Kan vi flyve på træ og halm?

Vi elsker at flyve, men planeten elsker ikke, at vi flyver. Så hvad gør vi?

Træ, halmstrå og anden form for biomasse kan være fremtidens grønne brændstof, der hældes på tanken, når vi skal flyve.

Ikke direkte, selvfølgelig, men i form af en bioolie der kan omdannes til flybrændstof. Før vi kan gøre det, er der dog en del forhindringer, der skal overkommes.

I projektet HyProFuel med deltagelse af flere danske universiteter og danske industrivirksomheder arbejder vi med en ny katalysatorteknologi, der kan blive en vigtig brik i fremtidens grønne brændstofproduktion baseret på biomasse.

Hvor langt vi er fra at flyve på biomasse, og hvilke forhindringer, vi endnu mangler at overkomme, kan du blive klogere på i denne artikel.

Brændstof til transport

Tung transport, der i dag bruger masser af sort energi såsom fly, skibe og lastbiler udgør en særlig udfordring i den grønne omstilling.

Elektrificering af biler er tydeligvis succesfuld, men det er urealistisk, at vi ser en tung lastbil på langfart eller et stort passagerfly blive drevet af elektricitet lige med det første.

Fordelen ved kulbrinterne i fossilt brændstof er, at de har en uovertruffen energitæthed (dvs. hvor meget energi, der er i tanken) sammenlignet med alternativerne, som enten vejer eller fylder for meget.

Løsningen er derfor at lave brændstoffer, der ligner den fossile olie, diesel og benzin, som vi kender i dag, men som udelukkende er baseret på grønne kilder.

Store mål og lang vej igen

Den helt store udfordring er den blotte mængde, der skal til. Og selvfølgelig, at omstillingen som bekendt skal ske hurtigt.

Flytransport alene står for cirka 3 procent af verdens CO₂ udledning og forbruger omkring 9 procent af verdens årlige fossile olieproduktion.

Flybranchen i Danmark har en målsætning om 30 procent reduktion i CO₂-udledningen i 2030 og 100 procent for indenrigsflyvning. Hele flytransportsektoren sigter mod at være CO₂-neutral i 2050. Dertil kommer at lastbil- og skibstransport og andre sektorer med stort brændstofbehov har tilsvarende målsætninger om CO₂-reduktioner.

Så behovet for grønt brændstof er stort!

Heldigvis har vi flere mulige løsninger der kan bringe os derhen, herunder brugen af biomasse kombineret med grøn brintgas produceret med elektrolyse.

Biomasse som brændstof

Grønne flybrændstoffer bliver allerede produceret kommercielt i dag under navnet »Sustainable Aviation Fuels« (SAF), og er primært baseret på vegetabilske olier, for eksempel brugt fritureolie eller spiseolie af lav kvalitet.

Det kan naturligvis kun dække en lille del af den grønne omstilling – ellers skal vi til at spise rigtig mange pomfritter!

En ny lovende teknologi arbejder derimod med at omdanne organisk rest-materiale, f.eks. fra skov- og landbrug til en bio-olie, der kan forarbejdes til flybrændstof.

Bio-olier minder i deres sammensætning om den fossile råolie, der i dag bruges til brændstofproduktion. Modsat fossil olie består den dog udelukkende af kulstofforbindelser, der indgår naturens CO₂ kredsløb – altså en CO₂-neutral kilde til brændstof.

Brændstofproduktion vil faktisk udgøre en langt mere fornuftig udnyttelse af biomasse, både økonomisk og klimamæssigt, end den nuværende brug af ganske store mængder biomasse til el-og varme produktion. Mere om det senere.

En stor fordel ved brændstofproduktion fra bio-olie, f.eks. i forhold til metoder der udvikles til CO₂-fangst og konvertering, er, at videreforarbejdningen kan ske med infrastruktur, processer og teknologi, der ligner det, som bruges i dag til fossil råolie.

Vi behøver altså, groft sagt, ikke udvikle og bygge en masse ekstra teknologi, før vi kan begynde at producere grønt flybrændstof. Men først skal vi have styr på processen, der kan omdanne bioolie til et brændstof, der virker i en flymotor.

For meget ilt

Pyrolyse er en behandling af biomasse ved høj temperatur uden tilførsel af ilt. Ved pyrolyse omdannes for eksempel træflis eller halm til kul (biochar), gas og så en flydende brun substans – pyrolyseolie, der minder om råolie, og som er udgangspunktet for flydende brændstof. Bio-olie kan også produceres fra andre typer biomasse, såsom alger eller kloakslam, med en alternativ teknologi (Hydrothermal Liquefaction).

Bio-olien består kemisk set af lange kæder af sammenbundne brint og kulstof (C) atomer (kulbrinter) ligesom fossil olie. Den ukendte faktor i bio-olien i forhold til fossil olie er, at der har sneget sig et meget højt indhold af ilt med, der er bundet til kulstof i kulbrinterne.

Ilten gør, at olien brænder dårligt, og gør den sur og ætsende.

En anden udfordring ved pyrolyseolie er, at den ubehandlede olie over tid omdannes til en tyktflydende væske, der er svær at håndtere.

Løsningen, vi arbejder med, ordner begge problemer på én gang: nemlig ved at reagere olien med brintgas (H₂) i en katalytisk proces (se faktaboks), der hedder ’hydrotreating’.

Formålet med at anvende katalysatoren er at knække kulstof-ilt bindingerne og frigøre ilten, hvorved rene kulbrinter dannes. Samtidig med fjernelsen af ilt, kan katalysatoren få brintgassen til at passivere ustabile og reaktive kulbrinter, der ellers vil reagere med hinanden og lave noget der mest minder om tjære.

En fossil teknologi

Hydrotreating katalysatoren er allerede i dag en slags schweitzerkniv i produktionen af brændstof i olieraffinaderier. Den kan nemlig bruges til at rense fossil råolie for blandt andet forurenende svovl og nitrogen, der ellers vil give anledning til syreregn ved afbrænding af olien.

Problemet med syreregn, der var særligt fremherskende i 1980’erne, blev effektivt løst blandt andet ved at fjerne svovl under produktionen af brændstoffer med netop hydrotreating.

Hydrotreating kan faktisk fint anvendes til at fjerne ilt fra de mere simple vegetabilske olier, blandt andet med teknologi fra den danske virksomhed Topsoe A/S, men den mere komplekse og ustabile pyrolyseolie er fortsat et problem, som ikke kan løses med den eksisterende hydrotreating type.

Derfor har vi igangsat et forskningsprogram, der skal undersøge, hvordan vi kan udvikle en hydrotreating katalysator der er skræddersyet til pyrolyseolie.

En bedre katalysator

Projektet er udfordrende, da udformningen af reaktoren, der skal behandle bio-olien, i høj grad afhænger af, hvor gode katalysatorer vi kan lave.

Samtidig er spillerummet for udvikling af nye katalysatorer bestemt af pyrolyse-oliens iltindhold og sammensætning, som vi ikke kender endnu.

Projektet involverer derfor, at der skal udvikles en ny type katalytisk reaktor (den enhed, der behandler pyrolyse-olien). Inde i den nye reaktor, placeres selve hydrotreating-katalysatoren.

Katalysatoren er et fascinerede materiale, der har udformning som nogle millimeter store piller, der på mikroskopisk skala består af metalsulfid nanopartikler bundet fast på et porøst bærermateriale.

Reaktionen mellem olie-molekylerne og brinten, der skal fjerne ilten, sker på overfladen af disse metalsulfid nanopartikler.

Ved at benytte enormt porøse materialer, hvor 1 gram katalysator har et overfladeareal på størrelse med en håndboldbane (flere 100 m² pr. gram!) kan man placere rigtig mange katalysatorpartikler på dets overflade inde i reaktoren.

Problemet er, at de kendte metalsulfider ikke er reaktive nok.

I projektet skal vi derfor syntetisere en række nye metalsulfid katalysatorer, og vi har nogle gode ideer til, hvordan det muligvis kan lykkes.

Detaljerne tæller

Her støder vi på endnu et problem: Vi ved faktisk heller ikke helt præcist, hvordan hydtrotreating-reaktionen forløber, når der skal fjernes meget ilt fra bio-olien.

Ved det Interdisciplinære Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet anvender vi derfor mikroskoper, der kan afbilde den atomare struktur af metalsulfid nanopartiklerne.

Mikroskoperne gør os i stand til at studere præcist, hvordan oliemolekylerne sætter sig og reagerer med brint på katalysator-partiklerne.

Dermed håber vi at kunne finde nøglen til, hvordan vi bedst fjerner ilt fra pyrolyseolien.

Hvis det lykkes at finde en god og stabil katalysator, er det realistisk at se kommerciel flybrændstofproduktion baseret fuldt ud på pyrolyseolie ved slutningen af dette årti.

Er det overhovedet grønt at bruge biomasse til at lave brændstof?

Biomasse, og særligt importen heraf, er et omdiskuteret emne i den grønne omstilling.

Det til trods bruges biomasse allerede i Danmark i stor stil til varme- og elproduktion.

For flybrændstofproduktion på stor skala er det særlige forhold imidlertid, at der ingen andre realistiske og grønne alternativer er til olie-baseret brændstof i sigte. Derfor giver det mening at bruge biomasse til grønt flybrændstof, særligt når det er baseret på den del af biomassen som ellers bare er affald.

I takt med at varme- og elproduktionen forventeligt kan omlægges til vind og solenergi, vil der frigøres biomasse, som kan udnyttes bedre og væsentligt mere rentabelt til brændstof.

Så det bliver ikke nødvendigt af fælde en masse skov eller opdyrke hele Danmark for, at vi kan flyve grønt.

Én forhåbning og plan for fremtiden er, at landbruget sideløbende med fødevareproduktionen, vil kunne etablere en rentabel produktion af pyrolyseolie baseret på deres rest-biomasse.

En brik i den grønne omstilling

Hydrotreating bruger derudover store mængder brintgas (H₂), og da flybrændstof er et værdifuldt produkt, vil brændstofproduktion baseret på bio-olie også være til fordel for de mange power-to-X anlæg til grøn H₂ produktion, der skyder op i disse år.

Dertil skal lægges at, selv når vi frigør os totalt fra brugen af fossil olie, vil der stadig være et ganske markant behov for de kulbrinter, der findes i olie, som råstof til den kemiske industri og til plastik, smøreolie og opløsningsmidler.

Samlet set fremtræder produktion af brændstoffer baseret på hydrotreating af bio-olie derfor både som en teknologisk og økonomisk attraktiv løsning i den grønne omstilling.

Projektet HyProFuel er finansieret af Innovationsfonden, og udføres af forskere fra Danmarks Tekniske Universitet, Københavns Universitet, Aarhus Universitet samt virksomhederne Topsoe A/S, Alfa Laval Danmark A/S, Kalundborg Raffinaderi, Equinor ASA og BTG bioliquids.