Většinu tvrzení o e-palivech je těžké spolknout, včetně tohoto od společnosti Bosch: že e-paliva budou k dispozici u pumpy za „1.20 Euro za litr… do roku 2030“. E-paliva, nazývaná také power-to-liquids, power-to-gas, e-gas, elektropaliva nebo, jak je Bosch nazývá, „obnovitelná syntetická paliva“, jsou paliva typu drop-in vyrobená ze sluneční a větrné energie. Na první pohled to zní jako dobrá volba. Pokud můžeme poskytovat e-paliva tak levně, proč bychom se obtěžovali s přechodem na elektromobily? Nicméně, jako mnoho věcí, je to příliš dobré na to, aby to byla úplná pravda.
K výrobě e-paliv se elektřina, nejlépe obnovitelná, používá k štěpení vody na vodík a kyslík. Vodík je pak kombinován s oxidem uhličitým za vzniku uhlovodíků, jako je nafta, plyn (metan) nebo letecký benzín. Zatímco e-paliva mohou být velmi nízkouhlíková, pokud jsou vyrobena z nové, dodatečné obnovitelné elektřiny, nemohou být zároveň levná. Proces výroby e-paliv je ze své podstaty neefektivní a přeměňuje v nejlepším případě polovinu energie v elektřině na kapalná nebo plynná paliva. I když náklady na větrnou a solární elektřinu postupem času klesají, energie stále něco stojí a tyto náklady jsou v podstatě umocněny nízkým výnosem výroby e-paliv. Ani zařízení není levné – elektrolyzéry používané k přeměně vody na vodík a kyslík jsou notoricky drahé. Někteří analytici se domnívají, že ceny elektrolyzérů budou v nadcházejících desetiletích klesat, ale náš nedávný a velmi důkladný přehled literatury nenašel žádné důkazy pro tato tvrzení. S využitím předpokladů uprostřed cesty jsme zjistili, že významné objemy obnovitelných e-paliv nebudou v roce 3 vyráběny za méně než 4 nebo 2030 eura za litr.
Je pravda, že nikdo neví jistě, kolik bude cokoli stát v budoucnu, a analytici mohou ve svých projekcích použít jakékoli předpoklady, které považují za vhodné. Ale předpokládat, že ten nejrůžovější možný obrázek je správný, není správný způsob, jak plánovat budoucnost. Když sestavuji domácí rozpočet na další měsíc, nepředpokládal bych, že mi pronajímatel sníží nájem o 90 %, a proto si mohu dovolit koupit nové auto. To by bylo bezohledné! Stejně jako Boschovo tvrzení.
Přesná diskuse o e-palivech je důležitá, protože musíme přijít na to, jak dekarbonizovat sektor dopravy. Jak jsme znovu a znovu ukázali, nebude téměř dostatek nízkouhlíkových biopaliv nebo bioplynu k dekarbonizaci všech automobilů, nákladních automobilů, lodí a letadel. Auta budou muset být poháněna obnovitelnou elektřinou. Na výběr je pak, zda přejít na elektromotory a nabíjet pomocí zástrčky, nebo udržovat vnitřní spalování při životě naplněním tekutým slunečním světlem.
Jak je znázorněno na obrázku níže, jedna z těchto cest je více než 4krát účinnější než druhá. Můžeme očekávat, že 48 % energie z obnovitelné elektřiny se ztratí při přeměně na kapalná paliva, s využitím průměrné hodnoty pro technologie drop-in diesel z naší předchozí práce na ekonomickém modelování. Aby se tento problém ještě zhoršil, podle různých studií se 70 % energie v těchto palivech ztratí při jejich spalování ve spalovacích motorech, s celkovou účinností 16 % pro cestu e-paliv. Tím se ztrácí naprostá většina energie ze slunce nebo větru. Naproti tomu většina energie spotřebované elektrickými vozidly jde ve skutečnosti na pohon kol, přičemž ztrácí pouze 10 % při nabíjení a 20 % u motoru a celková účinnost je 72 %. To je velká úspora nákladů na palivo! I když jsme do níže uvedeného obrázku nezahrnuli 6% ztrátu účinnosti při přenosu a distribuci elektřiny, podobně vynecháváme energetické ztráty při přepravě e-paliv. Kromě toho existuje více důkazů, že klesající náklady na baterie přinesou v blízké budoucnosti elektrická vozidla nákladové rovnováze s konvenčními vozy, než důkazy, že propad cen elektrolyzérů učiní e-paliva cenově dostupnými. Abychom uvedli věci na pravou míru, spočítali jsme, že používání e-paliv ke snížení emisí skleníkových plynů z vozidel by stálo 3krát více než pokuta za nedodržení evropských norem spotřeby paliva pro osobní automobily.
Volba méně účinné cesty – e-paliva – k dekarbonizaci automobilů bude stát hodně. A nastavení dlouhodobých strategií na základě spalovacího motoru nás bude stát mnohem víc než peníze; bude nás to stát čas, který naléhavě potřebujeme k zavedení elektrických vozidel a nabíjecí infrastruktury, pokud chceme mít nějakou šanci zvládnout klimatickou krizi.
Vzhledem k tomu, že průmyslová odvětví závislá na fosilních palivech, jako je těžká doprava, hledají levnější nízkouhlíkové možnosti, které jim pomohou dekarbonizovat, energetický analytik společnosti Regen Jonathan Lamont hodnotí potenciální budoucí roli jedné zvažované možnosti – e-Fuels – a jejich životaschopnost pomoci Spojenému království při přechodu na čistá nulová energie.
Během posledního roku došlo na celém světě k otřesům cen energií v rozsahu, který nebyl zaznamenán od sedmdesátých let. Rostoucí ceny fosilních paliv poháněné nestálostí na mezinárodních trzích s ropou a plynem a zhoršené geopolitickou nejistotou znamenají, že průmysl závislý na fosilních palivech musí hledat levnější nízkouhlíkové možnosti. Tento blog bude zkoumat jednu technologii, která je stále více zvažována – elektropaliva – a její potenciální budoucí roli a životaschopnost pomoci Spojenému království při přechodu na čistou nulovou energii.
Elektropaliva (nebo eFuels, jak jsou běžněji známá) jsou typy syntetických paliv vyráběných syntézou vodíku vyrobeného z obnovitelných zdrojů se zachyceným uhlíkem za účelem vytvoření nového uhlovodíkového paliva. EPaliva jsou kapalné palivo s vysokou energetickou hustotou, které lze „nasadit“ jako přímou náhradu stávajících ropných paliv používaných v lodní a letecké dopravě a ve skutečnosti nabízí chemicky identickou nízkouhlíkovou alternativu k nahrazení paliv odvozených z ropy.
Zastánci eFuels se zaměřují na jejich potenciál usnadnit nízkouhlíkovou výrobu vodíku a podporují ambiciózní plány na rozšíření kapacity obnovitelných zdrojů energie po celém Spojeném království. Regen to již dříve prozkoumal na několika blozích: představil koncept nízkouhlíkového vodíku, prozkoumal hodnotový řetězec vodíku a rozšířil vodíkovou strategii vlády Spojeného království.
Epaliva by také mohla poskytnout „chybějící článek“ potřebný k dekarbonizaci odvětví těžké dopravy a zároveň co nejlépe využít stávající dopravní prostředky a dostatek nízkouhlíkové elektřiny. Jeho využití a budoucí snížení nákladů však do značné míry závisí na zlepšování postupů výroby vodíku s nízkým obsahem uhlíku a na rozsáhlých technologiích přímého zachycování vzduchu (DAC). Existují také otázky, zda eFuels budou ve skutečnosti obsahovat nulové uhlíky, stejně jako vysoké náklady a relativní neefektivnost výrobních procesů eFuel. Tento „faktor účinnosti“ je dále ovlivněn značnou energetickou náročností potřebnou k provedení procesu DAC a zachycení požadovaného uhlíku.
Jsou tedy eFuels tím chybějícím článkem, nebo nákladným rozptýlením?
Co jsou syntetická paliva?
Syntetická paliva jsou kapalná paliva na bázi uhlíku vyráběná chemickou reakcí. Výroba sahá až do počátku 1900. století, kdy rafinerie obvykle používají uhlí nebo zemní plyn jako surovinu k přeměně energie na kapalné palivo, což při jejich výrobě vytváří značné množství emisí.
Tato technologie je dnes stále široce používána: například výstupy plynové elektrárny Shell v Kataru (GTL) c. 260,000 8 barelů produktů GTL a kapalného zemního plynu denně ze zpracování zemního plynu[i]. To se rovná c. XNUMX % produkce kapalných paliv Shell a je významnou součástí portfolia produktů tohoto giganta na fosilní paliva.
Výrobní proces eFuel se liší od historické výroby syntetických paliv tím, že nahrazuje výchozí surovinu získanou z fosilních paliv obnovitelnou energií. Jak je znázorněno na (obrázek 1: životní cyklus paliva), výroba využívá obnovitelnou elektřinu k pohonu elektrolyzéru, který rozděluje vodu na vodík a kyslík. Technologie Direct Air Capture (DAC) poháněná obnovitelnými zdroji získává oxid uhličitý ze vzduchu a přeměňuje jej na oxid uhelnatý v reverzní reakci převodu vody a plynu. Po přeměně se smísí s vodíkem za vzniku syntetického plynu (syngas) jako suroviny pro proces přeměny paliva. Tento proces „Fischer-Tropsch“ syntézy zahrnuje katalytickou chemickou reakci, která produkuje řadu eFuels, jako je eDiesel, eKerosnene nebo eNaptha. Alternativně lze syntézní plyn také přivádět do syntézy methanolu za účelem vytvoření ethanolu pro přepravu.
Obrázek 1: Životní cyklus paliva
Jakmile spálená eFuels uvolní dříve zachycený uhlík, pokud je uhlík zachycen přímo z obnovitelného zdroje (tj. z atmosféry nebo biogenního) a procesy elektrolýzy a zachytávání vodíku jsou poháněny obnovitelnou energií, lze tvrdit, že celý životní cyklus výroby a použití eFuel je uhlíkově neutrální.
Pokud by se eFuels vyráběly správně, nízkouhlíkový potenciál e-paliv by proto mohl hrát okrajovou, ale důležitou roli při řešení velmi obtížně odstranitelných odvětví.
Řešení pro dekarbonizaci těžké dopravy?
Jako odvětví s nejvyššími emisemi v hospodářství Spojeného království je řešení problému dekarbonizace dopravy, zejména odvětví těžké dopravy s vysokým obsahem uhlíku, jako je letectví a lodní doprava, jednou z největších výzev, kterým Spojené království čelí na cestě k čisté nule.
Během posledního desetiletí se debata zaměřila na výhody a nevýhody elektrifikace a vodíku (palivové články a spalování) pro dekarbonizaci leteckého a lodního sektoru, u nichž se navzdory útlumu způsobenému pandemií předpokládá nárůst poptávky v nadcházející desetiletí[ii].
Výzvy pro elektrifikaci vyvstaly z relativně nízké hustoty energie polovodičových baterií, které je činí méně vhodnými pro větší přepravu citlivou na hmotnost. Vodíkové palivové články by se mohly vyhnout dlouhé době nabíjení a časté výměně, kterou elektrické baterie vyžadují, ale nižší objemová hustota energie vodíku by vyžadovala větší prostor v nádrži.
Přestože jsou technologie bateriových elektrických i vodíkových palivových článků v relativně raných fázích vývoje pro aplikace v těžké dopravě, očekává se, že se v nadcházejících desetiletích dostanou na hlavní trh, přičemž každá pravděpodobně bude hrát určitou roli pro určité aplikace. Tyto možnosti však nepředstavují okamžitou možnost zmírnění, ani neřeší podstatné utopené náklady ve stávající infrastruktuře.
To přimělo průmysl posuzovat různé další technologie ve snaze dekarbonizovat těžkou dopravu, včetně eFuels.
Výhody
EPaliva mohou být schopna vyřešit některé problémy s dekarbonizací letectví a lodní dopravy, které se vodík a elektrifikace zpočátku snažily vyřešit.
Vzhledem k tomu, že eFuels mají mnohem vyšší hustotu energie než vodík a lze je skladovat při pokojové teplotě a tlaku, mají schopnost fungovat jako „drop-in“ paliva ve stávajícím dodavatelském řetězci fosilních paliv a pohonných systémech. Konkrétně, protože jsou schopna integrace do stávajících čerpacích stanic, rafinérií, skladovacích nádrží atd., eFuels by mohla umožnit rychlý a bezproblémový přechod k uspokojení určité poptávky po nízkouhlíkových palivech.
Díky tomu by eFuels mohla být důležitá pro letecké společnosti a lodní dopravu, které mají velkou stávající flotilu spalovacích motorů. Nahrazením elektronických paliv do stávajících aktiv (jako jsou lodě, letadla a průmyslové motory) namísto jejich vyřazení – což by bylo nutné v případě jiných možností dekarbonizace těžké dopravy – by se předešlo nákladům a emisím uhlíku spojeným s výměnou vozového parku.
To přesvědčilo průmyslové skupiny, aby se zavázaly začlenit syntetická paliva do svých operací, přičemž 60 organizací leteckých společností se zavázalo urychlit dodávky a používání udržitelného leteckého paliva (SAF) tak, aby do roku 10 dosáhly 2030 % celkových globálních dodávek paliva pro tryskové letectví[iii] . Tento vývoj vedl k výstavbě první velké továrny na výrobu eFuel na světě v Chile, která by měla být uvedena do provozu do roku 2023 a do roku 550 produkovat 2026 milionů litrů eFuel[iv] – což je skromná produkce pro průmysl, u kterého se předpokládá spotřeba 317 miliard litrů. v roce 2022[v].
Nevýhody
Ačkoli eFuels mají své výhody, způsob výroby představuje řadu překážek, které by mohly bránit efektivnímu a nákladově efektivnímu přijetí na trh s nízkouhlíkovým palivem:
- Účinnost: Za prvé, řada článků se zabývala efektivitou životního cyklu výroby eFuel, od zpracování vstupní suroviny až po finální eFuel. Mezinárodní rada pro čistou dopravu vypočítala, že celková účinnost konverze v průběhu celého procesu může být až 16 %[vi]. To je částečně způsobeno inherentní neefektivitou spalovacího motoru a částečně vysvětluje nízkou hodnotu. Zůstává problémem pro průmysl konvenčních paliv.
- Poptávka po energii: Za druhé, spotřeba energie je značná. Britský letecký průmysl spotřeboval v roce 13.7 podle BEIS[vii] 159 Mtoe (2019 TWh) leteckého paliva. Vezmeme-li v úvahu neefektivnost výrobního procesu eFuel, požadovaná obnovitelná výroba eFuel k pouhé dekarbonizaci leteckého sektoru by činila 717 TWh. Abychom uvedli toto číslo do kontextu, obnovitelná výroba ve Spojeném království pro rok 2020 činila 135 TWh. Podobný názor zjistila Mezinárodní komora lodní dopravy (ICS)[viii], která odhaduje, že používání eFuels k dekarbonizaci lodní dopravy by vyžadovalo současný celkový světový počet obnovitelných zdrojů energie.
- Náklady: Konečně, The Royal Society zjistila, že ceny eFuels jsou zhruba 3-5 krát vyšší než konvenční paliva[ix]. Nedávné cenové skoky způsobily, že eFuels jsou relativně dostupnější; stále by však bylo zapotřebí výrazného snížení výrobních nákladů a účinné uhlíkové daně na konvenční paliva, aby byly tyto náklady srovnatelné. V rámci odvětví vzrostla důvěra v to, že výrobní cena výrazně klesne, jak se závody rozšiřují a využívají úspor z rozsahu. Zejména se očekává, že náklady na vodíkové elektrolyzéry výrazně klesnou[x]. Ztráty účinnosti spojené s přeměnou elektřiny na vodík a vodíku na eFuel však budou znamenat, že pravděpodobně zůstanou ze své podstaty drahé.
Jaký je závěr?
Epaliva představují jednu z možností vedle známějších technologií bateriových elektrických vozidel a vozidel s vodíkovými palivovými články, ale těžká doprava nebude jediným odvětvím řešení. I když eFuels nejsou všelékem a je nepravděpodobné, že zcela nahradí konvenční paliva, budou hrát roli jako součást různorodého energetického mixu pro těžkou dopravu, kde elektrifikace, vodík a syntetická paliva přispějí k dekarbonizaci specifických segmentů trhu.
Zatímco jejich schopnost fungovat a fungovat za stejných podmínek jako konvenční paliva znamená, že nabízejí atraktivní řešení v krátkodobém horizontu, stojí to za to. Toto je dilema, kterou musí spotřebitelé a výrobci v odvětví řešit: zda chtějí akceptovat vyšší jednotkové náklady, ale využívají uhlíkově neutrální paliva, která umožňují využití již existující globální sítě, nebo chtějí nižší jednotkové náklady na vodík a čelit vyšším kapitálové náklady na výstavbu nebo přepracování sítě zásobování vodíkem.
