Welke effecten hebben hernieuwbare brandstoffen op verbrandingsemissies?

Hernieuwbare brandstoffen als alternatief voor de milieubelastende fossiele varianten hebben terecht de volle aandacht. Het uitgangspunt is dat zij de CO₂-uitstoot wereldwijd kunnen verminderen, maar hoe staat het met de overige emissies? Onafhankelijk ingenieursbureau Emissions Analytics deed onderzoek naar de verschillen tussen fossiele en hernieuwbare brandstoffen en deelde deze kennis tijdens een drukbezocht webinar.

Sinds de oprichting in 2011 heeft Emissions Analytics emissiemetingen gedaan bij meer dan 2.500 voertuigen en machines. Geen simulaties en laboratoria, maar echte brandstoffen in echte auto’s en onder normale praktijkomstandigheden. Dit doet het bedrijf op onafhankelijke basis en hecht daarbij sterk aan het open en transparant delen van haar testmethodes en resultaten.

Vraagstuk

Oprichter en CEO Nick Molden geeft aan: “Een van de aandachtspunten op dit moment is het uitvoeren van emissiemetingen bij hernieuwbare brandstoffen. Daarbij richten we ons op de vraag in hoeverre zij nu eigenlijk een bijdrage leveren aan decarbonisatie door het verminderen van de CO₂-uitstoot. Maar ook kijken we naar de uitstoot van stikstofverbindingen, cycloalkanen en aromaten. Blijven deze binnen de door de wet- en regelgeving opgelegde waarden, worden er nieuwe of andere emissies geïntroduceerd en hoe schadelijk zijn deze eventueel voor het milieu of de gezondheid? Daarbij is het meten van de emissies belangrijk, maar tevens het doorgronden van de achterliggende processen. En die zijn complex.”

Er is nog veel extra onderzoek nodig naar niet-gereguleerde emissies bij hernieuwbare brandstoffen

Waar hebben we het over?

Hernieuwbare brandstoffen zijn vervaardigd uit hernieuwbare grondstoffen zoals planten en afgedankt frituurvet in plaats van fossiele bronnen zoals olie en gas. Voorbeelden van hernieuwbare brandstoffen zijn biodiesel, bio-ethanol, biogas en gehydrogeneerde plantaardige olie (HVO). Daarnaast behoren ook synthetische brandstoffen en groene waterstof tot de brede en zeer diverse groep.

Nick Molden: “Onze interesse bij het meten van emissies van hernieuwbare brandstoffen gaat naar de invloed van de biocomponenten. Deze kunnen de verbrandingskarakteristieken beïnvloeden en hebben vaak een lagere energiedichtheid gecombineerd met een lagere efficiëntie. Verder vragen we ons af of de andere chemische samenstelling ook kan leiden tot emissies die we bij de verbranding van fossiele brandstoffen niet kennen."

"Tot slot willen we bij hernieuwbare brandstoffen ook de volledige supply chain in de gaten houden: het is prima om bij het verbranden van hernieuwbare brandstoffen minder CO₂ te genereren, maar dan is het wel belangrijk om vast te stellen of de biocomponent ook werkelijk afkomstig is van hernieuwbare bronnen. Tot slot blijven voorlopig ook de schaalbaarheid van de productie van een specifieke brandstof en de economische haalbaarheid punten van aandacht.”

Metingen

Om deze bovenstaande vragen te beantwoorden heeft Emissions Analytics vele metingen gedaan. Daarbij wordt een ‘holistische’ aanpak gehanteerd. Met andere woorden: bij de metingen worden alle elementen meegenomen. Buiten CO₂ zijn dat CO, NO, NO₂, NOx en daarnaast de temperatuur van de uitlaatgassen.

Voor het meten van de emissies wordt gebruikgemaakt van een Portable Emissions Measurement System of kortweg PEMS dat iedere seconde een meetwaarde genereert. Deze meetwaarden worden in de analyse gerelateerd aan onder meer de snelheid van het voertuig, het toerental, de temperatuur van de koelvloeistof, de motorbelasting, positie van de gashendel en de druk in het kleppenblok. Ook deeltjestellingen kunnen van belang zijn evenals het meten van NH₃.

Testresultaten

In het webinar worden de testresultaten besproken van zowel hernieuwbare diesel als hernieuwbare benzine. Met de ‘Thames Tideway test’ is gekeken naar de verschillen in CO₂-uitstoot tussen transport over het water of de weg bij het gebruik van conventionele diesel of hernieuwbare HVO (gehydrogeneerde plantaardige olie). De test betreft een lading van 5 ton die wordt vervoerd tussen Deptford en Woolwich in Londen.

Nick Molden: “De test uit 2022 geeft de resultaten zoals te zien in figuur 1. Wat opvalt in deze cijfers is onder meer de aanzienlijk lagere hoeveelheid stikstofoxide die met HVO wordt uitgestoten ten opzichte van conventionele diesel. Hetzelfde geldt voor stikstofdioxide en NOx. Rood gekleurd is echter het aantal deeltjes dat vrijkomt en bij HVO bijna het dubbele bedraagt. Een typische uitkomst die vraagt om extra onderzoek om te kijken welke deeltjes dit dan zijn en hoe schadelijk ze kunnen zijn voor de omgeving.”

Bij de vergelijking van verschillende soorten HVO’s bleek verder dat de eigenschappen behoorlijk ver uit elkaar kunnen liggen. Molden: “Als voorbeeld figuur 2 waarin we vier HVO’s hebben vergeleken. Vanwege het grote aantal bestanddelen is het lastig om ze volledig te doorgronden en dat blijkt ook uit de resultaten waar een van de vier er echt uitspringt. In de samenstelling komt dit terug in het grotere aantal organische componenten waardoor hij meer op een standaarddiesel lijkt dan een HVO. De vraag is nu waarom hij zo afwijkt terwijl hij toch aan de ‘regels’ van een HVO voldoet.”

Benzine

Bij het testen van benzine is onder meer gekeken naar de impact van de toevoeging van ethanol op de uitstoot van CO en NOx. Er is getest met vier auto’s en emissies zijn gemeten bij een koude start, in de stad rijden, op het land en op de snelweg. In figuur 3 zijn de resultaten te zien van de vergelijking tussen E0 (0% toevoeging van ethanol) en E10 (tot 10% toevoeging ethanol). De resultaten zijn verdeeld over de voertuigen vrij consistent met uitsluitend positieve resultaten voor de uitstoot van CO bij E10. Bij de uitstoot van NOx zijn de resultaten minder positief en scoort E10 zelfs slechter bij alle auto’s of gelijk (bij één auto).

Bij ongereguleerde vervuiling is gekeken naar effecten voor de mens en het milieu van formaldehyden en andere aldehydes, tolueen en lachgas. De effecten lopen uiteen van irritatie van de slijmvliezen tot mogelijke onvruchtbaarheid en van biologisch afbreekbaar tot een sterk broeikasgas. Nick Molden: “De effecten voor het milieu zijn niet zo spannend; de schade die bepaalde stoffen aan mensen kunnen doen zijn ernstiger en moeten dus verder worden onderzocht.”

Figuur 4 geeft aan dat de verschillende auto’s verschillend scoren op de diverse emissies. Nick Molden: “Kijk je naar de manier van rijden (figuur 5), dan zijn de cijfers veel consistenter. Zo is de uitstoot van formaldehyde overal hoger; hetzelfde geldt voor tolueen terwijl de andere emissies maar sporadisch iets beter zijn.”

Tot slot zijn verschillende soorten benzine met elkaar vergeleken waarbij ook een E20-variant is meegenomen. Hieruit blijkt dat een hoger aandeel ethanol (bij de E20-variant) leidt tot een lagere CO₂-uitstoot, een lager aantal deeltjes maar iets meer CO en een neiging om ook meer formaldehyde uit te stoten.

Samenvattend

Hernieuwbare brandstoffen stoten bij verbranding minder CO₂ uit maar meer onderzoek is nodig naar de uitstoot van niet-gereguleerde stoffen en de supply chain. Nick Molden: "Vergeet bovendien niet dat CO₂-reducties voor een belangrijk deel worden bereikt door de teelt van de biocomponenten; om die reden is het van belang om te weten waar deze vandaan komen.”