A Techno-Economic, Environmental and Social Life Cycle Assessments of Sustainable Aviation Fuel production via the Alcohol-to-Jet process – A UK Case Study

De wereldwijde luchtvaartsector staat voor een enorme uitdaging: het is verantwoordelijk voor een aanzienlijk deel van de wereldwijde koolstofemissies, maar kan niet simpelweg overstappen op batterijen zoals auto's dat kunnen. Vliegtuigen vereisen brandstof die ongelooflijk energiedicht is om zware ladingen over grote afstanden te vervoeren, en voor langeafstandsvluchten blijft vloeibare brandstof de enige praktische optie. Om dit op te lossen, kijken wetenschappers naar Duurzame Luchtvaartbrandstof (Sustainable Aviation Fuel), een schoner alternatief gemaakt van planten en afval in plaats van fossiele olie. Een veelbelovende methode houdt in dat landbouwresten, zoals de stengels en bladeren die achterblijven na de oogst van tarwe, worden omgezet in vliegtuigbrandstof. Dit proces, bekend als alcohol-naar-jet, zet plantaardige suikers om in een vloeistof die vliegtuigen kan aandrijven met aanzienlijk minder broeikasgasemissies. Het bouwen van een fabriek om dit te doen is echter duur, en het is onduidelijk of het hele systeem — van het verbouwen van de gewassen tot het verbranden van de brandstof — echt zijn milieubeloften waarmaakt of dat het nieuwe sociale problemen met zich meebrengt.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Sheffield heeft deze vragen aangepakt door een gedetailleerd digitaal model van een volledige brandstoffabriek in het Verenigd Koninkrijk te bouwen. Ze richtten zich op tarwestro, het meest overvloedige landbouwresidue in het land, om te zien of het een zelfvoorzienende plant realistisch zou kunnen voeden. Met behulp van geavanceerde computersimulatiesoftware ontwierpen ze een faciliteit die elke dag tweeduizend ton stro verwerkt. In tegenstelling tot eenvoudigere modellen die slechts naar één deel van het proces kijken, integreert dit ontwerp elke stap: het afbreken van de taaie plantvezels, het fermenteren ervan tot alcohol, en vervolgens het upgraden van die alcohol naar vliegtuigbrandstof. Cruciaal is dat de onderzoekers ook hebben gemodelleerd hoe de fabriek zichzelf van stroom voorziet. In plaats van elektriciteit van het net te kopen, verbrandt de plant het overgebleven plantaardige materiaal om stoom en elektriciteit op te wekken, waardoor er genoeg vermogen wordt geproduceerd om de eigen machines te laten draaien en nog een overschot aan elektriciteit terug te sturen naar het nationale elektriciteitsnet.

De resultaten van deze simulatie onthullen een systeem dat technisch haalbaar en verrassend efficiënt is. De plant zet de energie in het tarwestro om in nuttige producten met een algehele efficiëntie van elf procent, wat betekent dat voor elke eenheid energie die in het stro gaat, een kleine maar significante hoeveelheid eindigt als vliegtuigbrandstof. Belangrijker nog is dat de fabriek een hoogwaardige brandstof produceert die voor zesentachtig procent uit vliegtuigbrandstof bestaat, waarbij de rest bestaat uit waardevolle bijproducten zoals bio-nafta en biodiesel. De energiebalans is bijzonder indrukwekkend; de faciliteit genereert zesenzestig megawatt aan elektriciteit, terwijl er slechts achttien megawatt voor de eigen werkzaamheden wordt gebruikt. Dit laat een netto export van achtenveertig megawatt over, genoeg om tienduizenden huishoudens van stroom te voorzien. Het proces beheert ook bijna al het afval door te recyclen, waarbij wat afval zou zijn omgezet in energie of nuttige chemicaliën.

Vanuit financieel perspectief schetst de studie een beeld van een project dat duur is om op te starten, maar potentieel levensvatbaar met de juiste ondersteuning. De onderzoekers schatten dat het bouwen van een dergelijke plant ongeveer vierhonderdvijfenzeventig miljoen pond zou kosten, met jaarlijkse bedrijfskosten van ongeveer honderdenvierennegentig miljoen pond. De prijs van de geproduceerde brandstof, de zogenaamde minimale verkoopprijs van de vliegtuigbrandstof, is zeer gevoelig voor de manier waarop het project wordt gefinancierd en hoeveel geld er wordt verdiend met de verkoop van de bijproducten. Zonder de extra elektriciteit en andere brandstoffen te verkopen, zou de kostprijs per kilogram onbetaalbaar hoog zijn. Echter, wanneer de inkomsten uit deze nevenproducten worden meegerekend, daalt de prijs aanzienlijk, variërend van ongeveer drie kwart pond tot vier pond drieëenzestig per kilogram. Deze brede marge toont aan dat de businesscase sterk afhangt van het regeringsbeleid en de specifieke mix van investeerders, maar het bewijst dat de technologie kan concurreren met fossiele brandstoffen onder de juiste omstandigheden.

De milieubeoordeling bevestigt dat deze methode een echte klimaatvoordeel biedt. Wanneer de totale emissies worden vergeleken van het verbouwen van het stro, het verwerken ervan en het verbranden van de brandstof in een vliegtuig, produceert de nieuwe brandstof tot tachtig procent minder broeikasgassen dan conventionele vliegtuigbrandstof. De grootste bron van emissies in het nieuwe proces komt van de chemicaliën die worden gebruikt om de plantvezels af te breken en van de landbouw zelf, maar zelfs met deze factoren inbegrepen, is de reductie aanzienlijk. De studie onderzocht ook wat er zou gebeuren als het stro op een manier uit de velden zou worden verwijderd die de bodem beschadigt, wat de opgeslagen koolstof zou kunnen vrijgeven. Zelfs in een worst-case scenario waarin de bodemgezondheid in gevaar komt, vermindert de nieuwe brandstof de emissies nog steeds met meer dan de helft vergeleken met fossiele brandstof, hoewel het voordeel kleiner is. Dit suggereert dat hoewel de technologie robuust is, hoe boeren hun land beheren een cruciale factor blijft voor het maximaliseren van de klimaatwinst.

Voorbij de cijfers onderzochten de onderzoekers ook de menselijke kant van het project via een sociale levenscyclusanalyse. Ze bekeken de gehele toeleveringsketen, van de boeren die het tarwe verbouwen tot de vrachtwagens die de brandstof transporteren, om potentiële risico's voor werknemers te identificeren. De analyse toonde aan dat de wegtransportsector en de brandstofproductiefaciliteiten zelf de hoogste sociale risico's met zich meebrengen, met name wat betreft eerlijke lonen. In het Verenigd Koninkrijk, waar arbeidswetten strikt zijn, was de belangrijkste zorg het waarborgen dat werknemers in de toeleveringsketen een eerlijk salaris ontvangen. De studie benadrukte dat hoewel de technologie klaar is, de sociale voordelen afhangen van het handhaven van hoge standaarden voor de mensen die het systeem bouwen en exploiteren.

Uiteindelijk toont dit onderzoek aan dat het omzetten van tarwestro in vliegtuigbrandstof niet alleen een theoretisch idee is, maar een praktische technische realiteit. Het geïntegreerde ontwerp stelt de fabriek in staat om energie-onafhankelijk te zijn en zelfs een netto exporteur van elektriciteit te zijn, terwijl de koolstofemissies drastisch worden verminderd. De weg naar het een gangbare realiteit maken hangt echter van meer af dan alleen techniek; het vereist een ondersteunend overheidsbeleid en zorgvuldig beheer van de toeleveringsketen om ervoor te zorgen dat de brandstof zowel betaalbaar als sociaal verantwoord is. De studie biedt een duidelijk blauwdruk voor hoe de luchtvaartsector zou kunnen beginnen met het decarboniseren, waarbij wordt aangetoond dat met de juiste combinatie van technologie en beleid, de lucht niet noodzakelijkerwijs een bron van vervuiling hoeft te blijven.