Luchtvervuiling rond vliegvelden en synthetische kerosine

De duurzame brandstof-tafel
Er is in het kader van de Proefcasus Eindhoven Airport een gespreksgroep opgericht, die zich bezig houdt met de eventuele invoering van duurzame brandstof op Eindhoven Airport. Op het moment dat dit geschreven wordt, heeft er nog maar één kennismakingsvergadering plaats gevonden waarbij de hele groep aanwezig was, plus een sessie in kleine kring op het ministerie van I&W. Wat er uit gaat komen moet dus nog blijken. Het eerste gesprek ging goed.

Duurzame brandstof betekent op dit moment biokerosine. Daarvoor bestaat een soort kip-ei verhaal: is duurder –> geen vraag –> geen productie –> geen schaal –> geen prijsverlaging. En ook na een eventuele prijsverlaging  zal het wel duurder blijven en dat moet dan maar op een of andere manier verrekend worden. Mogelijk zou het Eindhovense vliegveld hier wat kunnen gaan betekenen.
Er is momenteel bijna geen biokerosine te koop. De prognoses zijn dat er op termijn meer kan worden, zeker niet genoeg voor heel Europa, maar wel genoeg voor Nederland en dus ook voor Eindhoven Airport. Biokerosine is een goed begin, maar je haalt er het einde van de taak niet mee.

Biokerosine heeft voordelen. Het spaart, over zijn hele levenscyclus, CO2 uit (van de EU moet dat minstens 60% zijn, maar de vuistregel is 80%), en biokerosine verbrandt veel schoner. Ongemengde biokerosine is, anders dan conventionele kerosine, (nagenoeg) zwavelvrij en bevat normaliter geen aromatische verbindingen. Zwavel leidt tot ultrafijn stof en aromaten leiden tot extra veel roet (zie voor een eerder artikel Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder).
De eenvoudigste aromaat is benzeen (een ringvormige koolwaterstof). Daaraan kunnen allerlei toevoegingen geplakt zitten en dat zijn dan de zwaardere aromaten.

Bij het taxien en het proefdraaien ontwijkt er altijd niet of gedeeltelijk verbrande kerosine. Het zou voor de omgeving een slok op een borrel schelen als taxiën op de straalmotoren op Eindhoven Airport verboden werd, en als de vliegtuigen op eigen elektrische kracht of met elektrokarretjes gesleept, hun posities zouden innemen.

Sommige mensen zeggen dat ze kerosine kunnen ruiken en denken daarbij dat die kerosine in de lucht geloosd is. Van vliegtuigen in Duitsland is inderdaad bewezen dat ze in de lucht kerosine lozen, maar voor Nederland is daar niets van bekend. Aannemelijker is dat die mensen het taxiën ruiken (of het proefdraaien).  

Als er in biokerosine geen aromaten zitten, dan kunnen die ook niet vrijkomen, is de redenering. Meer specifiek zou er dan minder benzeen vrijkomen.

Benzeen
Bij het woord ‘benzeen’ gingen belletjes rinkelen. Bij mij en bij een, chemisch deskundige, kennis van een BVM2-vrijwilliger.

Benzeen is namelijk gore zooi. De IARC heeft het geclassificeerd in categorie 1 als ‘zeker kankerverwekkend’, want je krijgt er (onder andere) leukemie van. De kennis stuurde artikelen van het NIOSH (zeg maar, de Arbeidsinspectie van de VS) en andere artikelen met deze boodschap.
Ik had zelf ook gegoogled. Je vindt dan al snel veel materiaal van de luchtmacht van de VS, die het personeel op de bases heel wil houden als ze vliegtuigen bijtanken of repareren. Metingen geven aan dat het er bij vlagen ruig aan toe gaat met de benzeenconcentraties.


(Benzene and naphtalene in air and breathe as indicators of exposure to jet fuel_Rappaport ea_2003)

Ter vergelijking: de Nederlandse atmosferische norm is 5µgr/m3. De benzeenconcentraties in stedelijk gebied in Nederland zitten rond de 1µgr/m3.
Metingen door de provincie in 2012 bij het hek van Eindhoven Airport, bij de Spottershill, leverde dit op:


Door de provincie uitgevoerde meting over 2012 op de Spottershill bij EhvAirport

Voor een goed verhaal over benzeen in Nederland zie www.clo.nl/indicatoren/nl0457-benzeen .

Benzeen heeft een grote hazard en in een vliegtuighangar van de VS kan dat ook wel een grote risk worden (jargon voor een potentieel en een reëel bestaand gevaar), maar het feitelijk gevaar van benzeen, indien aanwezig, op en rond Nederlandse vliegvelden is een stuk beperkter dan in die hangar.

Op de eerste plaats omdat er in conventionele kerosine weliswaar 10 tot 20% aromaten zitten, maar dat zijn bijna allemaal zwaardere aromaten. Het benzeengehalte zit een eind onder de 1%. Dat is logisch, want de destilleerkolom sorteert naar kookpunten, en het kerosinemengsel zit tussen de 160 en 250°C. Benzeen kookt bij 80°C.
Diezelfde vluchtigheid maakt dat het beetje benzeen, dat wel in kerosine zit, er onevenredig snel uit verdampt, waardoor het bij bijv. het tanken en reparaties toch een factor van betekenis wordt. Maar ook uit een draaiende straalmotor komt benzeen, meer zelfs dan er in de brandstof zat, omdat door de hitte de zwaardere aromaten soms uiteenvallen tot lichtere, waaronder benzeen.De vrijgekomen benzeen verspreidt zich, houdt het een paar dagen uit in de atmosfeer, en draagt dus bij aan een hogere concentratie dan die er zonder vliegveld zou zijn. Die achtergrond wordt door veel meer zaken beïnvloed, zoals het autoverkeer (op de nabijgelegen Poot van Metz rijden ca 150.000 auto’s per etmaal), industriele processen (benzeen is een oplosmiddel), bosbranden en tabaksrook.
De schaarse metingen die elders uitgevoerd zijn, kunnen benzeen in gunstige omstandigheden en in relevante concentraties apart van de achtergrond detecteren, op afstanden tot pakweg een kilometer.

Vooralsnog vind ik benzeen uit kerosine vooral een ARBO-probleem. De vakbond zou zich er mee bezig moeten houden.
Het laatste woord is er echter, wat mij betreft, nog niet over gezegd.

Zwaardere aromaten zijn ook giftig, maar anders en minder. Het zijn soms organische oplosmiddelen. Ze kunnen bijv. een invloed op het centraal zenuwstelsel hebben, maar gelden niet als kankerverwekkend. Het IARC beschouwt jet fuel in zijn totaliteit als “niet kankerverwekkend”

Ander vergif
In een ideale wereld zou kerosine volledig verbranden. In de praktisch bestaande wereld ontstaan er ook zwaveloxides (SOx), stikstofoxides (NOx), koolmonoxide (CO), roet (Csoot) en on- of halfverbrande koolwaterstoffen (UHC), Die laatste worden ook wel eens aangeduid als VOC of NMVOC, (Non-Methane) Volatile Organic Compound.
Dit verhaal gaat vooral over de UHC of VOC.

Daarvan zijn er een heleboel, en een deel daarvan is ook weer toxisch.

Deze gegevens zijn overgenomen uit het project Longe Range-Transboundary Air Pollution (LRTAP), juli 2017, van de European Environment Agency (EEA). Ze zijn gemiddeld over een LTO: Landing and Take Off – een cyclus met één start (annex taxien) en één landing. LTO wordt gedefinieerd als het vluchtdeel dat onder de 3000 voet hoogte zit (zowat een kilometer).
Een getal * 100 is een percentage van het totaal aan VOC. Dus 12,31% van de VOC bestaat uit formaldehyde en dat is (d) gevaarlijk onder de U.S. Clean Air Act en (f) valt onder een dbase van de U.S. EPA. En 1,68% bestaat uit benzeen en dat is (d) gevaarlijk .
Het geheel telt met een post ‘onbekend’ van 29,21% op tot 100%.
De getoonde precisie is overigens idioot.

Nu is het altijd interessant van wat precies het percentage genomen is. Vandaar bovenstaande tabel (ook LRTAP).
Die gaat ook over één gestandaardiseerde LTO. Een Airbus A320 (die voor een vijfde van het verkeer op Eindhoven Airport zorgt) verbrandt bij één LTO 816,17kg brandstof. Dat leidt tot 1,64 kg UHC. Ergo produceert een A320, gemiddeld over één LTO-fase, 2,0 gr UHC per kg brandstof (1640gr/816kg).
Van die 2,0 gr UHC bestaan dus 1,68% uit benzeen (en 12,31% uit formaldehyde, enz).
Dus produceert een A320 over een LTO gemiddeld 0,034 gr benzeen per kg brandstof.
CE Delft noemt in zijn studie over de emissies, die in sept 2018 gepubliceerd is, dat in het referentiescenario in 2019 in de LTO-fase 46300 ton CO2 geloosd wordt, hetgeen neerkomt op 14700 ton brandstof.
Ergo wordt er dan 500kg benzeen in de lucht geblazen (14700000 * 0.034gr).

Zo kan men de rest ook uitrekenen (liever: schatten).

Als de gassen afkoelen, condenseren sommige stoffen tot (gemengd samengestelde) druppels of tot laagjes op roetkorrels. Die tellen mee voor het (ultra)fijn stof.

Het terugdringen van toxische emissies en synthetische kerosine
Ik ben mij gaan interesseren voor deze materie omdat BVM2 in zijn Manifest eiste dat de luchtvervuiling minder moest worden. Om dat waar te kunnen maken tegenover, vaak partijdige, onderzoeksbureau’s , moet BVM2 er een gevoel voor hebben van wat wel en niet kan. Vandaar deze research. Je wordt nu tenminste niet zomaar omver geluld.

Minder luchtvervuiling kan op vier manieren:

  • Minder vliegtuigen
  • Minder brandstof per vliegtuig (zuiniger vliegtuigen)
  • elektrisch taxiën of slepen
  • Minder vuile kerosine (om precies te zijn: met een lagere uitstoot per kg brandstof).

Dit verhaal gaat dus over het laatste.Een methode bestaat uit het overgaan op synthetische kerosine.  Dat kan zijn Gas To Liquid (GTL), biokerosine of (de nog experimentele) Power to Liquid. De laatste twee zijn, behalve schoner, ook beter voor het klimaat. De aandacht in de vliegsector gaat dus nu uit naar biokerosine.
Die is hierboven al aan de orde geweest. In het plaatje van Wuebbles (Aircraft Fuel Combustion) zet biokerosine, indien ongemengd, een kruis door de post SOx (en de bijbehorende vervolgproducten) en door het grootste deel van de post ‘roet’. In praktijk is voorlopig 30 tot 50% hiervan haalbaar, omdat vooralsnog tot dat percentage mag worden bijgemengd .

In ongemengde biokerosine zitten normaliter geen aromaten. Er zit dus geen benzeen in en ook geen zwaardere aromaten, die kunnen ontleden tot benzeen. Bij het tanken krijg je dus geen benzeen in je hangar en bij het taxiën in principe geen, en in praktijk een klein beetje benzeen uit de straalpijp.
In het lange lijstje vallen sommige verbindingen weg, namelijk de aromatische (bijv. tolueen of C4-benzeen etc).

Voor stoffen uit de aldehydegroep (zoals formaldehyde) is synthetische kerosine geen oplossing. Daartegen helpen alleen de simpele voorschriften minder vliegtuigen, minder kerosine per vliegtuig en elektrisch taxiën

Metingen wijzen uit dat het verbranden van synthetische kerosine inderdaad tot minder VOC’s leidt. Zie ook Bijgemengde biokerosine leidt tot halvering deeltjesuitstoot

(Falcon van de NASA meet de uitlaatgassen van een DC8)



Schiphol koolstofneutraal?

Inleiding
Een aantal belanghebbende partijen, gesteund door het overheidsinstituut Topconsortium voor Kennis en Innovatie Energie & Industrie (TKI), hebben aan de bureau’s Quintel en Kalavasta opdracht gegeven uit te zoeken in hoeverre Schiphol koolstofneutraal kan worden. Het rapport “Carbon neutral aviation with current engine technology” is op 12 maart 2018 uitgebracht. Men kan het o.a. downloaden op de site van TKI https://topsectorenergie.nl/nieuws/carbon-neutral-aviation-current-engine-technology-rapport-gepresenteerd .

Het woord “koolstofneutraal” luistert nauw. Wat men bedoelt is dat er per saldo evenveel CO2 de kerosinevoorraden ingaat als uitkomt. Maar bij vliegen op 10km hoogte gelden mechanismen die het klimaat beïnvloeden en die niet met koolstof te maken hebben, maar bijvoorbeeld wel met stikstofoxiden, ozon en waterdamp. Het rapport noemt die (ten onrechte) ‘slecht begrepen’ en gaat eraan voorbij.

De bureau’s zijn op pad gestuurd met de boodschap dat er niets mag veranderen aan de luchtvaart, behalve de techniek. De groei van de verkochte brandstof, dus netto, wordt voor Europa geraamd op 2,5 a 3,5%. De efficiencyverbeteringen zijn er dan al af. De groei zelf wordt niet ter discussie gesteld.
De studie noemt het werk van Paul Peeters over luchtvaart en duurzaam toerisme, maar doet dat af met de kreet dat we “geen oplossing moeten hebben die alleen maar politiek of financieel is, maar dat het erop lijkt dat we een andere oplossing nodig hebben.”

Waarna Quintel en Kalavasta gestart zijn met wat van het begin af aan de bedoeling was, namelijk een onderzoek doen naar synthetische kerosine volgens het Power To Liquid-proces. Dat moet het klimaatprobleem gaan oplossen.

Ik wijs hier op het artikel op deze site “Power to X ”, dat daar ook over gaat.

Schema van de productie van synthetische kerosine

Randvoorwaarden en gemaakte keuzes
Dit type onderzoek staat of valt met randvoorwaarden die kloppen, en met verstandige keuzes.

In 2016 werd er in Nederland 163,3PJ (een PJ is een grote energiemaat) aan kerosine getankt. Daarvan zou Schiphol ca 95% voor zijn rekening nemen (lijkt me iets aan de hoge kant, maar dat maakt voor het verdere verhaal niet uit). Dus werd er op Schiphol in 2016  155PJ getankt.

Men koos ervoor om te rekenen aan synthetische brandstof volgens het Fischer-Tropsch-procedé. Je vangt CO2, je hydroliseert water (uit het Ij), je maakt daar syngas van en vervolgens een mengsel van FT-kerosine en diesel (in de verhouding 61-39%). Die chemische reacties voed je met elektriciteit uit duurzame bron.
De zo ontstane FT-brandstof kan om technische redenen tot 50% worden bijgemengd met fossiele kerosine.

Het probleem wordt regionaal gedefinieerd.
Als CO2 – bron wordt gerekend aan wat er bij Tata Steel uit de schoorsteen komt (4,2Megaton CO2 en 3,1Mt CO). Er is ook wel gerekend aan CO2 die rechtstreeks uit de atmosfeer geslurpt wordt, maar dat wordt te oneconomisch. (Overigens gaat deze aanpak ervan uit, dat Tata Steel tot in lengte van dagen cokes blijft gebruiken in de hoogovens. Dat zal vast inderdaad nog wel heel lang duren, maar er wordt hier en daar al nagedacht over cokesloze hoogovens).
Ook de stroom moet uit de buurt komen. Het was de auteurs niet ontgaan dat de regering een heleboel windparken voor Ijmuiden in zee wil aanleggen, en daar claimde men gaarne 15GW van (de grootste wind-op-zee-plannen tot nu toe, die van het PBL, gaan uit van rond de 75GW). Verder wordt er gerekend met de aanwezigheid van een zonnepark van 2GWpiek, dus met een oppervlakte van ergens rond de 15km2.

Er wordt met verschillende olie- en elektriciteitsprijzen gewerkt.

Brutaal
Eerst het commentaar dat Schiphol hier zeldzaam brutaal bezig is.

Eerstens maken de voorraden voor de grensoverschrijdende lucht- en scheepvaart (de ‘bunkers’) wettelijk geen deel uit van de Nederlandse energiebalans. Energetisch gesproken is de kerosine op Schiphol extra-territoriaal. Het is sowieso al niet vanzelfsprekend dat Nederland moet opdraaien voor een bunker die niet bij Nederland hoort.
Waarbij die handelwijze veel ruimte wegclaimt aan wind op zee, die Nederland voor zijn eigen intra-territoriale energiebalans hard nodig heeft.

Bovendien profiteert de luchtvaart in andere opzichten van die extra-territoriale positie. Om die reden hoeven ze geen BTW en accijns te betalen, en konden ze zich drukken voor het Klimaatakkoord van Parijs. En kon de sector een eigen flutverhaal afspreken dat nauwelijks iets voorstelt.

Je moet het lef maar hebben.

En, kan Schiphol koolstofneutraal?
Nee.
Als Tata Steel zijn pijp aan Quintel en Kalavasta geeft, was die in 2016 goed voor ongeveer 75PJ duurzame bijmeng-kerosine, en zo’n 50PJ duurzame diesel (waar je auto’s op kunt laten rijden). Samen ongeveer 125PJ duurzaamheid.
Om aan de 155PJ kerosine over 2016 te komen, moet er dus nog 80PJ fossiele kerosine worden bijgemengd.
Enig rekenwerk aan het opgestelde duurzame vermogen leidt tot een jaarlijkse productie van circa 225PJ. Dus het rendement van het gehele proces is ongeveer de helft (een realistische uitkomst).

Bovendien groeit het vliegen in Europa met 2,5 a 3,5% per jaar, maar wat er uit de pijp van Tata komt niet. Dus 75 van de 155PJ in 2016 is 75 van de 234PJ in 2030 en 75 van de 423PJ in 2050. Ruim 40% van het meest vergaande PBL-windplan op de Noordzee gaat dan op aan 50% bijmengen op Schiphol.
Tegen het soort groeicijfers in de luchtvaart is geen enkele maatregel bestand.

Is onderzoek naar synthetische brandstof dan onzin?
Ook niet.

Om de eerste plaats is synthetische brandstof schoner. Er zit geen zwavel en nauwelijks benzeen in. Het Beraad Vlieghinder Moet Minder (BVM2) heeft in zijn Manifest en de uitwerking daarvan in eerste instantie synthetische kerosine geeist als middel tegen de luchtvervuiling. Ook Gas to Liquid-bijmengbrandstof uit Qatar is in dat opzicht al een verbetering.

Als synthetische brandstof bovendien een gunstig klimaateffect heeft, is dat ook mooi.

Sommige milieumensen redeneren erg zwart-wit. “Synthetische brandstof kan de klimaatproblemen van het vliegen niet oplossen!”. Klopt. Maar dat betekent niet dat die brandstof helemaal niets kan betekenen. Tussen de radicale standpunten 100% en 0% ligt bijvoorbeeld 10 of 20%, die men misschien voor een deel in krimp van de CO2 kan omzetten.

Investeringen en tarieven
Quintel en Kalavasta proberen met uitvoerige calculaties het onvoorspelbare toch te voorspellen. Want wat doet de olieprijs en de stroomprijs? Dat moet met scenario’s.

In hun hoofdvariant A1 rekenen ze drie olieprijzen door, kiezen de huidige groothandelsprijs voor stroom van 4 €cent/kWh, laten de overige omstandigheden onveranderd en beperken zich tot wat er bij Tata uit de pijp komt. Het resultaat is een synthetische $ per barrel-prijs in 2030, die afgezet wordt tegen een fossiele $ per barrel-prijs in 2030. De synthetische prijs komt dan duurder uit.
Ik zal van deze variant de uiteindelijke resultaten in onderstaand plaatje geven.

In variant A2 geven Quintel en Kalavasta aan wat de wereld dient te doen om synthetische kerosine uit de Tata-pijp even duur te doen zijn als fossiele kerosine.

In variant B komt de CO2 niet uit de pijp van Tata, maar uit de vrije atmosfeer. Die cijfers geef ik niet, want dat is voorlopig toch enkele bruggen te ver.

In het middelste A1-scenario (bovenste plaatje, ruwe olie 80$/barrel) kost fossiele kerosine in 2030 90 $/barrel en synthetische $195$/barrel.
Als de ruwe olie $144/barrel kost, kost synthetische kerosine niet veel meer dan fossiele.
Als de olieprijs $30 per barrel is, is synthetische kerosine bijna zes keer zo duur (in dat plaatje staat een foutje).

Wat kost synthetische kerosine per ticket? Uiteraard hangt dat ervan af wat je met wat vergelijkt. Quintel en Kalavasta kiezen de kerosineprijs van 2015 als vertrekpunt ($70 per barrel) en de middelste A1-variant als aankomstpunt  in 2030, dus $90 per barrel fossiel en $195 synthetisch). Omdat brandstofkosten slechts 15% tot 40% van de totale kosten uitmaken, komt die stijging slechts voor een deel in de ticketprijs terecht.
Volgens Quintel en Kalavasta is een ticket op basis van bijmenging van synthetische kerosine in 2030 vlootgemiddeld 33% duurder dan datzelfde ticket op basis van puur fossiele kerosine zou zijn. Maar het kan schelen of een maatschappij veel lange of veel korte vluchten maakt. De KLM zou met een extra 22% gunstiger zitten dan het gemiddelde en Ryanair met een extra 54% ongunstiger.

Andere kosten, zoals accijns, BTW, en CO2-heffing zijn hierin niet meegenomen.

Neem de cijfers voor wat ze zijn: natte vinger-oefeningen. Beter dan dat kun je niet verwachten.

De impact op de duurzame energieopwekking in Nederland
Een voorgesteld project als dat van Schiphol heeft uiteraard invloed op de vormgeving van de duurzame politiek in Nederland, en ook op het achterliggende overheidsbeleid.

De rechtstreekse invloed dat Schiphol 30% van de wildste windplannen (tot nu toe) van de Noordzee claimt, terwijl Schiphol energetisch geacht wordt niet bij Nederland te horen, is hier al behandeld. De rest van Nederland, die energetisch wel bij Nederland hoort, zou het nakijken hebben. Alle energiescenario’s (bijvoorbeeld het Energieakkoord) gaan over die rest van Nederland.

2050 – An Energetic Odyssey verbeeldt een systeemsprong die het mogelijk maakt dit gat te dichten door op zeer grote schaal windenergie voor de omringende landen te oogsten op de relatief ondiepe Noordzee.
Het Nederlandse deel vna dit plan van de gezamenlijke Noordzeelanden zou ergens rond de 50GW liggen.

Een indirect gevolg loopt via de stroomprijs. Schiphol’s gewoonste (A1) scenario berust op een stroomprijs van 4,0 cent per kWh. Schiphol’s break even-scenario A2 berust op 2,9 cent/kWh.
Zelfs de modernste, nu geplande, windturbines op zee hebben straks (als alles goed gaat) productiekosten van 5,45 cent/kWh (zie bijvoorbeeld www.nrc.nl/nieuws/2018/03/19/nuon-gaat-windmolenpark-bouwen-dat-niet-op-subsidie-draait-a1596251 ). Prognoses beweren dat deze kWh-kosten gaan dalen.
Alle andere vormen van energieopwekking in Nederland, inclusief de oudere wind op zee-parken, zitten beduidend hoger met hun kWh-prijs. De goedkoopste fossiele bron, kolen, zal rond de 6 cent per kWh zitten en dat getal zal stijgen. De kostprijs van welke vorm van energieopwekking dan ook zit dus (al jaren) boven de marktprijs. De hele energiewereld draait dus met verlies, en dat wordt vervolgens bij duurzame energie gecompenseerd met een omvangrijk subsidiesysteem.
De Schipholse scenario’s eisen dus een stroomprijs die het nog jarenlang nodig maakt om voor de rest van de samenleving het huidige subsidiesysteem overeind te houden.
De momenteel feitelijk bekende wind op zee-kWh-prijzen liggen nog steeds boven de stroomprijs van 4 cent per kWh, die als kengetal geldt in het Schiphol A1 scenario, en nog hoger boven wat nodig is voor het break even-scenario. Virtueel zou dus Schiphol voor zijn synthetische kerosine-plannen gesubsidieerd moeten worden (let wel: dus voor een extra-territoriale taak).
Nu wordt beweerd (Zeewind versus kolenstroom, juni 2017, SEO op verzoek van Natuur en Milieu) dat de kWh-prijs voor de nog aan te besteden windparken op zee nog verder zal zakken, tot onder de 4 cent/kWh. Het moet blijken.
Mocht het zo zijn, dan zou Schiphol de goedkope stroom voor eigen gebruik inpikken.

Maar wat voor Schiphol geldt, geldt natuurlijk ook voor andere grote ondernemingen. Tata Steel zal zelf ook wel een heleboel stroom verbruiken en die wil misschien tegen die tijd ook wel stroom voor onder de 4 cent per kWh. Enzovoort.  Voor je het weet is er een tweedeling tussen een groepje energievretende bedrijven die alle goedkope stroom opeet, en de rest van de samenleving die op gesubsidieerde duurdere stroom aangewezen blijft. Met subsidies, die betaald worden uit belastinggelden.
En dat terwijl bij een hogere stroomprijs ook gewoon de vliegtuigtickets duurder hadden kunnen worden.

Het voert nu te ver om hier diepere gedachten over de energiepolitiek op te bouwen. Het lijkt mij dat men in een energiearmere samenleving in de toekomst niet aan een rechtvaardig systeem van politiek gestuurde rantsoenering zal kunnen ontsnappen.

Bouw van windturbines op zee (Van Oord)

Toevoeging:
De groene lobby Transport & Environment heeft ook over PtoL geschreven. Ik neem hier een citaat van hen over met instemming mijnerzijds:
With no technological silver bullets on the horizon, the aviation sector has hard choices to make if it is to stop being the fastest and cheapest way of frying the planet. Effectively pricing the sector’s pollution, and removing its subsidies and tax breaks, is the most immediate option. Electro-fuels – if produced from renewables such as wind and solar – should start to be given serious consideration. Also known as power to liquid, these are electricity-based liquid fuels which can be used in internal combustion engines. The huge amounts of renewable electricity needed to produce electrofuels means they may not be a silver bullet and are likely to only be able to meet part of aviation’s future energy needs. Flying less, flying more efficiently, and flying powered by electrofuels is not a bad plan.”
De tekst is te vinden op www.transportenvironment.org/make-the-journey-of-phones-clean/aviation.html .

Power to X – update PtoL via plasmachemie

X is hier niet “the people”, zoals de oude, maar nog steeds actuele strijdkreet luidt. X staat hier voor vormen van energie.

Inleiding
De ‘power’ is duurzame elektriciteit (eventueel overtollig), de X is een energievorm waarin die duurzame elektriciteit kan worden omgezet: warmte, gas, vloeibare brandstof, of andere chemicaliën. Als de power op dat moment overtollig was, kun je deze techniek zien als een vorm van energieopslag.

Dit alles kwam aan de orde tijdens de sessie van de Energy Days op de TU/e op 22 maart 2018.

De presentaties zijn te vinden op www.tue.nl/en/research/strategic-area-energy/about-energy/energy-events/energydays/series-5-2017-2019/day-2-renewable-fuels-and-chemicals/ .

Kramer, van der Schaaf en Eichel

Sprekers waren Eichel van het onderzoekscentrum in Jülich, Van der Schaaf van de TU/e en Kramer van het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit van Utrecht. Ik volg hier vooral de betogen van Eichel (voor de techniek) en Kramer (voor prijs en kansen).

Dit artikel gaat over vooral over één route, namelijk die naar vloeibare brandstof, bijvoorbeeld diesel of kerosine (diesel is niet precies hetzelfde als kerosine, maar ze lijken genoeg op elkaar om ze in dit artikel even over één kam te scheren).
De route naar warmte is in deze kolommen al eerder aan de orde geweest, zie Energy Day TU/e bespreekt Ecovat-systeem
De route van stroom naar gas is een serieus alternatief voor opslag. Voordeel is dat er al een leidingennet ligt (van het aardgas af betekent niet noodzakelijkerwijs ook dat de gasleiding weg moet). Dit verdient in de toekomst een apart artikel (maar zie al vast CE rekent klimaatneutrale warmtevoorziening woningen door voor 2050 ).
De route van gas naar vloeistof (GTL) is al eerder aan de orde geweest, zie Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder! en Hinderbeperkende maatregelen op vliegveld Eindhoven (update-versie 18 jan 2018) . Die stap van gas naar diesel zetten de Shell en Sasol in Qatar. Het eindresultaat is synthetische brandstof, die (nu) voor 50% met kerosine gemengd kan worden. De technische term is FT-brandstof (Fischer-Tropsch, naar de ontwikkelaars van het procedé).

In schema:

Verschillende Power to X – routes

De techniek

Die brandstoffen bevatten als regel koolstof en die moet ergens vandaan komen. Daaraan geen nood: er is toch al teveel CO2 in de lucht en die kun  je gebruiken, liefst in geconcentreerde vorm voordat het spul de schoorsteen verlaat. Eigenlijk keer je dus de verbranding om: als je gas of kolen verbrandt krijg je CO2 en dat draai je dan om.
Eigenlijk doe je niet anders als bij een twee richting-stuwmeer: als je stroom nodig hebt gaat het water met de zwaartekracht mee van boven naar beneden, en als je stroom teveel hebt pomp je het water terug.

Het CO2-verhaal klinkt mooi en tot op zekere hoogte is het ook mooi, maar tussen droom en daad staan natuurwetten in de weg en praktische bezwaren.
Als je eerst water omhoog pompt en het dan weer door een turbine laat vallen, ben je grofweg 20% van je energie kwijt aan verliezen. In technische termen: het cyclusrendement is zo’n 80%.
Net zo kun je eerst diesel verbranden, en dan de  gevormde CO2 vervolgens weer terug’pompen’ naar de dieselvorm. Als je wilt, kan dat, maar je hebt een cyclusrendement en dat is tamelijk laag.

Cyclusrendementen van stroom naar stroom

Bovenstaande figuur van Eichel legt een vergelijkbare gedachte uit met een ander begin- en eindpunt. Het schema begint met grillige elektriciteit van (bijvoorbeeld) een windmolen en eindigt met geheel geregelde elektriciteit op een gewenst tijdstip.
Als dat via de tussenstap gas en een gasturbine gaat (bovenste regel) is het totaalrendement 15 – 35% , en als het via waterstof en een brandstofcel gaat 35 tot 60%.
Als je in de bovenste regel stopt bij hokje ‘gas grid’ en dan ‘afslaat’ om alle CH4-tjes van het gas aan elkaar te plakken tot diesel, zal er wel weer wat verlies optreden. Hoeveel weet ik niet, maar ik schat in dat het totaalrendement van windmolen-energie tot aldus vervaardigde diesel-energie ergens op 1/3de tot 1/2de uitkomt. Voor het doel van dit artikel is deze nauwkeurigheid groot genoeg.

Met andere woorden: voor elke Joule die je wint als diesel (of kerosine of benzine), onder ontwikkeling van CO2 verbrand wordt, moet je 2 tot 3* zoveel elektrische energie investeren om van die CO2 weer diesel te maken. Dit is de meest basale wet die hier geldt.

Je hebt dan wel extra’s met enig belang: de brandstof, die je zo krijgt, verbrandt schoner. Er gaat geen zwavel in en er komt dus ook geen zwavel uit, en dus ook veel minder ultrafijn stof. Er kan ook minder roet ontstaan.

Energiedichtheid van sunthetische brandstoffen en NOx- en roetontwikkeling

In dit plaatje is EN590 gewone autodiesel, FT-diesel wat hierboven beschreven is, verder biodiesel uit raapolie en OME, een stof waaraan momenteel nog veel onderzoek gedaan wordt en die mogelijk gebruikt kan worden als additief in dieselolie voor auto’s.
Het diagram toont dat de balans tussen roet en NOx een trade-off is. Maar bij een gegeven NOx-niveau geeft de FT-diesel ruim de helft minder roet.

Prijs en kansen
Waar Eichel vooral op het procédé in ging, ging Kramer vooral over wat het kost, wat de maatschappelijke kansen zijn en welke keuzes nodig zijn.

De kosten van Power to Liquid, uitgerekend op de achterkant van een enveloppe.

Hoe het uitpakt met de prijs.

Kramer komt voor synthetische (P2X) brandstof, als hij het op de achterkant van een envelop uitrekent, op zo’n 30$/GJ . Daar mag een kwart van af als de CO2 uit een geconcentreerde bron komt, bijv. een schoorsteen.
Ter vergelijking: bij een ruwe olieprijs van 50$ per barrel kost olie €8,6$/GJ. Maar die ruwe olie moet nog bewerkt worden, dus het prijsverschil ligt iets gunstiger.
Momenteel ligt de olieprijs weer wat hoger, dus P2X-brandstof zou nu grofweg 2 a 3* zo duur zijn als reguliere fossiele brandstof, als er al sprake zou zijn van grootschalige productie.

De toekomst van de energie volgens Kramer

Kramers plaatje voor de toekomst, en tegelijk zijn conclusies, met enige uitleg mijnerzijds:
(TFC is de Engelse afkorting voor Finaal Energetisch Verbruik, dat wat netto aan de klant wordt afgeleverd).

  • The remarkable progress on electric renewables have fundamentally changed the energy and climate outlook.
  • We have about a decade to sort out what we will do with (hydrocarbon) fuels.
  • Mind the development times (decades)
  • P2H2 will come in time (bedoeld wordt de fabricage van waterstof bg)
  • P2X synfuels are more questionable: the Bio / CCS / P2X split hinges on societal choices and on technical progress in P2X (electrolysis & capture)

Over dat laatste: de mensheid kan (volgens Kramer) na 2040 twee kanten op om in 2050 op een situatie uit te komen, waarin zonder netto CO2 – emissie netto 600EJ (dat is 600.000 PJ) aan de klant wordt afgeleverd. Die 600EJ bestaat voor de helft uit stroom en voor de helft uit brandstof.
In het ene scenario is alles RE = Renewable Energy, en komt dus de brandstof uit duurzame bron (Power to X). Dit vraagt vooral om verdere technische vooruitgang.
In het ander scenario wordt in 2050 nog steeds flink wat fossiele brandstof ingezet, en ook biobrandstof, en wordt de vrijkomende CO2 onder de grond gestopt (de CCS-afkorting). Dit vereist minder technische vooruitgang, maar meer maatschappelijke struikelblokken.

Hierover zal de mensheid een zeer fundamentele discussie moeten gaan voeren.

–  –  –  –  –  –

In  Mei 2018 kreeg Marleen Ramakers tot de meest beloftevolle Belgische onderzoeker van 2018 uitgeroepen. Ze kreeg een prijs van het populair-wetenschappelijke blad EOS, de EOS Pipet. Zie www.uantwerpen.be/popup/nieuwsonderdeel .

Marleen Ramakers, plasmachemie, Universiteit van Antwerpen

Ze doet onderzoek aan het vervaardigen van synthetische brandstof uit CO2 met behulp van een plasma. Ze beweert dat je daar hogere rendementen mee haalt. Voor een artikel zie www.researchgate.net/publication/320578875_Revealing_the_arc_dynamics_in_a_Gliding_Arc_Plasmatron_A_better_insight_to_improve_CO2_conversion .

Cover van het bekendste artikel

Fijnstofuitstoot Eindhoven Airport kan gehalveerd worden!

Vliegen op aardgas (synthetische kerosine – 1)

Inleiding: dit verhaal gaat over toxische emissies door vliegtuigen
Het Beraad Vlieghinder Moet Minder (BVM2) organiseert de omwonenden van Eindhoven Airport. De eis is dat de hinder niet verder mag groeien, en dat het aantal vliegbewegingen alleen mag groeien als vliegtuigen schoner, zuiniger en stiller worden, en als het resultaat daarvan 50-50% verdeeld wordt tussen het vliegveld en de omgeving.
“Hinder” moet dus ruim opgevat worden.

“Schoner” betekent dat er minder giftige stoffen naar de omgeving geloosd worden. Daarvoor bestaat momenteel geen norm die er toe doet. De enige eis is dat de atmosferische concentraties in de wettelijke categorieën fijn stof (PM10 en PM2.5) en NO2, opgeteld over alle oorzaken, onder een jaargemiddelde norm blijven. In praktijk bindt dat het vliegveld niet omdat in deze categorieën andere bronnen veel meer invloed hebben (zoals bijvoorbeeld de Poot van Metz).
In de categorieën echter “ultra fijn stof (UFP)” en “roet” bestaan er geen normen. Juist daar heeft het vliegverkeer in verhouding veel invloed.
Er bestaat dus momenteel geen wettelijk middel om het vliegveld vast te prikken op een emissieplafond.

De stippen vlnr Oerle, Waterrijk-Noord en Zandrijk-Noord

Dat betekent dat de politiek, middels bestuurlijke instrumenten als een vergunning, een basis voor een dergelijke inperking moet creëren. Er komt misschien een nieuw Luchthavenbesluit, er komt in elk geval een nieuwe Gebruiksvergunning, en het kabinet wil een nieuwe Luchtvaartnota schrijven. Daarin zouden scherpere bepalingen kunnen worden opgenomen.

Die toxische emissies hebben drie ontstaanswijzen (zie ook Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder! ):

  • Gangbare brandstof bevat veel zwavel. Dat verbrandt tot zwaveloxide en dat reageert verder door en vormt uiteindelijk het merendeel van het UFP.
  • Gangbare brandstof bevat relatief veel benzeen (de eenvoudigste verbinding van een groep die aromaten genoemd wordt) en dat veroorzaakt veel roet
  • Door de hoge temperatuur reageert atmosferische zuurstof met atmosferische stikstof en stikstof in de brandstof tot stikstofoxides en die reageren uiteindelijk door tot een deel van het UFP, tot smoggassen en/of nitraatneerslag op de bodem. In deze categorie is het vliegveld geen grote bron tussen de vele andere bronnen (zoals bijvoorbeeld de Poot van Metz).

Er zijn twee hoofdroutes om de hoeveelheid toxische emissies terug te dringen:

  • door minder brandstof te verbranden (wat kan door minder vliegtuigen en/of minder brandstof per vliegtuig). Dit werkt op alle drie de ontstaanswijzen.
  • Door brandstof te verbranden die weinig of geen zwavel en aromaten bevat. Dus door schonere brandstof.

Het 50-50% verhaal van BVM2 geldt ook voor toxische emissies en de vraag is dus of het mogelijk is die hoeveelheid in absolute zin te verminderen.

Het antwoord is “ja”.
Moderne vliegtuigen zijn zuiniger (een Airbus320NEO is naar eigen zeggen 15% zuiniger dan een gewone A320).
Er bestaat goede vliegtuigkerosine met veel minder zwavel en aromaten, en die kan op twee manieren worden vervaardigd: uit aardgas of uit biomassa.

Het Pearl-complex in Qatar

Disclaimer
Er komen hier enkele onderwerpen voorbij, die op de emoties werken en politiek gevoelig liggen. Daarom eerst, om misverstanden te vermijden, een verklaring waar dit verhaal NIET over gaat, en hoe de onderwerpen waar het NIET over gaat op andere wijze aan de orde komen.

Dit verhaal gaat niet over geluid. Daarover is in deze kolommen al veel geschreven en dat hoeft niet opnieuw. Ik beperk me tot de vaststelling (als voorbeeld) dat de A320NEO, behalve zuiniger, ook (weer naar eigen zeggen) twee geluidsklassen stiller is dan de gewone A320.

Dit verhaal gaat niet over klimaat. Ook daarover is in deze kolommen al veel geschreven en ook dat hoeft niet opnieuw. Het is ten enenmale onmogelijk om de klimaateffecten van de  huidige explosieve groei van de luchtvaart, met welk middel dan ook, volledig te ondervangen. Technische middelen kunnen dat hooguit voor een deel. Financiele methodes kunnen ook iets bijdragen. Voor de rest moet het komen van minder en selectiever vliegen en dat vraagt om een forse culturele omslag en bijbehorende wetgeving

Ik hoop en ik verwacht dat er voor afstanden tot pakweg 1000km alternatieven zullen verschijnen en ik hoop dat er minder gevlogen wordt, maar ongetwijfeld zullen er voor afstanden boven de 1000km nog heel lang straalmotoren ingezet worden.

Dit verhaal gaat niet over biomassa. Ik deel de in milieukringen veel gehoorde mening niet dat biomassa per definitie van de duivel is, maar daar ga ik een apart verhaal over schrijven. Er staat overigens al het nodige op deze site.

Dit verhaal gaat over slechts één onderwerp, namelijk hoe er op Eindhoven Airport en andere luchthavens, bij gelijkblijvende overige omstandigheden, vuilere kerosine op basis van olie kan worden vervangen door schonere kerosine op basis van aardgas.
Voor de andere discussiepunten is dit onderdeel neutraal of indirect positief.

Schema van een Fischer-Tropsch project met als grondstof methaan

Hoe je van aardgas kerosine maakt
Dat gebeurt met het Fischer-Tropsch proces. De naam komt van twee Duitse chemici die dit procedé om vloeibare brandstoffen te maken voor het eerst ontwikkeld hebben in het Duitsland van tussen WOI en WOII. Zij gebruikten kolen als grondstof, maar allerlei ander organisch materiaal leent zich er ook voor, waaronder biomassa en aardgas.
Bij aardgas spreekt men van een Gas to Liquid-proces (GTL).

Eerst wordt het aardgas onvolledig verbrand tot syngas, bestaande vooral uit koolmonoxide en waterstof (lijkt een beetje op het vroegere stadsgas). Dat reageert tot een nieuw tussenproduct dat een beetje op was lijkt, en vervolgens wordt dat weer gecontroleerd gesplitst in allerlei gewenste eindproducten.
Voor wie een website van de Shell kan bezoeken zonder meteen gehinderd te worden door visoenen van zwarte figuurtjes met bokkepoten, hoorntjes en een staart, kan een mooi filmpje zien op www.shell.com/energy-and-innovation/natural-gas/gas-to-liquids.html , waar ook de nodige uitleg staat.

Beeld uit de Shell-film over het GTL-procédé. Zie met name de niet-ringvormige molekulen

Ik heb onder andere voor deze still uit het filmpje gekozen om te laten zien dat er geen ringvormige aromaten gevormd worden. In chemische vaktermen is het product bijna zuiver alifatisch.
En omdat aardgas makkelijk van zwavel te ontdoen is (dat gebeurt bij de aardgaswinning routinematig) bevat het eindproduct dus geen zwavel.

Kenmerken van FT GTL-brandstof. Dit is vóórdat die gemengd is met conventionele kerosine.

De Shell geeft aan dat de GTL-brandstof tot 50% gemengd kan worden met gewone kerosine uit olie. Het eindresultaat van die blend is gelijkwaardig aan standaard Jet Fuel. Het mengsel is dan dus bijna half zo vuil als de Jet Fuel die je anders gehad had.

Mogelijk komt het nog eens zover dat de mengverhouding richting 100% gaat.
De blend is proefondervindelijk bewezen: in 2009 vloog een A340-700 van Qatar Airways op een 50-50% mengsel van Londen naar Doha, met passagiers aan boord.

Twee firma’s beschikken over de techniek om dit te doen: de Shell en het Zuidafrikaanse Sasol. Beide hebben een joint venture met de regering van Qatar, resulterend in het bestaande Pearl- respectievelijk Oryx-complex en beide bouwen of plannen of licenseren ook elders installaties. Er is dus geen onoplosbaar capaciteitsprobleem.

Het is dus technisch mogelijk,  stante pede of hooguit na een zekere leveringstijd, om op Eindhoven Airport de vervuiling door ultrafijn stof en roet te sterk te verminderen. Halveren lukt niet meteen , omdat er ook landende vliegtuigen zijn die elders getankt hebben (later aangebrachte precisering).

Bestuurlijk en logistiek
Of het bestuur zich aan deze ontwikkelingsrichting wil committeren, moet blijken.  Dat zal ook van druk vanuit de bevolking, en vanuit de lokale politiek, afhangen.

Hoe dit logistiek moet, kan ik niet meteen beoordelen. Ik ga ervan uit dat Eindhoven Airport, gevestigd op een militair vliegveld, aan een ondergrondse pijpleiding hangt van de NATO. De volgende vraag is of de NATO de synthetische brandstof al als gelijkwaardig erkend heeft, en vervolgens of die per pijpleiding kan worden aangevoerd.
Zie http://blogs.platts.com/2014/02/21/gtl-military/ , maar dat is al een zowat vier jaar oude tekst. De huidige situatie is mij niet bekend.
Als hier een probleem ligt, moet dat maar worden opgelost.

Geld
Informatie over actuele Standaard Jet Fuel-prijzen is op Internet te vinden.
Directe informatie over de synthetische versie heb ik nog niet kunnen vinden.

Op basis van het hele verhaal krijg ik de indruk, dat de synthetische versie ongeveer concurrerend was met de standaardversie voordat de olieprijzen kelderden tot het huidige, lage niveau. Dat zou betekenen dat de GTL-blend nu duurder is dan de, overigens gelijkwaardige, standaardversie.
Dat moet dan maar. Gewoon de kerosineprijs omhoog voor schonere lucht!
Mocht er daardoor minder gevlogen worden op Eindhoven Airport, dan is dat mooi meegenomen voor de andere gewenste doelen, het geluid en het klimaat.