Hernieuwbare kerosine: wat je er wel en niet van moet verwachten

Inleiding – twee doelen: klimaat en luchtvervuiling
Het Beraad Vlieghinder Moet Minder (BVM2) zet in op synthetische kerosine in de verwachting dat die bij de verbranding veel minder luchtvervuiling met zich meebrengt.

In elk geval is dat voor synthetische brandstof die uit aardgas gemaakt wordt aannemelijk (afbeelding linksonder). Maar die is niet duurzaam en of de synthetische variant meer of minder duurzaam is dan de fossiele, valt niet meteen te zeggen.

Daarnaast zet BVM2 in op 7,5% minder CO2 in 2030 dan in 2020. Zuiniger motoren kunnen helpen, maar misschien ook weer synthetische brandstof, maar dan niet uit aardgas gemaakt. Wat die klimaatvriendelijke synthetische brandstof met de luchtvervuiling doet, staat niet a priori vast.

Maar dat kon wel eens meevallen.
Neste Oil, op dit gebied de grootste onderneming, heeft in elk geval een zwavel- en aromatenvrije dieselolie in de aanbieding (www.neste.nl/voor-klanten/hierneuwbare-producten/nexbtl-hernieuwbare-diesel/voordelen-van-nexbtl-hernieuwbare-diesel ).
Naar eigen zeggen is hun Renewable Jet Fuel aromatenvrij en zwavelarmer (zie www.nordicenergy.org/wp-content/uploads/2016/09/Neste-Renewable-Jet-Fuel-Virpi-Kroger.pdf ).
Het gaat hier om reclameuitingen van Neste Oil zelf, die mogelijk waar zijn.

BVM2 blijft verder over dit onderwerp nadenken.

Een vorm van synthetische kerosine is biokerosine.

De discussie over biokerosine beweegt zich tussen twee extreme karikaturen.

De ene karikatuur is die van de KLM, die doet alsof men op afgewerkt fritesvet de wereld kan veroveren (fritesvet en -olie bevatten geen zwavel, geen benzeen en aanverwant en wel lineaire onverzadigde verbindingen, dus je zou verwachten dat je weinig ultrafijn stof hebt en een gematigde roetproductie – maar dat is met de natte vinger. Dat soort zaken hoopt BVM2 nog ut te zoeken).
De in de ICAO verenigde luchtvaartwereld hoopt met biokerosine een deel van het klimaatprobleem op te lossen (afbeelding rechtsboven, het bruine deel).

De andere karikatuur is die van de milieuwereld, die alleen maar over illegaal gekapte oerwouden begint vol met zielige orang oetans. Nu staat vast dat je niet illegaal bos moet kappen voor palmolie, maar lang niet alle palmolie is illegaal en bovendien speelt palmolie maar een ondergeschikte rol bij biobrandstof.

Herkomst van RJF van Neste Oil naar eigen zeggen     (zie www.nordicenergy.org/wp-content/uploads/2016/09/Neste-Renewable-Jet-Fuel-Virpi-Kroger.pdf )

Wat moet je nou als je bij de extremen weg wilt blijven en als je gewoon zakelijk naar de cijfers wilt kijken? Dan moet je het artikel lezen “Renewable jet fuel supply (RJF) scenario’s in the EUin 2012-2030 in the context of proposed biofuel policy and competing biomass demand”, Dat staat in GCB Bioenergy van Wiley van mei 2018. Het is open access en te downloaden op https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcbb.12525 . De eerste auteur is Sierk de Jong en daarnaast doen er nog een stel andere bekende Nederlandse geleerden aan mee.
Het verhaal gaat alleen over klimaat en niet over luchtkwaliteit.

Het onderzoek van Sierk de Jong e.a.
Het onderzoek gaat uit van kaders:

  • Het onderzoek gaat over de EU.
    Het overgrote deel van de biomassa wordt in de EU geteeld en een klein deel wordt geïmporteerd.

De kerosinevraag is die van de EU.

Biomass supply in the EU, incl import (de bovenste drie hokjes)

‘Primair” betekent zoiets als bruto. Bij omzettingen ontstaan verliezen en wat er dan overblijft is netto (“final”).
Import speelt sowieso slechts een bescheiden rol.

  • De EU-richtlijn RED-II is maatstaf. Die ligt bij de Europese Commissie, maar nog niet bij het Europees Parlement. RED-II moet RED-I gaan opvolgen. RED-II is ambitieuzer t.a.v. duurzame energie, maar voorzichtiger t.a.v. biomassa die voedsel beconcurreert of anderszins van dubieuwe herkomst is.
  • Het rapport rekent aan non-food bronnen (UCOAF = Used Cooking Oil and Animal Fat), dus de categorie fritesvet.
RED-eisen
  • Gevolgd wordt het RESolve-Biomass model van ECN , dat alle biomassavraag en -aanbod met elkaar in verband brengt en oordeelt op basis van prijs.
  • Er is een High- en Low-aanbod scenario, en idem vraag. Daar horen precieze omschrijvingen bij, maar dat voert hier te ver.

  • Er zijn een paar technieken van belang om Renewable Jet Fuel (RJF) te maken. Onderstaande tabel geeft dat deel van een groter assortiment aan fabricagewijzen weer, dat specifiek in RJF resulteert (welke erg veel op dieselolie lijkt).

De laatste kolom betekent dat driekwart of meer van de CO2 – emissie weer teruggevangen wordt. Een vlucht die CO2 uitzendt, horend bij 200GJ brandstof, vangt daar CO2 voor terug, horend bij bijv. 160GJ brandstof.

  • Het onderzoek rekent met de volgende prijzen van fossiele brandstof

    Gehanteerde prijzen van fossiele brandstof

Op deze wijze zijn alle begincondities in de week gezet. Het lijkt allemaal veel preciezer dan het werkelijk is, en het rapport doet geen moeite om alle onzekerheden te verbergen.

En wat komt er nou uit? Op het volgende plaatje;

Afhankelijk van het scenario komt het verhaal er op uit, dat de EU

  • In 2021 nagenoeg niets levert
  • In 2025 ergens rond de 25PJ RJF kan produceren
  • In 2030 rond de 210PJ RJF kan leveren +- 50 (hierboven links)
  • Hernieuwbare vliegtuigbrandstof deel uitmaakt van een groter pakket, waarin ook scheepvaart en wegverkeer zitten
  • Als de luchtvaartsector zelf zou opdraaien voor de meerkosten van RJF, zou dat per vertrekkende passagier €1,00 tot €1,40 extra kosten op een vlucht binnen de EU (dat is us alleen vanwege de RJF, niet vanwege andere oorzaken van prijsverhoging)

Hoe plaats je dit in context?
Aan  losse getallen heeft men weinig. Ze moeten ter vergelijking ergens tegen afgezet worden.
Daarbij is het van belang welke vraag men stelt.

  • Nederland verbruikte in 2016 ongeveer 165PJ voor de grensoverschrijdende luchtvaart.
    Overigens telt dit niet mee voor het Nederlandse energiebudget, dat (zonder lucht- en scheepvaart) primair ongeveer 3200PJ bedraagt.
    De Europese productie van RJF op non-food basis is dus wat meer dan de Nederlandse vraag.
  • De EU verbruikte in 2015 ongeveer 2100PJ aan vliegtuigbrandstof en dat zal, naar verwachting, in 2030 ongeveer 2800 a 2900PJ zijn. Europese RJF vangt dus slechts een beperkt deel van de Europese groei op en vangt 6 tot 9% van de totale Europese vraag naar vliegtuigbrandstof op. Onbelemmerde groei kan niet met fritesvet en houtsnippers beargumenteerd worden.
  • Alle vormen van non-food biofuel samen zijn goed voor ca 300 tot 600PJ op een Europese energiebegroting die in 2016 ongeveer 32000PJ was. Dat is dus 1 a 2% van de totale energiebegroting
  • Alle vormen van biomassa samen (er is veel meer biomassa die voor andere zaken als biofuel gebruikt wordt) zijn, zonder import, zijn in principe goed voor zo’n 11000 tot 14000PJ. De totale categorie biomassa kan dus een flink deel van de totale primaire energievraag afdekken.
  • Vroeg of laat komen er electrofuels. Nu is dat nog laboratoriumtechniek. Hoeveel PJ daaruit te halen valt, moet blijken.

Verantwoorde Europese RJF kan dus slechts in beperkte mate de klimaateffecten van het Europese vliegen opvangen. Dat is op zich geen diskwalificatie, want geen enkele techniek kan op zijn eentje het hele klimaatprobleem oplossen. Het zal blijken dat elke oplossing een mozaiek is van een heleboel deel-oplossingen.

Wat kan men politiek en bestuurlijk het beste doen met Renewable Jet Fuel?
Als die RJF, al dan niet na een daarop gerichte tussenbewerking bij de fabricage, schoon verbrandt (wat een bedrijf als Neste Oil van zichzelf beweert), zou men hem politiek kunnen toedelen aan drukke luchthavens in zwaar belaste stedelijke gebieden.
Daar zou de RJF, naast een bescheiden ondersteuning van de lokale klimaatambities, ook de lokale luchtkwaliteit verbeteren.

Met Schiphol, Eindhoven en Rotterdam zou men een goede start maken.

Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder!

(Afbeelding te vinden op https://esd110.mit.edu/blog/black-carbon-emissions-aircraft )

De context
Tot de zorgen van de omwonenden van vliegvelden (zoals in mijn geval Eindhoven Airport) hoort het door vliegtuigen geproduceerde (ultra)fijn stof.

Straalverkeersvliegtuigen vliegen op kerosine, om precies te zijn op Jet A. Militaire straalvliegtuigen vliegen op het nauw verwante JP-8. Op Eindhoven Airport overheerst het aantal civiele vliegbewegingen.
Als men wil aansluiten bij wat bij het algemene publiek bekend is, kan men kerosine het beste vergelijken met rode diesel (zwavelhoudende dieselolie die tot voor kort verkocht mocht worden voor tractoren, boten etc). Alle diesel, die nu voor auto’s, boten, etc verkocht wordt is nagenoeg zwavelvrij gemaakt. Zo niet kerosine.

Vliegen hoort bij de menselijke activiteiten die het moeilijkst te verduurzamen zijn.
Pakweg tot 700 km kan de Hogesnelheidslijn (HSL) uitkomst bieden, en over pakweg tien jaar kan hybride-elektrisch vliegen met propellervliegtuigen uitkomst bieden voor lastig met de trein te bereiken locaties tot pakweg 1000km.
Voor langere afstanden zal het straalverkeersvliegtuig blijven bestaan en dat zal blijven vliegen op kerosine, of misschien op synthetische brandstof die voor kerosine kan doorgaan (al dan niet uit biomassa).
Op dit moment bestaat er nog nauwelijks synthetische vliegtuigbrandstof, en is het recept voor verduurzaming dus gewoon zuiniger, efficienter en minder, dus selectiever, vliegen.

Er zal dus in 2050 nog steeds gevlogen worden, heel wat meer dan nu, en dat zal voor een groot deel nog steeds met straalverkeersvliegtuigen gebeuren.
Dat roept de vraag op of de nadelen voor de leefomgeving, die die straalverkeersvliegtuigen met zich meebrengen, verkleind kunnen worden. In directe zin gaat het om geluid en luchtkwaliteit, in indirecte zin om waardedaling van woningen, gezondheidseffecten enz.
Daarnaast heeft vliegen (vooral de ongebreidelde groei) steeds zwaarder wegende nadelen voor het klimaat.

Ultrafijn stof-verdeling rond het vliegveld, 2020, alleen civiel. Bron gemeente Eindhoven.

Dit artikel gaat vooral over (ultra)fijn stof omdat dat de belangrijkste vliegtuiggebonden component van luchtvervuiling is, en omdat dat stof invloed heeft op het klimaat.

(Ultra)fijn stof  (in het Engels Particulate Matter PM, dus deeltjes) bestaat uit twee hoofdcomponenten: deeltjes die afkomstig zijn van zwavel in kerosine, en deeltjes die afkomstig zijn van onvolledige verbranding van diezelfde kerosine.

Zwavel en stikstof
Kerosine mag tot maximaal 3000ppm zwavel bevatten (0,3 gewichts%), maar zit in praktijk meestal tussen de 400 en de 800ppm. (Bij benzine en dieselolie voor auto’s is de limiet 10ppm). Die ontzwaveling kan plaats vinden met gevestigde standaardtechnieken. De brandstofprijs zou 1% omhoog gaan als kerosine ontzwaveld werd tot 15ppm.
De zwavel verbrandt tot SO2 en als dat buiten de motor in contact komt met water oxideert dat door tot SO3 , waardoor een oplossing van zwavelzuur ontstaan is.
Als dat zwavelzuur in contact komt met  ammoniak (dat vooral uit de in dit gebied overvloedig aanwezige veeteelt komt), ontstaan fijne kristalletjes ammoniumsulfaat (al dan niet met aanhangend water). Dit heet een secundary inorganic aerosol (SIA) en die maken deel uit van het (ultra)fijn stof.
Door de hoge temperaturen in de motor reageert een deel van de stikstof uit de lucht tot stikstofoxiden, die na wat omzwervingen op vergelijkbare wijze ammoniumnitraat  vormt, ook een SIA uit het (ultra)fijn stof.

Hoe giftig SIA’s precies zijn is omstreden. In isolatie niet of nauwelijks, in combinatie met andere giftige stoffen misschien wel. Tot nader order houdt de wetenschap het erop dat de gemiddelde giftigheid van SIA’s gelijk is aan die van het PM2.5, waarvan ze deel uitmaken.

Voor verdere info verwijs ik naar eerdere artikelen op deze site, zie Kun je zwavelvrije kerosine kopen? En Kun je zwavelvrije kerosine kopen ? (vervolg)  . Let wel  dat deze artikelen al weer ruim twee jaar oud zijn!

Roet en andere onvolledige verbrandingsproducten
Dat vraagt helaas een beetje scheikunde.
Kerosine is een ingewikkeld mengsel dat uit honderden koolwaterstoffen bestaat en wat sporenelementen (waaronder dus zwavel).
Koolwaterstofmoleculen bestaan uit ketens aan elkaar geregen koolstofatomen, waarvan de overblijvende vrije plaatsen met waterstofatomen bezet zijn. Koolstofatomen kunnen met een enkele of een dubbele binding aan elkaar zitten.
Als het molecuul geen ringstructuur en geen dubbele binding heeft, heet het verzadigd (saturated). Butaan (van het butagas), nonaan (zie onder) of paraffine zijn voorbeelden.

Als het molecuul geen ringstructuur en één dubbele binding heeft, heet het een olefine. Onder als voorbeeld 1-noneen.

Dit is een voorbeeld van een olefine

Als het molecuul geen ringstructuur en meerdere dubbele bindingen heeft, heet het meervoudig onverzadigd (dezelfde aanduiding als op pakjes margarine).
Als het molecuul wel een ringstructuur heeft en meerdere dubbele bindingen, heet het ‘aromatisch’. De eenvoudigste aromatische verbinding is de benzeen-zeshoek.

Benzeen is de kleinste aromatische verbinding en bouwsteen voor grotere

Zitten er twee van die zeshoeken aan elkaar, dan heet het naphtaleen.

Zitten er drie of meer van die ringen aan elkaar, dan heet het een PAK (Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen).

Roet bestaat grotendeels uit koolstof (vaak vermengd met aanhangende rotzooi) en heet ook wel Black Carbon.
Daarnaast kan kerosine minder vergaand verbranden/ontleden tot stoffen die nog geen koolstof zijn en nog vloeibaar. Die noemt men vluchtige aerosolen. Die kunnen of vrij in de lucht komen of als laag op het roet gaan zitten.

Sorry, maar dit college was even nodig.

Kenmerken van gangbare en synthetische vliegtuigbrandstof

Deze tabel bevat de gegevens van ‘’een soort civiele en tamelijk zwavelrijke Jet A in kolom 2), één soort militaire JP-8 die overigens ongeloofwaardig weinig zwavel bevat, en één soort synthetische brandstof FT-SPK. Kolom 4 en 5 zijn mengsels van FT-SPK met er eerste twee.
D5453 geeft het totale zwavelgehalte in ppm.

FT staat voor Fischer-Tropsch en SPK Synthetic Paraffinic Kerosine. Dat is een gevestigde techniek om uit andere grondstoffen via koolmonoxide en waterstof synthetische brandstof te maken (in dit geval dus kerosine). Het uitgangsmateriaal is in dit artikel aardgas (de Gas-To-Liquid techniek GTL), of kolen.
Er is een informatieve Wikipediapagina https://nl.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropschbrandstoffen .
Bovenstaande tabel komt uit een presentatie dd juni 2016 door het Southwest Research Institute (SWRI) uit Texas aan de ETH in Zürich ( www.nanoparticles.ch/archive/2016_Khalek_PR.pdf ). Er staat niet bij wat in dit geval het uitgangsmateriaal van de FT is.

Een andere publicatie (Reductions in aircraft particulate emissions due to the use of Fischer–Tropsch fuels dd 2014) is saaier en minder toegankelijk voor de leek, maar informatiever. Die komt uit het tijdschrift Atmospheric Chemistry and Physics  (ACP) www.atmospheric-chemistry-and-physics.net/ . Zie voor het artikel zelf Reductions in aircraft particulate emissions due to the use of FT-fuels_acp-14-11-2014
Alle publicaties op dit gebied stellen dat het roetgehalte in uitlaatgassen van straalmotoren zeer sterk bepaald wordt door het aantal dubbele bindingen en het aantal ringen in de brandstof. In praktijk bij kerosine vooral het percentage aromaten, nog verder versimpeld hoeveel % benzeen er in de kerosine zit.

Wat het Zürichse staatje nu uitwijst, en wat ook de andere publicatie zegt, is er in synthetische brandstoffen zeer veel minder benzeen (en naphtaleen enz) zit, en dat er dus veel minder roet afkomt. Dat is in metingen te zien, bijv. onderstaande figuur uit de Zürichse presentatie van het SWRI:

Daarin slaat “Regulation” op een oude en lakse ICAO-norm die alleen over roet bij het opstijgen gaat. Het verschil tussen links en rechts geeft vooral het nut van deze norm weer, welk nut dus tamelijk klein is.

Hoe dan ook, het plaatje toont duidelijk dat veel aromaten leiden tot veel roet en vluchtige vervuiling, en dat nagenoeg geen aromaten leidt tot heel weinig idem. Vooral in de “idle” stand van de motoren (dus bijv. bij het proefdraaien of taxiën) zijn de verschillen groot.

Het artikel in ACP vindt vergelijkbare grote verschillen. Zuivere synthetische brandstof produceert ruim 4 tot 6 keer zo weinig roet als standaard JP-8 (de blend zit daar tussen in), en ook veel minder vluchtige aerosolen.
De zwavelemissies zijn bij synthetische brandstof nagenoeg afwezig.

Het effect van de vluchtige aerosolen op de lokale luchtkwaliteit in de omgeving is (volgens ACP) bij koud weer groter.

Klimaat
Het zwarte roet heeft een verwarmende invloed op het klimaat, de witte sulfaataerosolen een koelende invloed. Beide kunnen als condensatiekern gaan fungeren die helpen bij het vormen van wolken, waarvan de invloed dubbelzinnig is. Het totale effect is vooralsnog onduidelijk.

Het effect van het zwavelgehalte in de brandstof op de gevormde contrail

Behalve de FT-techniek loslaten op aardgas en kolen, zijn er ook andere technieken om aromaat- en zwavelarme biodiesel te maken. Het kan ook uit tweede generatie- biomassa (zie de eerder genoemde artikel over zwavelarme kerosine op deze site), al dan niet via een FT-route.

Er moet nog veel onderzoek plaatvinden. Het voert te ver om daar op deze plaats dieper op in te gaan.