En andreordens energikjedeanalyse av fremtidens alternative drivstoffteknologier for luftfart

Abstract

Global luftfart står ovenfor en stor omstilling fra en tilnærmet fullstendig fossilbasert drift til fremtidens krav om bærekraftige løsninger. Denne masteroppgaven analyserer ulike bærekraftige drivstoffteknologier. Oppgaven sammenligner og analyserer disse mot hverandre og mot konvensjonelt flydrivstoff. Analysen inkluderer batterielektrisk fremdrift, hydrogen i brenselcelle, hydrogen i forbrenningsmotor og 4 ulike typer bærekraftig flydrivstoff (SAF). Energikjedene er også delt opp i kort- og mellomdistanse, da noen av teknologiene er bedre egnet til kortdistanse-markedet, som batterielektrisk fremdrift, mens andre kan tenkes å være bedre egnet for mellomdistanse-markedet.

Energikjede

Teknologi

Motortype

Kortdistanse (e.g. Dash 8-100)

S-1

Konvensjonelt drivstoff (Jet A-1)

Turboprop

S-2

Batterielektrisk

El-propell

S-3

Brenselcelle m/hydrogen

El-propell

S-4

Gassifisering og Fischer-Tropsch

Turboprop

S-5

HEFA

Turboprop

S-6

Alkohol til Jet

Turboprop

S-7

Syntetisk E-Fuel

Turboprop

Mellomdistanse (e.g. Boeing 737)

M-1

Konvensjonelt drivstoff (Jet A-1)

Jet

M-2

Hydrogen Forbrenning

Hydrogen Jet

M-3

Gassifisering og Fischer-Tropsch

Jet

M-4

HEFA

Jet

M-5

Alkohol til Jet

Jet

M-6

Syntetisk E-Fuel

Jet

Tabell 1 Oversikt over oppgavens energikjeder

Oppgaven skal svare på følgende forskningsspørsmål:

* Hvor mye energi brukes fra vugge til vinge for drivstoffteknologiene? * Hva er det totale klimagassutslippet til drivstoffteknologiene? * Hvilke fordeler og ulemper er aktuelle for de ulike drivstoffteknologiene? For å svare oppgavens forskningsspørsmål er det gjennomført en energikjedeanalyse som inkluderer vurdering av totalt energibruk og CO2-utslipp for produksjon og forbruk for teknologiene noe som ofte kalles en «Well-to-Wing»-analyse. «Well-to-Wing»-analysen deles deretter inn i «Well-to-Tank» og «Tank-to-Well», hvorav «Well-to-Tank» representerer analyse av energibruk og CO2-utslipp fra utvinning av råmateriale, gjennom en produksjonsprosess, til det endelige drivstoffproduktet er klart for bruk, mens «Tank-to-Wing» representerer analyse av energibruk og CO2-utslipp under bruk. Energibruk og CO2-utslipp, måles i MJ brukt per passasjerkilometer (MJ/PKM) og gram CO2 per passasjerkilometer (g CO2/PKM).

Resultatene fra analysen for kortdistanse viser at batterielektrisk er den mest energieffektive energikjeden for «Well-to-Wing», som man kan se i figur 1. Samtidig viser den store forskjeller i energieffektivitet blant energikjedene for SAF (S-4 til S-7).

Figur 1 Resultater energibruk kortdistanse

Figur 2 Resultater klimagassutslipp kortdistanse

Figur 2 viser g CO2-utslipp per passasjerkilometer for energikjedene, man ser her en tydelig reduksjon i klimagassutslipp for samtlige av de alternative energikjedene sammenlignet med konvensjonelt flydrivstoff (S-1).

Resultatene fra analysen for mellomdistanseflygninger, som vist i figur 3, viser store likheter mellom resultatene for kortdistanseflygninger. Samtidig kan man se at i markedet hvor batterielektrisk fremdrift ikke er like aktuelt, vil man i større grad se til HEFA-teknologi (Hydroprosesserte fettsyrer og estere), for en energieffektiv og bærekraftig teknologi.

Figur 3 Resultater energieffektivitet mellomdistanse

Figur 4 Resultater klimagassutslipp mellomdistanse

Resultatene fra figur 4, klimagassutslipp for mellomdistanseflygninger, viser de samme tendensene som for kortdistanseflygninger. Oppgavens scenarioanalyse avdekker derimot at energimiksens CO2-faktor kan ha store påvirkninger på teknologienes bærekraft.

Global aviation is facing a major transition from an almost entirely fossil-based operation to future demands for sustainable solutions. This master’s thesis aims to analyze various sustainable fuel technologies. The thesis compares and analyzes the technologies against each other and against conventional aviation fuel. The analysis includes battery-electric propulsion, hydrogen fuel cell technology, hydrogen combustion technology and four different types of sustainable aviation fuel (SAF). The energy chains are also divided into short- and medium haul flights, as some technologies are better suited for the short-haul market, such as battery-electric propulsion, while others may be better suited for the medium-haul market.

Energy Chain

Technology

Engine Type

Short-Haul (e.g. Dash 8-100)

S-1

Conventional Aviation Fuel (Jet A-1)

Turboprop

S-2

Battery-electric

Electric propeller

S-3

Hydrogen Fuel Cell

Electric propeller

S-4

Gasification and Fischer-Tropsch

Turboprop

S-5

HEFA

Turboprop

S-6

Alcohol to Jet

Turboprop

S-7

Synthetic E-Fuel

Turboprop

Medium-Haul (e.g. Boeing 737)

M-1

Conventional Aviation Fuel (Jet A-1)

Jet

M-2

Hydrogen combustion

Hydrogen Jet

M-3

Gasification and Fischer-Tropsch

Jet

M-4

HEFA

Jet

M-5

Alcohol to Jet

Jet

M-6

Synthetic E-Fuel

Jet

Table 2 Overview of the thesis's energy chains

This thesis aims to answer the following research questions:

* How much energy is used from cradle to wing for the fuel technologies? * What is the total greenhouse gas emission of the fuel technologies? * What are the advantages and disadvantages of the various fuel technologies? To answer the research questions, an energy chain analysis has been conducted, which includes the assessment of total energy consumption and CO2 emissions for production and consumption for the technologies, often called a "Well-to-Wing" analysis. The "Well-to-Wing" analysis is further divided into "Well-to-Tank" and "Tank-to-Wing," where "Well-to-Tank" represents the analysis of energy consumption and CO2 emissions from the extraction of raw materials, through the production process, to the final fuel product being ready for use, while "Tank-to-Wing" represents the analysis of energy consumption and CO2 emissions during use. Energy consumption and CO2 emissions are measured in MJ used per passenger-kilometer (MJ/PKM) and grams of CO2 per passenger-kilometer (g CO2/PKM).

The results from the analysis for short-distance flights show that battery-electric is the most energy-efficient energy chain for "Well-to-Wing," as seen in Figure 5. At the same time, there are significant differences in energy efficiency among the energy chains for SAF (S-4 to S-7).

Figure 5 Results energy consumption for Short-Haul

Figure 6 Results greenhouse gas emissions for Short-Haul

Figure 6 shows g CO2 emissions per passenger-kilometer for the energy chains, indicating a clear reduction in greenhouse gas emissions for all the alternative energy chains compared to conventional aviation fuel (S-1).

The results from the analysis for medium-distance flights, as shown in Figure 7, reveal significant similarities with the results for short-distance flights. In markets where battery-electric propulsion is less relevant, HEFA technology (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) is expected to be a more energy-efficient and sustainable technology.

Figure 7 Results energy consumption for Medium-Haul

Figure 8 Results greenhouse gas emissions for Medium-Haul

The results from Figure 8, greenhouse gas emissions for medium-distance flights, show the same tendencies as for short-distance flights. However, the thesis's scenario analysis reveals that the CO2 factor of the energy mix can have significant impacts on the sustainability of the technologies.