyn ja biomassaan metsäteollisuuden jäteaineiden muodossa.
1. Poltto hiilidioksidin talteenotolla
Biomassaa poltetaan ja savukaasuista talteen otettua hiilidioksidia. Tämän jälkeen lisätään vety, joka on tuotettu erikseen vedestä ja sähköenergiasta. Hiilidioksidi reagoi vedyn kanssa katalyyttisessä prosessissa, joka muodostaa metanolia.
- Korkea tuotantokustannus (1055 euroa tonnilta metanolia)
- Korkea sähkönkulutus (1,8 megawattia sähköä per megawatti metanolia)
- Alhainen energiatehokkuus (noin 37 prosenttia)
2. Poltto ja hiilidioksidin talteenotto samanaikaisella energiantuotannolla
Muistuttaa ensimmäistä tapaa, mutta polttoa käytetään myös sähkön tai lämmön tuottamiseen, esimerkiksi kaukolämpöjärjestelmiin. Tutkimuksessa otetaan huomioon myös tämäntyyppisen energian korvaamiseen tarvittava lisäsähkö.
- Kolmesta vaihtoehdosta kallein (1495 euroa tonnilta metanolia)
- Korkea sähkönkulutus (1,6 megawattia sähköä per megawatti metanolia)
- Melko alhainen energiatehokkuus (noin 37 prosenttia)
3. Biomassan kaasutus
Biomassa muunnetaan kaasutuksen avulla synteesikaasuksi, joka koostuu hiilimonoksidista ja vetykaasusta ja jota käytetään sen jälkeen suoraan metanolin synteesissä. Kaasutuksessa muodostuu myös jonkin verran hiilidioksidia, joka voi myös muodostaa metanolia yhdessä pienen määrän lisätynyt vetykaasun kanssa.
- Edullisin kolmesta vaihtoehdosta (820 euroa tonnilta metanolia)
- Pienin sähkönkulutus (1,2 megawattia sähköä per megawatti metanolia)
- Erittäin energiatehokas (noin 46 prosenttia)
Lisätietoja: EU:n säännöstö
EU-asetus Polttoaine EU-lentoliikenteelle sitouttavia vaatimuksia kasvavalle osuudelle kestäviä lentopolttoaineita, jotka sekoitetaan EU:n lentokentillä myytävään lentopolttoaineeseen. Ensimmäiset vaatimukset tulivat voimaan vuonna 2025, ja niitä on määrä kiristää asteittain kestävien polttoaineiden tuotannon edistämiseksi.
Vuoteen 2050 mennessä vähintään puolet kaikista kestävistä lentopolttoaineista tulee olemaan RFNBO (ei-biologista alkuperää olevat uusiutuvat polttoaineet). Toinen puolisko koostuu neljästä muusta kestävän lentopolttoaineen kategoriasta.
