Euroopan ilmailu tarvitsee vuosittain miljoonia tonneja kestäviä lentopolttoaineita (SAF) saavuttaakseen ilmastotavoitteet. Tämä luo merkittäviä uusia teollisia ja liiketoiminnallisia mahdollisuuksia, erityisesti synteettisille polttoaineille, jotka perustuvat vihreään vetyyn ja hiilidioksidiin (eSAF). Laajamittaista käyttöönottoa kuitenkin rajoittavat korkeat tuotantokustannukset, uusiutuvan energian kysyntä, raaka-aineiden saatavuus ja laatuvaatimukset. VTT tekee yhteistyötä teollisuuden kanssa teknologisten pullonkaulojen ratkaisemiseksi ja vauhdittaakseen tietä piloteista teolliseen tuotantoon.
Euroopan nykyinen lentopolttoaineiden kokonaiskulutus on noin 70 miljoonaa tonnia (Mt) vuodessa. EU:n ReFuelEU Aviation -sääntelyn mukaan ilmailualan on asteittain lisättävä kestävän lentopolttoaineen osuutta lentopolttoaineseoksissa. Erityisesti panostusta on suunnattava eSAF-tuotantoon. Vuoteen 2030 mennessä vähintään 6 % (~4 Mt) lentopolttoaineesta tulisi olla uusiutuvaa (SAF), ja 1,2 % (~1 Mt) seoksesta on oltava synteettistä eSAF-polttoainetta.
Tällä hetkellä uusiutuvia lentopolttoaineita valmistetaan käytännössä vain biomassapohjaista HEFA reittiä (hydrokäsitellyt esterit ja rasvahapot), tuotantokapasiteetin ollessa noin 1 Mt/a. Synteettiset eSAF tuotantoreitit ovat toistaiseksi vielä testi- ja pilotointivaiheessa. Mikäli otetaan huomioon rakenteilla olevat tuotantolaitokset, saavutetaan EASA:n mukaan ~4 Mt tavoite vuoteen 2030 mennessä, mutta tuotantokapasiteetti perustuu käytännössä kokonaan HEFA:an. Vuoteen 2050 mennessä uusiutuvien polttoaineiden osuus kasvaa 70 prosenttiin, ja synteettisen polttoaineen osuuden on määrä olla 35 prosenttia. Tätä vauhtia vuosisadan puoliväliin mennessä EU:n ilmailun vuosittaisen eSAF-kysynnän on arvioitu ylittävän 20 miljoonaa tonnia.
Kestäviä biopohjaisia lentopolttoaineita, kuten HEFA-pohjaista SAF:ia, valmistetaan jo kaupallisesti, mutta niiden laajamittaista käyttöä rajoittaa raaka-aineina käytetyn kasviöljyn ja eläinrasvajätteen rajallinen saatavuus. Hiilidioksidista ja uusiutuvasta vedystä valmistettava synteettinen eSAF on siksi välttämätöntä, jotta tulevaisuudessa voidaan saavuttaa vaadittu SAF-sekoitussuhde. Toistaiseksi eSAF:ia ei kuitenkaan valmisteta teollisessa mittakaavassa. Tiellä on merkittäviä teknologisia haasteita ja niihin liittyviä erittäin korkeita tuotantokustannuksia (6–10-kertaiset verrattuna fossiiliseen lentopolttoaineeseen), jotka on ratkaistava ennen suurten investointien aloittamista.
Biogeeninen hiilidioksidi on strateginen eSAF-raaka-aine
Synteettisen polttoaineen tuotannossa hiilidioksidi yhdistetään uusiutuvaan vetyyn. Hiilivetyjä tuotetaan esimerkiksi käänteisen vesikaasureaktion menetelmällä, jota seuraa Fischer–Tropsch-synteesi tai metanolista lentopolttoainetta -prosessi.
Biogeenisen hiilidioksidin käyttö on erityisen tärkeää: Nykyiset EU-säädökset suosivat polttoaineen laskennassa biogeenistä hiilidioksidia fossiilisen hiilidioksidin sijasta, ja se on välttämätöntä, jotta syntyvä polttoaine luokitellaan eSAF:iksi. Tämä vaikuttaa myönteisesti suoraan tuotannon kannattavuuteen poistamalla fossiilisten hiilidioksidipäästöjen maksut ja vähentämällä sääntelykustannuksia.
Metsäteollisuudella on keskeinen rooli biogeenisen CO2-raaka-aineen toimittamisessa. Suomessa mittakaavaltaan suurimmat (yli 100 kilotonnia CO2 vuodessa) päästöt tuottavat tällä hetkellä pääasiassa metsäteollisuus ja bioenergian tuotanto. Vuositasolla syntyy noin 30 miljoonaa tonnia biogeenistä hiilidioksidia, joka voitaisiin ottaa talteen ja muuntaa eSAF:ksi. Lisäksi Suomessa on yli 10 pistelähdettä, jotka tuottavat yli miljoona tonnia vuodessa. Mikään muu eurooppalainen teollisuudenala ei tarjoa yhtä keskittynyttä, vakaata ja skaalautuvaa biogeenisen hiilidioksidin lähdettä eSAF-tuotantoon.
Kuva 1 esittelee yksinkertaistetun prosessimenetelmän hiilidioksidin muuntamiseksi eSAF-polttoaineeksi. Eniten uusiutuvaa energiaa tarvitaan veden elektrolyysiin, jolla tuotetaan vihreää vetyä (120–170 TWh/v), sekä CO2-talteenottoon ja -puhdistukseen (15–30 TWh/v). Jos vuotuisesta 30 miljoonan tonnin talteenotosta tuotettaisiin ainoastaan eSAF:ia, sen vuosituotanto voisi olla noin 7 miljoonaa tonnia. Lisäksi prosessi tuottaa merkittävän määrän lämpöä (60–85 TWh/v).
Kuva 1, CO2:sta eSAF:iin – arviot massa- ja energiatarpeelle sekä tuotannolle.
Fossiilisten CO₂-päästöjen tuottajille eSAF-polttoaineen tuotanto on teknisesti edelleen mahdollista hyödyntämällä talteen otettua hiilidioksidia, mutta tuotettuja polttoaineita ei voida luokitella eSAF:iksi vuosien 2035/2040 jälkeen, eivätkä ne hyödy samoista sääntelykannustimista. Tämä korostaa biogeenisten lähteiden strategista merkitystä varhaisilla eSAF-markkinoilla eli Pohjoismaissa sellutehtaiden roolia sekä esimerkiksi biokaasun ja bioenergian tuotantoa muilla Euroopan alueilla.
Korkeat tuotantokustannukset ovat suurin pullonkaula
Kustannukset ovat eSAF:in käyttöönoton keskeinen este. Tällä hetkellä synteettinen eSAF maksaa noin 5 000–8 000 euroa tonnilta, kun taas tonni fossiilista lentopolttoainetta maksaa noin 800 euroa. Kaupallisen SAF:in, kuten HEFA:n, hinta sijoittuu tyypillisesti näiden hintojen väliin, lähemmäs fossiilisia lentopolttoaineita ja kärsii raaka-aineiden rajoitetusta saatavuudesta.
Yli 70 prosenttia eSAF:in tuotantokustannuksista johtuu vihreän vedyn tuotannosta, mukaan lukien uusiutuvan sähkön hankinta. Muita merkittäviä kustannustekijöitä ovat
hiilidioksidin talteenotto, puhdistus ja logistiikka;
tuotannon mittakaava ja laitoksen käyttöasteet;
sekä prosessin vaiheiden integrointi ja optimointi.
Tämän vuoksi vedyn tarpeen vähentäminen, prosessin tehokkuuden parantaminen, tuotannon skaalaaminen ja CO₂-hankinnan optimointi ovat olennaisia kokonaiskustannusten alentamiseksi.
Kuva 2, Esimerkkimalli eSAF-tuotantokustannusten alentamiseksi (€/tonni)
VTT aikoo alentaa eSAF-tuotantokuluja 70 prosenttia
VTT:n tutkimuksen tavoitteena on supistaa eSAF:n tuotantokustannuksia jopa 70 prosenttia nykyiseen tasoon verrattuna. Prosessin yhteen vaiheeseen keskittymisen sijasta VTT käsittelee kustannustekijöitä koko arvoketjussa:
Elektrolyysiteknologioiden kehittäminen vihreän vedyn tuottamiseksi
Hiilidioksidin talteenotto- ja hyödyntämisteknologioiden (CCU) kehittäminen ja testaus
Kokeellinen synteesireittien ja katalyyttien sietokyvyn tutkimus
CO₂-laatuvaatimusten analysointi eri polttoainejalosteille
prosessien integrointi, optimointi ja teknoekonominen analyysi (TEA)
pilotointi ja validointi yhdessä teollisuuskumppanien kanssa
Nämä toiminnot tukevat investointipäätöksiä vähentämällä teknistä epävarmuutta ja selventämällä, kuinka suurimmat kustannussäästöt voidaan saavuttaa.
Hiilidioksidin epäpuhtaudet lisäävät kustannuksia ja monimutkaisuutta
Epäpuhtaudet ovat eSAF:in tuotannon keskeinen kustannustekijä. Erityisesti biomassapohjaisista prosesseista talteen otettu teollinen hiilidioksidi voi sisältää rikkiyhdisteitä ja muita epäpuhtauksia. Tämä on ongelmallisia, koska monet katalyyttiset polttoaineiden synteesiprosessit ovat erittäin herkkiä rikille ja muille epäpuhtauksille.
Siksi epäpuhtaudet on poistettava, mikä lisää sekä pääoma- että tuotantokustannuksia. Lisäksi epäpuhtaustasot vaihtelevat lähteen mukaan, eikä ole olemassa yleispätevää puhdistusratkaisua. Hyväksyttäviä epäpuhtauksien raja-arvoja eri synteesivaiheille määritellään edelleen, mikä hidastaa investointeja ja standardointia.
VTT vastaa tähän haasteeseen:
eri CO₂-lähteiden epäpuhtausprofiilien analysoinnilla,
katalyyttien toleranssin ja puhdistustarpeiden kokeellisella testauksella,
räätälöityjen puhdistuskonseptien kehittämisellä
epäpuhtauksien hallinnan yhdistämisellä suoraan prosessisuunnitteluun ja kustannusoptimointiin
Tavoitteena on tunnistaa tarkoitukseen sopivia ratkaisuja puhdistusjärjestelmien ylenmääräisen suunnittelun sijasta.
Pilotointi ja innovointi VTT:n tiloissa
VTT Bioruukki pilotointikeskuksessa yritykset voivat pilotoida eSAF:in tuotantoketjun keskeisiä vaiheita, kuten hiilidioksidin talteenottoa ja puhdistusta, vihreän vedyn tuotantoa, synteesiä, väliaikaisia päivityksiä ja prosessien integrointia. VTT:n tarjoaman etuna on järjestelmällinen testaus, mallinnukseen perustuva optimointi ja integroitujen prosessikonseptien validointi yhteistyössä teollisuuden kanssa.
VTT:n tutkimusinfrastruktuuri kattaa useat eri reitit uusiutuviksi lentopolttoaineiksi. Laboratoriomittakaavan laitteistojen ja analyysimahdollisuuksien lisäksi VTT mahdollistaa erilaisten laitekokoonpanojen kytkemisen yhteen ja koko tuotantoprosessin testaamisen esiteollisessa mittakaavassa. Kuva 3 esittää esimerkkikokoonpanon modulaarisesta pilottilaitoksesta, joka voidaan muuttaa eri kokoonpanoon halutun tuotantoreitin mukaisesti.
Lentopolttoaineiden tuotantoesimerkkinä on RWGS (reverse water-gas shift, käänteinen vesi-kaasureaktio) ja Fischer-Tropsch (FT) synteesin yhdistelmä. RWGS ja FT synteesilaitos voidaan toimittaa erilaisiin ympäristöihin ja rakentaa testikampanjan tavoitteiden mukaan. Kuvan 3 laitos on siirretty onnistuneesti muun muassa VTT Bioruukista Saksaan, Höchstin teollisuusalueelle, missä tuotettiin lentopolttoainekomponentteja biometaanilaitoksen päästöhiilidioksidista.
Kuva 3, VTT Bioruukki modulaarinen pilottilaitteisto, mm. kaasukompressorikontti ja hiilivetysynteesikontti. Kaasukompressori voidaan muokata tarpeen mukaan erilaisille kaasukompositioille. Hiilivetysynteesikonttiin voidaan asentaa CO2 hyötykäyttöön tarvittava käänteinen vesikaasu reaktori (RWGS) ja hiilivetysynteesireaktori (Fischer-Tropsch, metanolisynteesi, metaanisynteesi, jne.).
Oli kyseessä Fischer-Tropsch tai metanolista lentopolttoaineiksi reitit, tarvitaan käytännössä aina jälkikäsittelyprosesseja. VTT Bioruukista löytyvät laitteistot ja osaaminen erilaisten jälkikäsittelyprosessien testaamiseen. Kuva 4 reaktorilaitteistolla on mahdollista toteuttaa esimerkiksi krakkausta, isomerointia ja vetykäsittelyä, mitkä ovat oleellisia jälkikäsittelyprosesseja useille eri lentopolttoaineiden valmistuksen reiteille.
Kuva 4, Lentopolttoaineprekursoreiden jälkikäsittelyreaktorilaitteisto VTT Bioruukissa.
Vedyn tuotantoa, CO₂-hyötykäyttöä ja synteesin vaiheita voidaan tutkia yhdessä integroituna prosessina, jolloin voidaan tasapainoisesti vähentää sähkön kulutusta ja parantaa kokonaistehokkuutta ennen tuotannon kasvattamista.
Piloteista teollisiin investointeihin
Laajamittainen eSAF-tuotanto vaatii merkittäviä investointeja sähkö- ja vetyinfrastruktuuriin, hiilidioksidin talteenottojärjestelmiin sekä polttoaineen syntetisointilaitoksiin.
VTT tukee yrityksiä ja sijoittajia vähentämällä teknistä ja taloudellista riskiä, tarjoamalla dataan perustuvia analyysejä ja tukemalla teknologiavalintoja varhaisista piloteista lähes kaupallisiin suunnitelmiin. VTT tekee yhteistyötä energiayhtiöiden, öljynjalostajien ja polttoaineen tuottajien, teknologiatoimittajien, kasvuyritysten, metsäteollisuuden toimijoiden, ilmailualan ja sijoittajien kanssa kehittääkseen toimivia eSAF-arvoketjuja.
Synteettiset lentopolttoaineet ovat välttämättömiä ilmailun fossiilisten päästöjen poistamiseksi, mutta laajamittainen käyttöönotto edellyttää, että kustannukset, laatuvaatimukset ja integraatiohaasteet ratkaistaan yhdessä.
Jatka lukemista
Jaa
