Possibilities and sustainability of Power-to-X fuels in traffic systems

Abstract

Significant reduction of carbon dioxide emissions is key to a more sustainable transport system. Current fossil fuels used in transport cause a significant share of the global greenhouse gas emissions. Transport emissions can be reduced by switching to lower-emission alternatives, mainly electric motors and renewable fuels. This work investigates electric fuels produced using Power-to-X technology, also known as e-fuels or P2X fuels. The purpose of the work is to investigate the technological maturity of these fuels, their potential in different transport sectors, and sustainability aspects from different sustainable development perspectives.

The literature review section of the work presents an overview of technologies related to the Power-to-X process. This overview includes different options for water electrolysis, carbon dioxide capture technologies, the role of Power-to-X fuels in a more sustainable transport system, and issues related to the production of the most potential P2X fuels. The fuels covered are methane, methanol, ammonia, and dimethyl ether.

The potential of fuels and their sustainability aspects are analysed using a SWOT analysis. The technologies of the most energy-intensive process in the Power-to-X chain, water electrolysis, are also analysed using a SWOT analysis. In addition, a combined PESTEL-SWOT analysis was performed to obtain a comprehensive overview of Power-to-X fuels in general.

As a result of the analysis, e-methanol and e-ammonia appear to have best potential so far to replacing current fossil fuels, especially in maritime transport, where electrification is challenging. However, research and product development are still needed for these and other alternatives.

Hiilidioksidipäästöjen merkittävä vähentäminen on avainasemassa kohti kestävämpää liikennejärjestelmää. Nykyiset fossiiliset liikenteessä käytettävät polttoaineet aiheuttavat merkittävän osan maailman kasvihuonepäästöistä. Liikenteen päästöjä voidaan vähentää siirtymällä vähäpäästöisempiin vaihtoehtoihin, pääasiassa sähkömoottoreihin sekä uusiutuviin polttoaineisiin. Tässä työssä tutkitaan Power-to-X-teknologian avulla valmistettuja sähköpolttoaineita, jotka tunnetaan e-polttoaineina tai P2X-polttoaineina. Työn tarkoituksena on selvittää näiden polttoaineiden teknologinen kypsyysaste, mahdollisuudet eri liikennesektoreilla, sekä kestävyys näkökohdat eri kestävän kehityksen näkökulmista.

Työn kirjallisuuskatsaus osassa esitellään yleiskatsaus Power-to-X-prosessiin liittyvistä teknologioista. Tämä yleiskatsaus sisältää veden elektrolyysin eri vaihtoehtoja, hiilidioksidin talteenoton teknologiat, Power-to-X-polttoaineiden roolia kestävämmässä liikennejärjestelmässä sekä potentiaalisimpien polttoaineiden valmistukseen liittyviä asioita. Käsiteltävät polttoaineet ovat: metaani, metanoli, ammoniakki ja dimetyylieetteri.

Polttoaineiden mahdollisuuksia sekä kestävyysnäkökohtia analysoidaan SWOT analyysin avulla. Myös Power-to-X ketjun energia intensiivisimmän prosessin eli veden elektrolyysin teknologioita analysoidaan SWOT-analyysillä. Lisäksi yhdistetty PESTEL-SWOT-analyysi tehtiin Power-to-X-polttoaineille yleisesti kattavan yleiskuvan saamiseksi.

Analysoinnin tuloksena Power-to-X-polttoaineista metanoli ja ammoniakki vaikuttavat olevan lähimpänä korvaamaan tämän hetken fossiilisia polttoaineita, etenkin meriliikenteen käytössä, jossa sähköistäminen on haasteellista. Kuitenkin tutkimusta ja tuotekehitystä tarvitaan edelleen niin kyseisten kuin muidenkin vaihtoehtojen osalta.