Ett koldioxidneutralt bränsle är ett bränsle som inte orsakar några nettoutsläpp av växthusgaser eller koldioxidavtryck . I praktiken innebär det vanligtvis bränsle som produceras med koldioxid (CO 2 ) som råvara . Föreslagna koldioxidneutrala bränslen kan grovt delas in i syntetiska bränslen , som framställs genom kemisk hydrogenering av koldioxid, och biobränslen , som framställs med naturliga CO 2 -förbrukande processer som fotosyntes .
Den koldioxid som används för att tillverka syntetiska bränslen kan fångas upp direkt från luften , återvinnas från kraftverkens avgaser eller produceras av kolsyra i havsvatten . Exempel på syntetiska bränslen inkluderar väte , ammoniak och metan [1] , även om mer komplexa kolväten som bensin och fotogen [2] också framgångsrikt har syntetiserats på konstgjord väg. Förutom att de är koldioxidneutrala kan dessa förnybara bränslen minska kostnaderna för att importera fossila bränslen och minska beroendet av dem. En ytterligare fördel kan vara frånvaron av behovet av att byta fordon till en elektrisk drivning eller vätgas [3] . För att en process verkligen ska vara koldioxidneutral måste all energi som behövs för processen i sig vara koldioxidneutral, såsom förnybar energi eller kärnkraft [4] [5] [6] [7] .
Om kolneutral bränsleförbränning fångar upp kol i skorstenen eller avgasröret resulterar det i netto negativa koldioxidutsläpp och kan därmed representera en form av återvinning av växthusgaser . Negativa utsläpp anses vara huvudkomponenten i ansträngningarna att begränsa den globala uppvärmningen, även om tekniken som tillhandahåller dem för närvarande inte är ekonomiskt konkurrenskraftiga [8] . Koldioxidkrediter kommer sannolikt att spela en viktig roll för att främja koldioxidnegativa bränslen [9] .
Kolneutrala bränslen är syntetiska kolväten. Deras huvudsakliga källa är kemiska reaktioner mellan koldioxid och väte, som bildas vid elektrolys av vatten med förnybara energikällor. Bränsle, ofta kallat elektriskt bränsle, är den energilagring som används för att producera väte [10] . Kol kan också användas för att producera väte, men det kommer inte att vara en kolneutral källa. Koldioxid kan fångas upp och begravas, vilket gör fossila bränslen koldioxidneutrala, men inte förnybara. Att fånga upp kol från avgaser kan förvandla ett kolneutralt bränsle till ett kolnegativt bränsle. Naturliga kolväten kan brytas ner till väte och koldioxid, som sedan omhändertas medan vätet används som bränsle. Denna process kommer också att vara koldioxidneutral [11] .
Det mest energieffektiva och tekniskt avancerade bränslet i produktionen är gasformigt väte [12] , som kan användas i fordon med vätebränsleceller. Vätebränsle produceras vanligtvis genom elektrolys av vatten . Metan, dvs syntetisk naturgas, kan sedan produceras genom Sabatier-reaktionen , som kan lagras för senare förbränning i kraftverk , transporteras med rörledning, lastbil eller gastanker, används i gas-vätskeprocesser som Fischer-Tropsch-processen , för produktion av flytande bränslen för transport eller uppvärmning [3] [13] [14] .
Det finns flera fler bränslen som kan skapas med vätgas. Myrsyra kan till exempel framställas genom att reagera väte med CO2 . Myrsyra i kombination med CO 2 kan bilda isobutanol [15] .
Metanol kan erhållas som ett resultat av den kemiska reaktionen av en koldioxidmolekyl med tre vätemolekyler för att bilda vatten. Den lagrade energin kan återvinnas genom att bränna metanol i en förbränningsmotor och frigöra koldioxid, vatten och värme. Metan kan erhållas genom en liknande reaktion. Särskilda försiktighetsåtgärder mot läckage är viktiga eftersom metan är nästan 100 gånger starkare än CO 2 när det gäller global uppvärmningspotential . Vidare är det möjligt att kemiskt kombinera metanol- eller metanmolekyler till större kolvätebränslemolekyler [3] .
Forskarna föreslog också att man skulle använda metanol för att producera dimetyleter . Detta bränsle kan användas som ersättning för dieselbränsle på grund av dess förmåga att självantända vid högt tryck och temperatur. Det används redan i vissa områden för uppvärmning och energiproduktion. Det är giftfritt men måste förvaras under tryck [16] . Större kolväten [12] och etanol [17] kan också framställas av koldioxid och väte.
Alla syntetiska kolväten erhålls vanligtvis vid temperaturer på 200-300°C och vid tryck på 20 till 50 bar. Katalysatorer används vanligtvis för att öka reaktionens effektivitet och skapa den önskade typen av kolvätebränsle . Sådana reaktioner är exoterma och använder cirka 3 mol väte per mol involverad koldioxid. De producerar också stora mängder vatten som en biprodukt [4] .
Den mest ekonomiska källan till kol för bearbetning till bränsle är rökgasutsläpp från förbränning av fossila bränslen , där det kan erhållas till cirka 7,50 USD per ton [6] [18] [13] . Processen är dock inte koldioxidneutral eftersom kol är av fossilt ursprung och rör sig från geosfären till atmosfären. Att fånga upp fordonsavgaser anses också vara ekonomiskt, men skulle kräva betydande designändringar eller uppgraderingar [19] . Eftersom koldioxiden i havsvattnet är i kemisk jämvikt med atmosfärisk koldioxid, studeras utvinningen av kol från havsvatten [20] [21] . Forskarna beräknade att utvinning av kol från havsvatten skulle kosta cirka 50 dollar per ton [7] . Att fånga upp kol från atmosfärisk luft är dyrare, allt från $94 till $232 per ton, och anses opraktiskt för bränslesyntes eller kolbindning [22] . Luftinfångning är mindre utvecklad än andra metoder. Vanligtvis används alkalier för att reagera med koldioxid i luften och bilda karbonater . Karbonaterna kan sedan brytas ner och hydratiseras för att frigöra ren CO2 och regenerera alkalin . Denna process kräver mer energi än andra metoder eftersom koncentrationen av koldioxid i atmosfären är mycket lägre än i andra källor [3] .
Dessutom föreslås att biomassa används som kolkälla för bränsleproduktion. Att tillsätta väte till biomassa kommer att minska mängden kol i den och leda till bildning av bränsle. Denna metod har fördelen att använda växtmaterial för att fånga upp koldioxid billigt. Växter tillför också kemisk energi från biologiska molekyler till bränsle. Detta kan vara en effektivare användning av biomassa än konventionella biobränslen eftersom det använder mer av kolet och kemisk energi från biomassan istället för att frigöra lika mycket energi och kol. Dess största nackdel är att den, liksom vid konventionell etanolproduktion, konkurrerar med livsmedelsproduktionen [4] .
Nattvindkraft anses vara den mest ekonomiska formen av el som kan användas för att syntetisera bränslen eftersom belastningskurvan för kraftsystem toppar kraftigt under dagtid, medan vinden tenderar att vara något starkare på natten än under dagen. Därför är kostnaden för nattlig vindkraft ofta mycket lägre än kostnaden för något alternativ. Vindkraftpriser under lågtrafik i områden med hög vind i USA var i genomsnitt 1,64 cent/ kWh 2009 och endast 0,71 cent/kWh på natten [3] . Som regel är grossistpriset för el under dagen från 2 till 5 cent per kilowattimme. Kommersiella bränslesyntesföretag antar att syntetisk bensin blir billigare än vanlig bensin till oljepriser över 55 dollar per fat.
År 2010 beräknade ett team av kemiteknologer under ledning av Heather Willauer från den amerikanska flottan att med 100 MW elektrisk kraft skulle 160 m³ flygbränsle kunna produceras per dag och produktion ombord på kärnkraftsdrivna fartyg skulle kosta cirka 1 600 dollar per dag. kubikmeter ($6 per US gallon). Även om detta var ungefär det dubbla kostnaderna för eldningsolja 2010, förväntades den ligga långt under marknadspriset på mindre än fem år om de senaste trenderna fortsätter. Dessutom, eftersom det kostar cirka $8 per US gallon att leverera bränsle till en hangarfartygsgrupp , är lokal produktion mycket billigare [23] .
Willauer noterar att havsvatten är "det bästa alternativet" som kolkälla för syntetiskt jetbränsle [24] [25] . I april 2014 hade Willauers team ännu inte producerat bränsle enligt militära flygplansstandarder [26] [27] , men i september 2013 kunde de använda syntetiskt bränsle för att flyga en radiostyrd modell som drivs av två tvåtaktsförbränningsmotorer [ 28] . Eftersom denna process kräver stora mängder elektricitet kommer de första transportörerna för installationen för produktion av deras eget flygbränsle att vara kärnkraftsflygplan av typen Nimitz och Gerald Ford [ 29] . Den amerikanska flottan förväntas implementera denna teknik under 2020-talet.
Anläggningen för metansyntes på 250 kilowatt byggdes av Centre for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW) i Baden-Württemberg och Fraunhofer Society i Tyskland och togs i drift 2010. Den uppgraderas till 10 megawatt och är planerad att stå färdig hösten 2012 [30] [31] .
George Ohl Carbon Dioxide Plant, som drivs av Carbon Recycling International i Grindavik , Island, har producerat 2 miljoner liter metanoltransportbränsle per år sedan 2011 från rökgaser från Swarzengi-kraftverket [32] . Dess maximala kapacitet är 5 miljoner liter per år [33] .
Audi har byggt en anläggning för flytande naturgas utan koldioxid (LNG) i Werlte, Tyskland [34] . Anläggningen är designad för att producera det transportbränsle som används i deras A3 Sportback g-tron- fordon och kan vid sin ursprungliga kapacitet utvinna 2 800 ton CO 2 per år [35] ur atmosfären .
Kommersiell utveckling äger rum i Columbia (South Carolina) [36] , Camarillo (Kalifornien) [37] och Darlington (UK) [38] . Ett demonstrationsprojekt i Berkeley, Kalifornien, föreslår syntes av bränslen och matoljor från återvunna rökgaser [39] .
Koldioxidneutrala bränslen kan leda till återvinning av växthusgaser eftersom koldioxid kommer att återanvändas för att göra bränsle snarare än att släppas ut i atmosfären. Att ta bort koldioxid från kraftverksavgaser kommer att eliminera dess utsläpp till atmosfären, även om när bränsle förbränns i fordon kommer kol att frigöras eftersom det inte finns något ekonomiskt sätt att fånga upp dessa utsläpp [3] . Detta tillvägagångssätt, som används i alla fossilbränslekraftverk, skulle minska nettoutsläppen av koldioxid med cirka 50 %. Det förväntas att de flesta kol- och naturgaseldade kraftverk kommer att vara ekonomiskt eftermonterade med koldioxidskrubber för kolavskiljning , avgasåterföring eller kolbindning [40] [18] [41] . Sådan raffinering förväntas inte bara kosta mindre än de överdrivna ekonomiska effekterna av klimatförändringarna, utan det kommer också att löna sig eftersom stigande global efterfrågan på bränsle och toppoljebrist driver upp priset på olja och fungibel naturgas [42] [43] .
Att fånga upp CO 2 direkt från luften eller utvinna koldioxid ur havsvatten kommer också att minska mängden koldioxid i miljön och skapa ett slutet kolkretslopp för att eliminera nya koldioxidutsläpp [4] . Användningen av dessa metoder kommer att helt eliminera behovet av kol, olja och gas, förutsatt att förnybar energi är tillräcklig för att producera bränsle. Användningen av syntetiska kolväten för att producera syntetiska material som plast kan resultera i permanent kolbindning från atmosfären [3] .
Vissa myndigheter har rekommenderat produktion av metanol istället för traditionellt transportbränsle. Det är en vätska vid normal temperatur, giftig vid förtäring. Metanol har ett högre oktantal än bensin men en lägre energitäthet och kan blandas med andra bränslen eller användas på egen hand. Det kan också användas vid framställning av mer komplexa kolväten och polymerer. Metanolbränsleceller har utvecklats av Jet Propulsion Laboratory vid California Institute of Technology för att omvandla metanol och syre till elektricitet [16] . Metanol kan omvandlas till bensin, flygbränsle eller andra kolväten, men detta kräver ytterligare energi och mer sofistikerade produktionsanläggningar [3] . Metanol är något mer frätande än traditionella bränslen, så det kräver en bilmodifiering som kostar runt 100 USD [4] [44] .
Under 2016 utvecklades en metod för att omvandla koldioxid till etanol med hjälp av kolspikar , koppar och kvävenanopartiklar.
Bränsle tillverkade av mikroalger har potential att ha ett lågt koldioxidavtryck och är ett aktivt forskningsområde, även om inget storskaligt produktionssystem har implementerats hittills. Mikroalger är vattenlevande encelliga organismer . Även om de, till skillnad från de flesta växter, har en extremt enkel cellstruktur, är de fortfarande fotoautotrofa och kan använda solenergi för att omvandla koldioxid till kolhydrater och fetter genom fotosyntes . Dessa föreningar kan fungera som råmaterial för biobränslen som bioetanol eller biodiesel [45] . Därför, även om förbränning av mikroalgbaserade bränslen fortfarande skulle ge utsläpp som vilket annat bränsle som helst, skulle det kunna vara koldioxidneutralt om samma mängd koldioxid absorberades totalt som släpps ut under förbränningen.
Fördelarna med mikroalger är deras högre effektivitet av CO 2 -fixering jämfört med de flesta växter [46] och deras förmåga att växa i en mängd olika vattenmiljöer [47] . Deras största nackdel är deras höga kostnad. Det har hävdats att deras unika och mycket varierande kemi kan göra dem attraktiva för vissa tillämpningar [45] .
Mikroalger som innehåller stora mängder proteiner kan användas som djurfoder . Vissa arter av mikroalger producerar värdefulla föreningar som pigment och läkemedel [48] .
ProduktionDe två huvudsakliga metoderna för att odla mikroalger är dräneringssystem och fotobioreaktorer (PBR). Raceway Pond Systems består av en oval kanal med sluten slinga som har ett skovelhjul för att cirkulera vattnet och förhindra sättning. Kanalen ligger under öppen himmel, dess djup är i intervallet 0,25-0,4 m [45] . Dammen bör vara grund då självskuggning och optisk absorption kan leda till begränsad ljusinsläpp. Näringsmediet i fotobioreaktorn består av slutna genomskinliga provrör. Den har en central reservoar där mikroalgbuljongen cirkulerar. Fotobioreaktorn är ett enklare system att använda, men det kräver en högre total produktionskostnad.
Koldioxidutsläpp från mikroalger biomassa producerad i avrinnande vatten kan jämföras med utsläpp från konventionell biodiesel när energi- och näringsförbrukning anses vara kolintensiv. Motsvarande utsläpp från mikroalger biomassa producerad i fotobioreaktorer kan till och med överstiga utsläppen från konventionella fossila dieselbränslen. Ineffektiviteten är relaterad till mängden elektricitet som används för att pumpa algbuljongen genom systemet. Att använda biprodukten för att generera el är en strategi som kan förbättra den övergripande kolbalansen. Man bör också ta hänsyn till att koldioxidutsläpp kan förekomma inom olika tjänstebranscher – vattenhantering, koldioxidhantering och näringstillförsel. Men totalt sett visar Raceway Pond-system en mer attraktiv energibalans än fotobioreaktorsystem.
EkonomiKostnaden för att producera mikroalger och biobränslen genom implementering av vattendelaressystem domineras av driftskostnader, som inkluderar arbetskraft, råvaror och verktyg. I systemet med en reservoar med dränering under odlingsprocessen är den största utgiftsposten elektricitet för att säkerställa cirkulationen av mikroalgkulturer, som sträcker sig från 22 % till 79 % [45] . Tvärtom, i fotobioreaktorer går kapitalkostnaderna över produktionskostnaderna. Detta system har en hög installationskostnad, även om driftskostnaderna är relativt lägre än för avrinningsbassängssystem.
Biobränsle från mikroalger är dyrare än fossila bränslen, cirka 3 dollar per liter [49] , vilket är betydligt dyrare än vanlig bensin.
MiljöpåverkanByggandet av storskaliga odlingar av mikroalger kommer oundvikligen att leda till negativa miljöeffekter i samband med förändrad markanvändning , såsom förstörelse av befintliga naturliga ekosystem. Mikroalger kan också avge växthusgaser som metan eller dikväveoxid , eller illaluktande gaser som vätesulfid , under vissa förhållanden , även om detta inte har studerats i stor utsträckning hittills. Om de inte hanteras på rätt sätt kan gifter som naturligt produceras av mikroalger tränga in i marken eller grundvattnet [50] .
ProduktionVatten genomgår elektrolys vid höga temperaturer för att bilda vätgas och syrgas. Energin till detta kommer från förnybara källor som vindkraft. Vätet reagerar sedan med komprimerad koldioxid som fångas upp från atmosfären . Som ett resultat av reaktionen bildas blå olja, bestående av en blandning av kolväten. Den blå oljan raffineras sedan för att producera högpresterande diesel [51] [52] . Vid nuvarande produktionskapacitet kan cirka 1 000 liter bränsle per månad, eller 0,0002 % av den dagliga bränsleproduktionen i USA, produceras. [53] Dessutom har den termodynamiska och ekonomiska genomförbarheten av denna teknik ifrågasatts. Därför skapar denna teknik inget alternativ till fossila bränslen, utan omvandlar snarare förnybar energi till flytande bränslen. Energiavkastningen på energi som investeras i fossilt dieselbränsle uppskattas vara 18 gånger högre än för syntetiskt diesel. [54]
Forskning om koldioxidneutrala bränslen har pågått i decennier. Redan 1965 föreslogs det att syntetisera metanol från koldioxid i luften med hjälp av kärnenergi [55] . Marin produktion av syntetiska bränslen med hjälp av kärnkraft studerades 1977 och 1995 [56] [57] År 1984 studerades återvinningen av koldioxid från fossila bränsleanläggningar [58] . 1995 uppskattades kostnaden för att konvertera fartyg till att använda kolneutral metanol med ytterligare bensinsyntes [44] .