Synthetische brandstoffen als redding?

• Fossiele brandstoffen hebben een aandeel van 80% in de wereldwijde energievoorziening

• Om deze fossiele brandstoffen koolstofvrij te maken, kunnen ze worden vervangen door minder vervuilende alternatieven...

• …hernieuwbare diesel en biodiesel kunnen aardoliediesel vervangen...

• ...e-methanol, bio-methanol of zonne-methanol kunnen methanol vervangen en...

• ...groene waterstof kan blauwe en grijze waterstof vervangen

• Maar deze duurzamere brandstoffen zijn duur, de meeste zijn beperkt beschikbaar en er zijn tal van andere uitdagingen

Fossiele brandstoffen spelen een cruciale rol in onze economie. Volgens het IEA hadden kolen, aardgas en olie in 2021 een aandeel van bijna 80% in de wereldwijde energievoorziening (zie de linker grafiek hieronder). Om netto nul te bereiken in 2050, moeten we onze afhankelijkheid van het verbranden van fossiele brandstoffen verminderen. Hernieuwbare energiebronnen en bio-energie zullen een cruciale rol spelen. Het grootste probleem met hernieuwbare energiebronnen is de intermittentie, dus ze komen en gaan en patronen kunnen moeilijk te voorspellen zijn. In eerdere publicaties over zonne- en windenergie, verwarming en batterijtechnologieën hebben we ons gericht op hernieuwbare energiebronnen en hoe we het probleem van de intermittentie kunnen aanpakken. In dit rapport richten we ons op brandstoffen die fossiele brandstoffen kunnen vervangen, maar die minder of geen CO2 uitstoten. De grafiek linksonder toont het aandeel van moderne bio-energie in 2021 (6,6%) en de rol die het IEA verwacht dat het zal spelen in de verschillende scenario's in 2030.

Fossiele brandstoffen vervangen door duurzamere brandstoffen

Het vervangen van fossiele brandstoffen door brandstoffen die minder of geen uitstoot veroorzaken lijkt eenvoudig. Maar in werkelijkheid is het een ingewikkelde onderneming. Om te beginnen zijn er veel verschillende soorten duurzamere brandstoffen (waarover hieronder meer). Elke brandstof heeft zijn eigen kenmerken en daarom zijn verschillende brandstoffen geschikt voor verschillende toepassingen. Brandstoffen kunnen bijvoorbeeld worden vergeleken op basis van hun emissie-intensiteit, energiedichtheid, opslagbehoefte, veiligheid, kosten en brandstofinfrastructuur en -productie. Verschillende brandstoffen hebben een verschillende energiedichtheid, die kan worden gemeten in termen van equivalente energie die vrijkomt bij verbranding. Energiedichtheid kan worden gemeten in gravimetrische energiedichtheid (per eenheid van massa) of volumetrische energiedichtheid (per eenheid van volume). Gravimetrische energiedichtheid is relevant bij het vergelijken van de energie-efficiëntie van brandstoffen. Tegelijkertijd is de volumetrische energiedichtheid relevant bij het vergelijken van transportmodi, omdat er opslagruimte (brandstoftank) aanwezig moet zijn om de brandstof te vervoeren die een voertuig aandrijft. Hoe hoger de energiedichtheid, hoe hoger de brandstofkwaliteit, die omgekeerd evenredig is met de chemische complexiteit. In de tabellen verderop in de tekst vergelijken we verschillende brandstoffen per type.

Om fossiele brandstoffen te vervangen door duurzamere equivalenten moeten er bovendien veranderingen worden aangebracht aan bijvoorbeeld motoren of de infrastructuur en opslag. Bovendien zijn het aanbod, de productie en de prijs van duurzamere brandstoffen minder gunstig dan die van fossiele brandstoffen en het zal tijd kosten om hierin verandering te brengen. Voor de productie van synthetische brandstoffen zijn grote hoeveelheden groene elektriciteit en grondstoffen nodig en er is vaak concurrentie om deze bronnen. In sommige gevallen is de technologie nog niet commercieel beschikbaar. De productie moet dus omhoog en de prijzen moeten omlaag. Desondanks zullen duurzamere brandstoffen een grotere rol spelen bij het bereiken van een netto nul economie in 2050. Deze brandstoffen worden ook wel synthetische brandstoffen genoemd.

Wat zijn synthetische brandstoffen?

Synthetische brandstoffen zijn vloeibare brandstoffen die dezelfde eigenschappen hebben als fossiele brandstoffen, maar kunstmatig worden geproduceerd. Synthetische brandstoffen kunnen worden gemengd met fossiele brandstoffen of fossiele brandstoffen vervangen in verbrandingsmotoren. Deze synthetische brandstoffen worden voor verschillende doeleinden en in verschillende sectoren gebruikt. Er zijn drie soorten synthetische brandstoffen en de manier waarop ze worden geproduceerd maakt ze onderscheidend (bron: Synhelion).

• Biomass-to-liquid/gas produceert biobrandstoffen (elke brandstof die is afgeleid van biomassa) zoals hernieuwbare diesel/hydrotreated vegetable oil (HVO) en Sustainable Aviation Fuel (SAF).

• Power-to-liquid/gas produceert e-brandstoffen zoals e-methaan, e-kerosine, e-methanol en waterstof.

• Sun-to-liquid/gas produceert zonnebrandstoffen zoals waterstof, ammoniak (bron: energy.gov)

Biobrandstoffen en biomassa

Biobrandstoffen kunnen worden geproduceerd uit landbouwafval, voedselresten, mest en rioolwater. Er zijn vloeibare en vaste biobrandstoffen. Voorbeelden van vloeibare biobrandstoffen zijn biogas, biomethaan, bio-LPG. Houtskool, biochar en biobrandstofpellets zijn voorbeelden van vaste biobrandstoffen. De productie van biobrandstoffen kan worden onderverdeeld in vier generaties op basis van het type grondstof dat wordt gebruikt. De eerste generatie biobrandstoffen maakt voornamelijk gebruik van gewassen met een hoog suiker-, zetmeel- of oliegehalte. Biobrandstoffen van de tweede generatie zijn afgeleid van lignocellulosehoudende biomassa. Deze kan afkomstig zijn van landbouwafval, afval of speciale biomassacentrales. Biobrandstoffen van de derde generatie worden geproduceerd uit microalgen, zoals biodiesel en zeewier, voornamelijk voor bio-ethanol. Biobrandstoffen van de vierde generatie worden gemaakt van genetisch gemodificeerde microalgen. De grafieken rechtsboven tonen vraag en aanbod van vloeibare biobrandstoffen in 2030 en 2050 in verschillende scenario's.

Het verbranden van hout uit duurzaam beheerde bronnen is koolstofneutraal, omdat de CO2-uitstoot tijdens het verbranden gelijk is aan de vastgehouden uitstoot tijdens de groei van de bomen. Biogas wordt geproduceerd door de afbraak van organisch materiaal. Het is een mengsel van methaan, waterstof en kooldioxide. Het methaangehalte van biogas varieert gewoonlijk van 45-74% van het volume, terwijl de rest grotendeels bestaat uit CO2 (www.iea.org). De precieze samenstelling van biogas hangt af van het type grondstof en de productiewijze. Biomethaan is een biogas waaruit de kooldioxide, waterstofsulfide en het water zijn verwijderd. Het staat ook bekend als hernieuwbaar aardgas. Als gevolg van het zuiveringsproces heeft het biomethaan dezelfde eigenschappen als aardgas. Biomethaan is dus de gezuiverde vorm van ruw biogas. De verbranding hiervan zorgt voor CO2-uitstoot, maar omdat het biogas afkomstig is van planten (die CO2 uit de atmosfeer halen) wordt de CO2-uitstoot over het algemeen als koolstofneutraal beschouwd.

Bio-methanol wordt geproduceerd door biomassa zoals hout of landbouwafval te fermenteren met behulp van micro-organismen die methanol kunnen produceren. Bio-methanol is eenvoudigweg methanol uit biomassa en andere niet-fossiele bronnen. Methanol, de alcohol met de eenvoudigste chemische structuur (CH3OH), is een kleurloze, smaakloze vloeistof met een zwakke geur. Methanol (inclusief bio- en e-methanol) wordt gezien als een veelbelovende alternatieve brandstof voor de zeescheepvaart. Dimethylether of DME wordt geproduceerd uit methanol door eenvoudige dehydratie. Het is een gas dat bij matige druk vloeibaar kan worden gemaakt. DME is een vervanger voor dieselbrandstof, maar het kan ook LPG vervangen in toepassingen zoals verwarming en koken.

Bio-LPG wordt geproduceerd uit hernieuwbare bronnen, waaronder biologische olie en vetten en de fermentatie van glucose door micro-organismen. Het heeft een lagere koolstofvoetafdruk dan conventioneel LPG (tot 80% lager). De chemische structuur is identiek aan die van conventioneel LPG. Het kan worden gebruikt als drop-in brandstof en in bestaande gasketels.

Biodiesel is een hernieuwbare brandstof die kan worden gemaakt van plantaardige oliën, dierlijke vetten of gerecycled bakvet voor gebruik in dieselvoertuigen. Het kan op vier verschillende manieren worden geproduceerd: oliemengsels, micro-emulsie, pyrolyse en transesterificatie. Omestering is een milieuvriendelijk chemisch proces waarbij de vetzuren reageren met de alcohol om biodiesel en glycerol te produceren. Hernieuwbare diesel is een brandstof die gemaakt is van vetten en oliën en die chemisch gezien hetzelfde is als diesel uit aardolie. Het kan worden gebruikt als vervangende brandstof of worden gemengd met eender welke hoeveelheid diesel uit aardolie. Het productieproces is anders dan bij biodiesel, maar het komt van dezelfde grondstof. In vergelijking met biodiesel is hernieuwbare diesel beter bestand tegen bacteriegroei. Daarom is het een betere oplossing voor langere en stand-by toepassingen. Het heeft een lagere dichtheid en energie-inhoud dan diesel. Hernieuwbare diesel voldoet aan de conventionele specificaties waardoor het in bestaande infrastructuur en dieselmotoren kan worden gebruikt. Gehydrogeneerde plantaardige olie (HVO) wordt gemaakt van verschillende plantaardige oliën en vetten die triglyceriden en vetzuren bevatten. Een andere naam is hydrogeësterde esters en vetzuren (HEFA). Het wordt ook wel hernieuwbare diesel genoemd. Duurzame vliegtuigbrandstof of SAF wordt gemaakt van grondstoffen die niet van aardolie zijn. Het kan op verschillende niveaus worden gemengd met limieten van 10%-50%, afhankelijk van de grondstof en hoe de brandstof wordt geproduceerd. Ethanol is een hernieuwbare brandstof die wordt gemaakt van maïs en andere plantaardige materialen. Het wordt gebruikt in verschillende toepassingen zoals schoonmaakmiddelen en transportbrandstof.

Elektrobrandstoffen

Naast biobrandstoffen en biomassa kunnen ook elektrobrandstoffen worden gebruikt om fossiele brandstoffen te vervangen. Dit zijn synthetisch geproduceerde vloeibare koolwaterstoffen. Hernieuwbare energie is de belangrijkste energiebron, en water en kooldioxide zijn de belangrijkste bronnen. Eerst wordt er hernieuwbare elektriciteit opgewekt, die vervolgens een elektrolyser aandrijft die water splitst in waterstof en zuurstof. Vervolgens wordt de waterstof gemengd met koolstofdioxide en omgezet in syngas via de omgekeerde water-gasverschuivingsreactie (RWGS) - een proces dat bij hoge temperaturen wordt uitgevoerd en door elektriciteit wordt aangedreven. De mobiliteitssector zal in de toekomst waarschijnlijk veel van deze brandstoffen gebruiken voor de moeilijk te verminderen sectoren. E-methanol is methanol dat geproduceerd wordt met behulp van hernieuwbare elektriciteit.

Zonnebrandstoffen

Zonnebrandstoffen zijn synthetische chemische brandstoffen die worden gemaakt van zonne-energie. Zonnebrandstoffen zijn brandstoffen die worden gemaakt van gewone stoffen zoals water en kooldioxide met behulp van de energie van zonlicht. Mogelijkheden voor zonnebrandstoffen zijn onder andere het maken van waterstof als brandstof door zonne-energie te gebruiken om water te splitsen, of het produceren van alcoholen zoals ethanol en methanol door zonne-energie te gebruiken om kooldioxide te reduceren met waterstof, of het maken van minder conventionele brandstoffen zoals ammoniak door zonne-energie te gebruiken om stikstof te reduceren met waterstof (bron: energy.gov).

Brandstofadditief en verbeterde brandstof

Naast het vervangen van een fossiele brandstof door een duurzamere brandstof, kan de fossiele brandstof ook worden verbeterd om het energieverbruik en daarmee de uitstoot te verminderen. Dit kan door brandstofadditieven toe te voegen. Brandstofadditieven zijn chemische stoffen die aan benzine kunnen worden toegevoegd om de prestaties van het voertuig te verbeteren of om systemen te helpen onderhouden. Sommige additieven kunnen echter de elektronica of de motor beschadigen. Er bestaat ook een verbeterde brandstof. Bijvoorbeeld Change XL. Change XL voegt enzymen toe aan een conventionele brandstof. Deze enzymen breken lange en complexe moleculaire ketens in de brandstoffen af en verzadigen het brandstofmengsel met zuurstof. Ze breken het (gecondenseerde) water in de brandstof af en voorkomen problemen met bacteriën, schimmels en gisten door deze in de brandstof te elimineren en op te lossen. Dit resulteert in een stabielere, homogene brandstof. De enzymen blijven actief werken in de hele brandstofketen. Change XL claimt een emissiereductie van 10% en een brandstofbesparing tot 10%. Deze verbeterde brandstof kan worden gebruikt in de bestaande infrastructuur.

Emissies

Zijn synthetische brandstoffen koolstofarm, koolstofneutraal of koolstofvrij? Koolstofarme brandstoffen stoten minder koolstof uit dan fossiele brandstoffen. Hernieuwbare diesel, biodiesel, waterstof/methanol/ammoniak die worden geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen met koolstofafvang en -opslag, zijn voorbeelden van koolstofarme brandstoffen. De CO2-uitstoot van hernieuwbare diesel is sterk afhankelijk van de gebruikte grondstof. Dit resulteert vaak in emissies tijdens de levenscyclus die hoger zijn dan nul. Hoe hoger het bijmengpercentage, hoe hoger de CO2-reductie. Het National Renewable Energy Laboratory (NREL) geeft aan dat hernieuwbare diesel de koolstofintensiteit gemiddeld met 65% vermindert. Volgens het NREL vermindert zuivere biodiesel (100%) de uitstoot van koolstofdioxide met meer dan 75% vergeleken met diesel uit aardolie. De bovenstaande grafiek toont de emissiereducties van hernieuwbare brandstof die in de VS wordt geproduceerd.

Koolstofneutrale brandstoffen zijn brandstoffen die tijdens hun levenscyclus de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer niet vergroten of verkleinen. Power-to-liquid-brandstoffen e-methanol en e-kerosine zijn koolstofneutrale brandstoffen. Ze worden als koolstofneutraal beschouwd als bij het productieproces hernieuwbare bronnen worden gebruikt en de koolstof die uit de atmosfeer wordt opgevangen later weer in de lucht wordt uitgestoten.

Koolstofvrije brandstoffen zijn brandstoffen waarbij geen koolstof vrijkomt op het moment van gebruik. Waterstof bijvoorbeeld, geproduceerd door elektrolyse en hernieuwbare elektriciteit, en ammoniak, geproduceerd door hernieuwbare elektriciteit en groene waterstof als bron, zijn koolstofvrije brandstoffen.

Fossiele brandstoffen vervangen door synthetische brandstoffen of niet?

Fossiele brandstoffen vervangen door synthetische brandstoffen is een ingewikkelde onderneming. Er zijn verschillende opties. Ten eerste, een meer vervuilende brandstof vervangen door een minder vervuilende brandstof, zoals het gebruik van LNG, methanol, ammoniak of waterstof in de zeescheepvaart. Hiervoor moet rekening worden gehouden met de energiedichtheid, de aanpassing van motoren en infrastructuur, de veiligheid van de brandstof, de productie en de prijs.

Ten tweede kan een bestaande fossiele brandstof worden vervangen door dezelfde brandstof met een duurzamere voetafdruk. Bijvoorbeeld bio-methanol of e-methanol kan methanol vervangen, hernieuwbare diesel of biodiesel kan conventionele diesel vervangen, e-waterstof en waterstof op zonne-energie kunnen grijze of blauwe waterstof vervangen, ethanol op zonne-energie kan in de toekomst ethanol vervangen, bio-methaan kan aardgas vervangen en bio-LPG conventioneel LPG. Er zijn dus genoeg opties. De keuze om over te stappen op de duurzamere brandstof hangt af van de prijs, de beschikbaarheid en het emissiereductiepotentieel. We geven drie voorbeelden. We beginnen met diesel, biodiesel en hernieuwbare diesel. Deze kunnen worden gebruikt in verbrandingsmotoren van voertuigen en hebben verschillende emissieniveaus zoals aangegeven in de bovenstaande biobrandstoftabel. Deze duurzamere diesels kunnen worden gemengd met aardoliediesel. Overschakelen van aardoliediesel naar biodiesel of hernieuwbare diesel wordt aantrekkelijk als de prijsverschillen tussen de dieselbrandstoffen kleiner worden of verschuiven ten gunste van de duurzamere diesels. Hieronder een overzicht van de prijsniveaus van transportbrandstoffen eind juli in de VS. Eind juli was biodiesel (100%) aanzienlijk duurder dan diesel uit aardolie, terwijl hernieuwbare diesel goedkoper was (andere databron echter).

We hebben ook gekeken naar waterstof. Waterstof zou een belangrijke energiedrager voor de transportsector kunnen zijn. Naast andere uitdagingen is groene waterstof ook erg duur in vergelijking met blauwe waterstof (met koolstofafvang en -opslag) of grijze waterstof (zonder koolstofafvang en -opslag). De grafiek linksonder toont de verschillende niveaus van genivelleerde kosten voor groene, blauwe en grijze waterstof. Om groene waterstof vanuit kostenoogpunt een levensvatbare optie te laten worden, moeten de kosten aanzienlijk dalen.

Methanol is een andere brandstof die een belangrijke rol zou kunnen spelen bij het koolstofvrij maken van de mobiliteitssector, met de nadruk op de zeescheepvaart. Momenteel wordt methanol verhandeld tegen 313 USD/ton. Volgens een rapport van het Methanol Institute en IRENA (Innovation outlook renewable methanol) worden de huidige productiekosten van e-methanol geschat op 800-1.600 USD/ton, ervan uitgaande dat CO2 wordt gewonnen uit BECCS (Bio-energie met koolstofvastlegging en -opslag) tegen een kostprijs van 10-50 USD/ton. Als CO2 wordt verkregen via DAC (Direct Air Capture), waar de kosten momenteel USD 300-600/ton bedragen, dan zouden de productiekosten voor e-methanol tussen USD 1.200-2.400/ton liggen. Bio-methanol kost 700-900 USD/ton. De grafiek rechtsboven toont het verschil in productiekosten.

Uiteindelijk zal het neerkomen op productie, prijs, emissiereductiepotentieel, veiligheid, energiedichtheid en de noodzaak om de motor en infrastructuur aan te passen. Om van synthetische brandstoffen een levensvatbare oplossing te maken, moeten de prijzen aanzienlijk dalen, zoals de voorbeelden hierboven laten zien, en moeten de prijzen voor fossiele brandstoffen stijgen, wat waarschijnlijk zal gebeuren als gevolg van ETS 1 en 2.

Dit artikel maakt deel uit van de SustainaWeekly van 23 oktober 2023