Et CO2-neutralt brændstof er et brændstof , der ikke forårsager nettoudledning af drivhusgasser eller CO2-fodaftryk . I praksis betyder det normalt brændstof, der er produceret ved hjælp af kuldioxid (CO 2 ) som råmateriale . Foreslåede kulstofneutrale brændstoffer kan bredt opdeles i syntetiske brændstoffer , som er fremstillet ved kemisk hydrogenering af kuldioxid, og biobrændstoffer , som produceres ved hjælp af naturlige CO 2 - forbrugende processer såsom fotosyntese .
Kuldioxiden, der bruges til at fremstille syntetiske brændstoffer, kan opsamles direkte fra luften , genbruges fra kraftværkets udstødningsgasser eller produceres af kulsyre i havvand . Eksempler på syntetiske brændstoffer omfatter brint , ammoniak og metan [1] , selvom mere komplekse kulbrinter såsom benzin og petroleum [2] også er blevet syntetiseret kunstigt. Ud over at være CO2-neutral kan disse vedvarende brændstoffer reducere omkostningerne ved at importere fossile brændstoffer og reducere afhængigheden af dem. En yderligere fordel kan være fraværet af behovet for at skifte køretøjer til et elektrisk drev eller brintbrændstof [3] . For at en proces virkelig kan være CO2-neutral, skal enhver energi, der er nødvendig for processen, i sig selv være CO2-neutral, såsom vedvarende energi eller atomkraft [4] [5] [6] [7] .
Hvis kulstofneutral brændstofforbrænding opfanger kulstof i skorstenen eller udstødningsrøret, resulterer det i netto negative kuldioxidemissioner og kan således repræsentere en form for genvinding af drivhusgasser . Negative emissioner anses for at være hovedkomponenten i bestræbelserne på at begrænse den globale opvarmning, selv om de teknologier, der giver dem, i øjeblikket ikke er økonomisk konkurrencedygtige [8] . Kulstofkreditter vil sandsynligvis spille en vigtig rolle i at fremme kulstofnegative brændstoffer [9] .
Kulstofneutrale brændstoffer er syntetiske kulbrinter. Deres hovedkilde er kemiske reaktioner mellem kuldioxid og brint, som dannes under elektrolyse af vand ved hjælp af vedvarende energikilder. Brændstof, ofte omtalt som elektrisk brændstof, er det energilager, der bruges til at producere brint [10] . Kul kan også bruges til at producere brint, men det vil ikke være en kulstofneutral kilde. Kuldioxid kan opfanges og begraves, hvilket gør fossile brændstoffer kulstofneutrale, men ikke vedvarende. Opsamling af kulstof fra udstødningsgasser kan gøre et kulstofneutralt brændstof til et kulstofnegativt brændstof. Naturlige kulbrinter kan nedbrydes til dannelse af brint og kuldioxid, som så bortskaffes, mens brinten bruges som brændstof. Denne proces vil også være kulstofneutral [11] .
Det mest energieffektive og teknologisk avancerede brændstof i produktionen er gasformig brint [12] , som kan bruges i køretøjer med brintbrændselsceller. Brintbrændstof fremstilles normalt ved elektrolyse af vand . Metan, det vil sige syntetisk naturgas, kan derefter fremstilles gennem Sabatier-reaktionen , som kan lagres til senere forbrænding i kraftværker , transporteres med rørledning, lastbil eller gastanker, anvendes i gas-væske-processer såsom Fischer-Tropsch-processen , til produktion af flydende brændstoffer til transport eller opvarmning [3] [13] [14] .
Der er flere flere brændstoffer, der kan fremstilles ved hjælp af brint. Myresyre kan for eksempel fremstilles ved at omsætte brint med CO 2 . Myresyre i kombination med CO 2 kan danne isobutanol [15] .
Methanol kan opnås som et resultat af den kemiske reaktion af et kuldioxidmolekyle med tre brintmolekyler til dannelse af vand. Den lagrede energi kan genvindes ved at brænde methanol i en forbrændingsmotor, hvorved der frigives kuldioxid, vand og varme. Metan kan opnås ved en lignende reaktion. Særlige forholdsregler mod lækage er vigtige, fordi metan er næsten 100 gange stærkere end CO 2 med hensyn til globalt opvarmningspotentiale . Yderligere er det muligt kemisk at kombinere methanol- eller methanmolekyler til større kulbrintebrændstofmolekyler [3] .
Forskerne foreslog også at bruge methanol til at fremstille dimethylether . Dette brændstof kan bruges som erstatning for dieselbrændstof på grund af dets evne til at selvantænde ved højt tryk og temperatur. Det bruges allerede i nogle områder til opvarmning og energiproduktion. Det er ugiftigt, men skal opbevares under tryk [16] . Større kulbrinter [12] og ethanol [17] kan også fremstilles af kuldioxid og brint.
Alle syntetiske carbonhydrider opnås sædvanligvis ved temperaturer på 200-300°C og ved tryk på 20 til 50 bar. Katalysatorer bruges almindeligvis til at øge effektiviteten af reaktionen og skabe den ønskede type kulbrintebrændstof . Sådanne reaktioner er eksoterme og bruger omkring 3 mol brint pr. mol involveret kuldioxid. De producerer også store mængder vand som et biprodukt [4] .
Den mest økonomiske kilde til kulstof til forarbejdning til brændstof er røggasemissioner fra forbrænding af fossile brændstoffer , hvor det kan opnås til omkring 7,50 USD pr. ton [6] [18] [13] . Processen er dog ikke kulstofneutral, fordi kulstof er af fossil oprindelse og bevæger sig fra geosfæren til atmosfæren. Opfangning af køretøjers udstødning anses også for økonomisk, men vil kræve væsentlige designændringer eller opgraderinger [19] . Da kuldioxiden i havvand er i kemisk ligevægt med atmosfærisk kuldioxid, undersøges udvindingen af kulstof fra havvand [20] [21] . Forskerne beregnede, at udvinding af kulstof fra havvand ville koste omkring $50 pr. ton [7] . At fange kulstof fra atmosfærisk luft er dyrere, fra $94 til $232 per ton, og anses for upraktisk til brændstofsyntese eller kulstofbinding [22] . Luftfangst er mindre udviklet end andre metoder. Normalt bruges alkalier til at reagere med kuldioxid i luften og danne karbonater . Karbonaterne kan derefter nedbrydes og hydreres for at frigive ren CO2 og regenerere alkaliet . Denne proces kræver mere energi end andre metoder, fordi koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren er meget lavere end i andre kilder [3] .
Derudover foreslås det at anvende biomasse som kulstofkilde til brændstofproduktion. Tilsætning af brint til biomasse vil reducere mængden af kulstof i den og føre til dannelse af brændstof. Denne metode har den fordel, at den bruger plantemateriale til at opfange kuldioxid billigt. Planter tilføjer også kemisk energi fra biologiske molekyler til brændstof. Dette kan være en mere effektiv anvendelse af biomasse end konventionelle biobrændstoffer , fordi det bruger mere af kulstof og kemisk energi fra biomassen i stedet for at frigive så meget energi og kulstof. Dens største ulempe er, at den, som ved konventionel ethanolproduktion, konkurrerer med fødevareproduktionen [4] .
Natvindkraft anses for at være den mest økonomiske form for elektricitet, der kan bruges til at syntetisere brændstoffer, fordi belastningskurven for kraftsystemer topper kraftigt i dagtimerne, mens vinden har en tendens til at være lidt stærkere om natten end om dagen. Udgifterne til vindkraft om natten er således ofte meget lavere end prisen på ethvert alternativ. Vindkraftpriser uden for spidsbelastningsperioder i områder med høj vind i USA var i gennemsnit 1,64 cent/ kWh i 2009 og kun 0,71 cent/kWh om natten [3] . Som regel er engrosprisen for elektricitet i dagtimerne fra 2 til 5 øre pr. kilowatt-time. Kommercielle brændstofsyntesevirksomheder antager, at syntetisk benzin bliver billigere end almindelig benzin til oliepriser over $55 pr. tønde.
I 2010 beregnede et hold af kemiske teknologer ledet af Heather Willauer fra den amerikanske flåde, at med 100 MW elektrisk kraft kunne der produceres 160 m³ jetbrændstof om dagen , og produktion om bord på atomdrevne skibe ville koste omkring 1.600 dollars pr. kubikmeter ($6 pr. US gallon). Selvom dette var omkring det dobbelte af prisen på brændselsolie i 2010, forventedes det at være et godt stykke under markedsprisen på mindre end fem år, hvis de seneste tendenser fortsætter. Da det desuden koster omkring $8 pr. US gallon at levere brændstof til en hangarskibsgruppe , er lokal produktion meget billigere [23] .
Willauer bemærker, at havvand er "den bedste mulighed" som kulstofkilde til syntetisk jetbrændstof [24] [25] . I april 2014 havde Willauers hold endnu ikke produceret brændstof efter militærflystandarder [26] [27] , men i september 2013 var de i stand til at bruge syntetisk brændstof til at flyve en radiostyret model drevet af to totakts forbrændingsmotorer [ 28] . Da denne proces kræver store mængder elektricitet, vil de første transportører af installationen til produktion af deres eget jetbrændstof være nukleare hangarskibe af typen Nimitz og Gerald Ford [29] . Den amerikanske flåde forventes at implementere denne teknologi i 2020'erne.
Metansynteseanlægget på 250 kilowatt blev bygget af Center for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW) i Baden-Württemberg og Fraunhofer Society i Tyskland og startede i drift i 2010. Den er ved at blive opgraderet til 10 megawatt og er planlagt til at stå færdig i efteråret 2012 [30] [31] .
George Ohl Carbon Dioxide Plant, drevet af Carbon Recycling International i Grindavik , Island, har produceret 2 millioner liter methanol transportbrændstof om året siden 2011 fra røggasser fra Swarzengi kraftværket [32] . Dens maksimale kapacitet er 5 millioner liter om året [33] .
Audi har bygget et kulstoffattigt flydende naturgas (LNG)-anlæg i Werlte, Tyskland [34] . Anlægget er designet til at producere det transportbrændstof, der bruges i deres A3 Sportback g-tron køretøjer og kan ved sin oprindelige kapacitet udvinde 2.800 tons CO 2 om året [35] fra atmosfæren .
Kommerciel udvikling finder sted i Columbia (South Carolina) [36] , Camarillo (Californien) [37] og Darlington (UK) [38] . Et demonstrationsprojekt i Berkeley, Californien foreslår syntese af brændstoffer og spiselige olier fra genvundne røggasser [39] .
Kulstofneutrale brændstoffer kan føre til genvinding af drivhusgasser, fordi kuldioxid vil blive genbrugt til at lave brændstof i stedet for at blive udledt til atmosfæren. Fjernelse af kuldioxid fra kraftværkets udstødninger vil eliminere dets frigivelse til atmosfæren, selvom når brændstof brændes i køretøjer, vil der frigives kulstof, fordi der ikke er nogen økonomisk måde at opfange disse emissioner [3] . Denne tilgang, der anvendes i alle fossile brændselskraftværker, ville reducere nettoudledningen af kuldioxid med omkring 50 %. Det forventes, at de fleste kul- og naturgasfyrede kraftværker vil blive økonomisk eftermonteret med kuldioxidscrubbere til kulstoffangst , recirkulation af udstødningsgas eller kulstofbinding [40] [18] [41] . Ikke alene forventes en sådan raffinering at koste mindre end de overdrevne økonomiske konsekvenser af klimaændringer, men det vil også betale sig, da stigende global efterspørgsel efter brændstof og spidsbelastning af oliemangel driver prisen på olie og fungibel naturgas op [42] [43] .
Opsamling af CO 2 direkte fra luften eller udvinding af kuldioxid fra havvand vil også reducere mængden af kuldioxid i miljøet og skabe et lukket kulstofkredsløb for at eliminere nye kuldioxidemissioner [4] . Brugen af disse metoder vil helt eliminere behovet for kul, olie og gas, forudsat at vedvarende energi er tilstrækkelig til at producere brændstof. Brugen af syntetiske kulbrinter til fremstilling af syntetiske materialer såsom plast kan resultere i permanent kulstofbinding fra atmosfæren [3] .
Nogle myndigheder har anbefalet produktion af methanol i stedet for traditionelt transportbrændstof. Det er en væske ved normal temperatur, giftig ved indtagelse. Methanol har et højere oktantal end benzin, men en lavere energitæthed og kan blandes med andre brændstoffer eller bruges alene. Det kan også bruges til fremstilling af mere komplekse kulbrinter og polymerer. Methanol brændselsceller er blevet udviklet af Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology til at omdanne methanol og ilt til elektricitet [16] . Methanol kan omdannes til benzin, jetbrændstof eller andre kulbrinter, men det kræver ekstra energi og mere sofistikerede produktionsfaciliteter [3] . Methanol er lidt mere ætsende end traditionelle brændstoffer, så det kræver en bilmodifikation, der koster omkring 100 USD [4] [44] .
I 2016 blev der udviklet en metode til at omdanne kuldioxid til ethanol ved hjælp af kulstofspidser , kobber- og nitrogennanopartikler.
Brændstoffer fremstillet af mikroalger har potentialet til at have et lavt CO2-fodaftryk og er et aktivt forskningsområde, selvom der hidtil ikke er blevet implementeret noget stort produktionssystem. Mikroalger er akvatiske encellede organismer . Selvom de, i modsætning til de fleste planter, har en ekstremt simpel cellestruktur, er de stadig fotoautotrofe , i stand til at bruge solenergi til at omdanne kuldioxid til kulhydrater og fedt gennem fotosyntese . Disse forbindelser kan tjene som råmaterialer til biobrændstoffer såsom bioethanol eller biodiesel [45] . Selv hvis forbrændingen af mikroalgebaserede brændstoffer stadig ville producere emissioner som ethvert andet brændstof, kunne det derfor være kulstofneutralt, hvis den samme mængde kuldioxid samlet set blev absorberet, som der udsendes under forbrændingen.
Fordelene ved mikroalger er deres højere effektivitet af CO 2 -fiksering sammenlignet med de fleste planter [46] og deres evne til at vokse i en lang række akvatiske levesteder [47] . Deres største ulempe er deres høje omkostninger. Det er blevet hævdet, at deres unikke og meget varierende kemi kan gøre dem attraktive til nogle anvendelser [45] .
Mikroalger, der indeholder store mængder proteiner, kan bruges som husdyrfoder . Nogle arter af mikroalger producerer værdifulde forbindelser såsom pigmenter og lægemidler [48] .
ProduktionDe to vigtigste metoder til dyrkning af mikroalger er drænsystemer og fotobioreaktorer (PBR'er). Raceway Pond Systems består af en oval kanal med lukket sløjfe, der har et skovlhjul til at cirkulere vandet og forhindre bundfældning. Kanalen er placeret under åben himmel, dens dybde er i området 0,25-0,4 m [45] . Dammen bør være lavvandet, da selvskygge og optisk absorption kan føre til begrænset lysindtrængning. Fotobioreaktorens næringsmedium består af lukkede gennemsigtige reagensglas. Den har et centralt reservoir, hvori mikroalgebouillonen cirkulerer. Fotobioreaktoren er et enklere system at betjene, men det kræver en højere samlet produktionsomkostning.
Kulstofemissioner fra mikroalgebiomasse produceret i afstrømningsvande kan sammenlignes med emissioner fra konventionel biodiesel, når energi- og næringsstofforbrug anses for at være kulstofintensivt. De tilsvarende emissioner fra mikroalgebiomasse produceret i fotobioreaktorer kan endda overstige emissionerne fra konventionelt fossilt dieselbrændstof. Ineffektiviteten er relateret til mængden af elektricitet, der bruges til at pumpe algebouillonen gennem systemet. Brug af biproduktet til at generere elektricitet er en strategi, der kan forbedre den samlede kulstofbalance. Det bør også tages i betragtning, at der kan forekomme kulstofemissioner i forskellige serviceerhverv - vandforvaltning, kuldioxidhåndtering og næringsstofforsyning. Men samlet set viser Raceway Pond-systemer en mere attraktiv energibalance end fotobioreaktorsystemer.
ØkonomiOmkostningerne ved at producere mikroalger og biobrændstoffer gennem implementering af vandskelsystemer er domineret af driftsomkostninger, som omfatter arbejdskraft, råmaterialer og forsyninger. I systemet med et reservoir med dræning under dyrkningsprocessen er den største udgiftspost elektricitet til at sikre cirkulationen af mikroalgekulturer, som spænder fra 22 % til 79 % [45] . Tværtimod, i fotobioreaktorer går kapitalomkostningerne frem for produktionsomkostningerne. Dette system har høje installationsomkostninger, selvom driftsomkostningerne er relativt lavere end for oplandsbassinsystemer.
Biobrændstof fra mikroalger er dyrere end fossile brændstoffer, omkring $3 per liter [49] , hvilket er væsentligt dyrere end almindelig benzin.
MiljøpåvirkningOpførelsen af store mikroalgefarme vil uundgåeligt føre til negative miljøpåvirkninger forbundet med ændringer i arealanvendelsen , såsom ødelæggelse af eksisterende naturlige økosystemer. Mikroalger kan også udsende drivhusgasser såsom metan eller dinitrogenoxid eller ildelugtende gasser såsom svovlbrinte under visse forhold , selvom dette ikke er blevet undersøgt i vid udstrækning til dato. Hvis det ikke forvaltes korrekt, kan toksiner, der naturligt produceres af mikroalger, sive ned i jorden eller grundvandet [50] .
ProduktionVand gennemgår elektrolyse ved høje temperaturer for at danne brintgas og oxygengas. Energien til dette kommer fra vedvarende kilder såsom vindkraft. Brinten reagerer derefter med komprimeret kuldioxid opsamlet fra atmosfæren . Som et resultat af reaktionen dannes blå olie, der består af en blanding af kulbrinter. Den blå olie raffineres derefter til at producere højtydende diesel [51] [52] . Ved den nuværende produktionskapacitet kan der produceres omkring 1.000 liter brændstof om måneden, eller 0,0002 % af den daglige brændstofproduktion i USA. [53] Derudover er der blevet sat spørgsmålstegn ved den termodynamiske og økonomiske gennemførlighed af denne teknologi. Derfor skaber denne teknologi ikke et alternativ til fossile brændstoffer, men omdanner snarere vedvarende energi til flydende brændstoffer. Energiafkastet af energi investeret i fossil diesel er estimeret til at være 18 gange højere end for syntetisk diesel. [54]
Forskning i kulstofneutrale brændstoffer har stået på i årtier. Tilbage i 1965 blev det foreslået at syntetisere methanol fra kuldioxid i luften ved hjælp af atomenergi [55] . Marineproduktion af syntetiske brændstoffer ved hjælp af atomkraft blev undersøgt i 1977 og 1995 [56] [57] I 1984 blev indvindingen af kuldioxid fra fossile brændselsanlæg [58] undersøgt . I 1995 blev omkostningerne ved at konvertere skibe til at bruge kulstofneutral methanol med yderligere benzinsyntese estimeret [44] .