Fossilfria flygbränslen kan bli onödigt dyra och energikrävande med EU:s regler

https://mb.cision.com/Public/5569/4311721/93af876b0074060f_800x800ar.jpg

EU:s regelverk riskerar att leda till resursslöseri när hållbart flygbränsle ska produceras med biomassa som råvara, visar forskare på Chalmers. Bild: CC BY Gustavo Ramirez/CC0

Irankrigets effekter på oljemarknaden har satt ökat fokus på EU:s planer för egen produktion av fossilfritt flygbränsle. Men EU-reglerna för syntetiska flygbränslen riskerar att styra utvecklingen mot produktionsvägar som är både dyrare och mer energikrävande än nödvändigt – och som därmed gör det svårare att nå klimatmålen. Det visar en Chalmersstudie som har analyserat olika metoder för att framställa syntetisk metanol.

Förra året infördes regler som kräver en inblandning av minst 2 procent hållbart flygbränsle på EU:s flygplatser. Detta inblandningskrav kommer att öka successivt, till minst 70 procent år 2050. Hälften av det hållbara flygbränslet ska då utgöras av en kategori som kallas RFNBO: förnybart bränsle av icke-biologiskt ursprung (Renewable Fuel of Non-Biological Origin). Det är syntetiska bränslen, även kallade elektrobränslen, som framställs av förnybar vätgas och infångad koldioxid.

Nu visar forskare på Chalmers att RFNBO-reglerna gynnar en ”omväg” i framställningen av syntetiska bränslen, vilket riskerar att öka både kostnaderna och energianvändningen.

– Reglerna påverkar inte bara industrins investeringar i teknik, utan också vilken forskning och utveckling som prioriteras. I stället för att driva innovation mot de mest effektiva lösningarna riskerar vi att låsa fast oss vid mindre resurseffektiva produktionsmetoder, säger Henrik Thunman, professor i energiteknik på Chalmers och medförfattare till den vetenskapliga artikeln.

Tusentals nya fabriker kommer att behövas globalt för att möta den ökande efterfrågan på hållbart flygbränsle under kommande decennier. Det handlar om mycket stora investeringar för anläggningar med lång livslängd.

Stor skillnad på olika vägar mellan samma råvara och slutprodukt

Chalmersforskarna har studerat tillverkning av syntetisk metanol, som är ett exempel på bränslemolekyler som kan omvandlas till hållbart flygbränsle. Det är ett representativt exempel för att analysera hur olika produktionsvägar påverkar resursförbrukningen vid framställning av sådana bränslemolekyler.

Dessa energirika molekyler kan produceras genom att kolatomer och vätgas förs samman i kemiska processer. I studien jämförde forskarna tre olika produktionsvägar för metanol där kolatomerna kommer från biomassa – så kallat biogent kol. Två av metoderna bygger på förbränning av biomassa, där koldioxid fångas in ur rökgaserna och därefter blandas med vätgas som produceras separat med elektricitet. Den tredje bygger på förgasning, där upphettad biomassa omvandlas direkt till syntesgas, som innehåller både kol och vätgas.

Alla tre produktionsvägarna är tekniskt genomförbara, och både råvaran och slutprodukten kan vara samma. Däremot skiljer de sig tydligt åt när det gäller energianvändning, kostnad och elbehov.

Direkt produktionsväg kan väljas bort på grund av regelverkets utformning

– Förgasningsalternativet visade sig vara mest resurseffektivt i vår analys, med upp till 46 procent lägre produktionskostnad och 30 procent lägre elbehov än de två förbränningsbaserade alternativen. Skillnaden visar hur stora energiförluster som kan uppstå när biomassa först förbränns till koldioxid, som därefter åter byggs upp till bränslemolekyler med hjälp av stora mängder el och vätgas, säger Johanna Beiron, forskare i fysisk resursteori på Chalmers och förstaförfattare till artikeln.

Trots detta gynnas förbränning betydligt mer än förgasning av EU:s regelverk. RFNBO-kategorin – som ska expandera från nära noll idag till en andel på 35 procent av allt flygbränsle i EU år 2050 – omfattar allt bränsle från förbränningsalternativen, men utesluter runt hälften av bränslet från förgasning.

Anledningen är att RFNBO inte får produceras med energi och kolatomer som kommer direkt från biomassa, vilket de gör till stor del vid förgasningsproduktion. Däremot är det tillåtet att använda kolatomer från biomassa vid förbränning, om det görs genom infångning av den koldioxid som bildas när biomassa används för andra energiändamål. Ett exempel på det är förbränning av restmaterial från skogsindustrin i kraftvärmeverk.

Men sådant restmaterial kan alltså användas mer resurseffektivt genom förgasning.

– Det ena förbränningsbaserade alternativet som vi analyserade var processen i kraftvärmeverk, säger Johanna Beiron. Det har en lägre kostnads- och energieffektivitet än förgasning, även när vi räknar in den extra el som behövs för att ersätta exempelvis den fjärrvärme som förbränningsprocessen kan bidra med.

Styrningen riskerar att motverka sina egna mål

Syftet med RFNBO-klassificeringen är bland annat att driva fram ökad produktion av förnybar el, till framställning av grön vätgas, och att minska beroendet av biomassa som är en begränsad resurs.

Men kolatomerna till det syntetiska flygbränslet måste hämtas någonstans ifrån. Biomassa förväntas bli den minst kostsamma fossilfria kolkällan till RFNBO, och forskarna bedömer att dagens regelverk kommer att leda till en mycket hög efterfrågan på koldioxid från förbränning av biomassa. I stället för att minska behovet av biomassa riskerar EU-reglerna tvärtom att driva fram en mindre energieffektiv användning av den begränsade biomassaresursen.

– Regelverket tar inte tillräcklig hänsyn till hur effektivt olika system använder energi och resurser, säger Henrik Thunman. Studien belyser därmed en strukturell fråga i EU:s energi- och industripolitik: styrningen riskerar att motverka sina egna mål när definitioner av hållbara bränslen inte ligger i linje med grundläggande energiprinciper och med unionens övergripande ambitioner för resurseffektivitet.

Justerade regler kan behövas för effektiv omställning

Forskarna hoppas att deras resultat ska bidra till ökad kunskap om vilka tekniker och system som står till buds.

– Det är förvånande att EU:s regler inte styr tydligare mot de mest effektiva alternativen, säger Johanna Beiron. Dagens regelverk riskerar att leda till en inlåsning i förbränningsbaserade energisystem, trots att det redan finns tekniskt mogna processer som skulle ge både lägre energianvändning och kostnad – exempelvis förgasning och elektrifiering av fjärrvärme.

– Vår studie visar att vissa delar av regelverket sannolikt behöver justeras för att EU ska kunna nå sina långsiktiga mål, säger Henrik Thunman. Det behövs bättre samordning mellan klimatmål, resurseffektivitet och industriell genomförbarhet för att komma till rätta med den osäkerhet som råder nu. Den gör det svårt att fatta rationella investeringsbeslut för de kommande årens storskaliga expansion av hållbart flygbränsle.

Mer om: forskningen

Studien Locked in on RFNBOs – Will EU mandates for drop-in synthetic aviation fuels lead to decreased energy- and cost-efficiency? är publicerad i tidskriften Fuel. Den har utförts av Chalmersforskarna Johanna Beiron, Simon Harvey och Henrik Thunman.

Forskningen är en del av projektet FUTNERC, Transformative change towards net negative emissions in Swedish refinery and petrochemical industries. Det är ett femårigt forskningsprojekt som finansieras till 50 procent av Energimyndigheten och till 25 procent vardera av företagen VaroPreem och Borealis. Projektet har som mål att driva på omställningen inom kemiindustrin för att senast 2050 uppnå nettonegativa utsläpp av växthusgaser från raffinaderier och kemiindustrier.

Mer om: de tre metoderna för framställning av syntetisk metanol

Forskarna valde att undersöka produktionen av just metanol eftersom den är ett tydligt exempel för att visa hur den totala effektiviteten vid bränsleframställning påverkas av om kolet används direkt i form av kolhaltig gas från biomassa, eller först omvandlas till koldioxid som sedan byggs upp igen med hjälp av vätgas. I studien jämförs tre etablerade, men ännu inte kommersiellt använda, produktionsvägar som baseras på förnybar vätgas och biomassa i form av restmaterial från skogsindustrin.

1. Förbränning med koldioxidinfångning

Biomassa förbränns och koldioxid fångas in ur rökgaserna. Därefter tillförs vätgas som har producerats separat med vatten och elenergi. Koldioxiden reagerar med vätgas i en katalytisk process som bildar metanol.

• Hög produktionskostnad (1055 euro per ton metanol)
• Hög elförbrukning (1,8 megawatt el per megawatt metanol)
• Låg energieffektivitet (cirka 37 procent)

2. Förbränning med koldioxidinfångning och samtidig energiproduktion
Liknar den första vägen, men förbränningen används även för att producera el eller värme, exempelvis till fjärrvärmesystem. I studien inkluderas även den extra el som krävs för att ersätta denna form av energi.

• Högst kostnad av de tre alternativen (1495 euro per ton metanol)
• Hög elförbrukning (1,6 megawatt el per megawatt metanol)
• Lika låg energieffektivitet (cirka 37 procent)

3. Förgasning av biomassa
Biomassa omvandlas genom förgasning till en syntesgas, bestående av kolmonoxid och vätgas, som därefter används direkt i metanolsyntesen. Vid förgasningen bildas även en del koldioxid, som också kan bilda metanol tillsammans med begränsade mängder extra vätgas som tillförs.

• Lägst kostnad av de tre alternativen (820 euro per ton metanol)
• Lägst elförbrukning (1,2 megawatt el per megawatt metanol)
• Högst energieffektivitet (cirka 46 procent)

Mer om: EU:s regelverk

EU-förordningen Refuel EU Aviation inför bindande krav på att en växande andel hållbara flygbränslen ska blandas in i flygbränsle som säljs vid EU:s flygplatser. De första kraven började gälla 2025 och ska successivt skärpas för att driva fram ny produktion av hållbara bränslen.

År 2050 ska minst hälften av allt hållbart flygbränsle utgöras av RFNBO (Renewable Fuels of Non-Biological Origin). Den andra hälften utgörs av fyra andra kategorier av hållbart flygbränsle.

För mer information, kontakta:

• Johanna Beiron, doktor, avdelningen för fysisk resursteori, institutionen för miljö- och energivetenskaper, Chalmers tekniska högskola, beiron@chalmers.se
• Simon Harvey, professor, avdelningen för energiteknik, institutionen för miljö- och energivetenskaper, Chalmers tekniska högskola, 031-772 85 31, simon.harvey@chalmers.se
• Henrik Thunman, professor, avdelningen för energiteknik, institutionen för miljö- och energivetenskaper, Chalmers tekniska högskola, 031-772 14 51, henrik.thunman@chalmers.se

Alla forskarna talar svenska och engelska, och Simon Harvey talar även franska och italienska.