バイオマスや農業廃棄物などの再生可能材料から作られた持続可能な航空燃料は、航空業界を脱炭素化する大きな可能性を秘めています。しかし、普及はまだ進んでいません。

持続可能な航空燃料(SAF) は、で使用される燃料の 1% 未満を占めます。航空産業一方、航空燃料は世界の温室効果ガス (GHG) 排出量の約 3% に貢献しています。エネルギー効率が高く、化石ベースのジェット燃料と比べてより安価でコスト競争力のある SAF を製造することは、広範な商業利用にとって不可欠です。

現在、アルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、斬新な技術これにより、航空業界の GHG 排出量を最大 70% 削減できるコスト競争力のある SAF が実現します。アルゴンヌのライフサイクルと技術経済モデルは、SAF の環境への影響と経済的実行可能性を分析するために使用されました。

の研究でACS 持続可能な化学と工学新しいメタンが捕捉されたことを示しています嫌気性消化(MAAD) テクノロジーは、高濃度有機廃水を揮発性脂肪酸に変換し、SAF にアップグレードできます。

アルゴンヌ州博士研究員のハオラン・ウー氏は、SAF生成の重要な前駆物質として、揮発性脂肪酸は航空産業の脱炭素化に重要な役割を果たす可能性があると述べた。

「廃棄物の流れからの揮発性脂肪酸は、バイオ燃料の生産をよりコスト効率が高く、持続可能なものにすることができます」とウー氏は述べた。「アルゴンヌの新しい技術は、膜支援バイオリアクターを使用して揮発性脂肪酸の生産を強化します。」

この研究は、2030年までにSAFの生産量を30億ガロンに増やすことを目的としたDOEの持続可能な航空燃料グランドチャレンジで概説された目標を前進させるもので、目標は2050年までに商用ジェット燃料需要の100%を満たすのに十分な燃料を生産することである。

廃棄物の流れをバイオ燃料に変換する

バイオ燃料は、航空など電化が難しい分野の脱炭素化に需要がある。バイオマスからバイオ燃料への変換は、原料として使用される有機材料の変動に加え、燃料仕様を満たすための変換、分離、精製技術が関与する複雑なプロセスです。

科学者たちは、脂肪、油、グリースなどの従来の資源に依存する代わりに、ビール醸造所や酪農場からの炭素を多く含む廃水を革新的な技術の原料として使用しました。重要な進歩において、テクノロジーはあらゆるものを取り除きます有機炭素これらの高強度廃棄物の流れからは、コスト効率よく処理することが困難です。

「どちらの廃水流にも有機物が豊富に含まれており、従来の廃水処理方法で処理すると二酸化炭素を大量に消費します」と研究著者でアルゴンヌのエネルギーシステムアナリストであるテミン・キム氏は述べた。「当社の技術を使用することで、これらの廃棄物の流れを処理するだけでなく、航空業界向けに低炭素で持続可能な燃料を製造しています。」

アルゴンヌの技術は、これらの廃棄物の流れを SAF に変換するという新境地も開拓します。

嫌気性消化は、バイオマスをメタンに変換し、その後バイオ燃料に変換するための確立された技術です。アルゴンヌ社の持続可能な材料およびプロセス部門マネージャーであるメルテム・ウルグン・デミルタス氏によって開発された MAAD テクノロジーは、代わりに揮発性脂肪酸 (酪酸など) と乳酸の生成に焦点を当てています。

しかし、乳酸は揮発性脂肪酸からの SAF の生成を制限します。Argonne MAAD テクノロジーはその制限を克服し、揮発性脂肪酸の収量を増加させます。

「乳酸は、揮発性脂肪酸をSAFに変換する際の炭素効率を低下させます」とWu氏は述べた。「したがって、コンバージョンを乳酸揮発性脂肪酸の生成に向けた取り組みが鍵となります。」

もう 1 つの新しい革新では、科学者は膜支援 MAAD 技術を強化する電気化学的分離方法を開発しました。

「膜支援蒸解釜での滞留時間を延長するための現場生成物回収プロセスを開発しました。これにより、豊富な酪酸生産者を含む回復力のある微生物群集が可能になり、酸の生産性と濃度が向上し、その結果、酸の生産コストと酸の毒性が減少しました」とウルグン氏は述べています。デミルタス氏はこの研究の主任研究員です。

経済的および環境的影響の分析

と実験データ科学者らは、アルゴンヌ社の高度なシミュレーションおよびモデリングツールを使用して、廃棄物からSAFまでの3つの考えられる経路を設計し、化石燃料から生成される従来のジェット燃料と比較しました。

科学者たちはプロセス モデルを使用して、経路の技術経済分析およびライフサイクル分析を実施しました。ライフサイクル分析は、アルゴンヌの R&D 温室効果ガス、規制排出量、技術におけるエネルギー使用 (R&D GREET) モデルを使用して実施され、生産から最終使用までの GHG の影響を評価しました。

科学者らは、廃棄物から航空燃料への経路により、従来のジェット燃料と比較して二酸化炭素排出量が大幅に削減されると述べている。この研究はまた、SAF 用の典型的なバイオ原料の需要が不足している現在、あまり使用されていない廃棄物の利用を拡大することにもなります。

研究は今後も継続されるが、最終的には、科学者らは特許出願中のプロセスを商業化し、技術を拡大して広く使用できるようにしたいと考えている。

「従来のジェット燃料と同等のコストで温室効果ガスの 70% 削減を達成する膜支援技術を設計することは、大きな進歩です」とウー氏は述べた。

「私たちは持続可能性を高める取り組みを続け、私たちの技術で使用できる他の原材料の探索を開始します。」

アルゴンヌの主任エネルギー システム アナリストであるパホラ タティアナ ベナビデス ガレゴ氏も、この研究の主任研究者を務めました。