Environmental performance of maritime e-fuels based on life cycle assessment

Abstract

The maritime sector is important for the global trade, and it is in a transitioning phase to meet the ever-tightening emission restrictions. In terms of reducing noise pollution and particulate matter, electrification is the best alternative to decarbonize maritime and port sectors. However, electrifying long-distance vessels is challenging, and therefore renewable and low-carbon solutions are needed to bridge the gap.

This thesis investigates the environmental impacts of e-fuels in maritime sector, with a focus on GWP100, and acidification and eutrophication potential. With low-carbon electricity, life cycle GHG emissions of e-hydrogen, e-methanol and e-ammonia varies from 9.7 to 20.1 g CO2eq./MJ, which all achieve 70% GHG reduction target set in RED III. With very low-carbon electricity, e-methane’s well to gate emission is 27.9 g CO2eq./MJ, but combustion of methane increases the total emissions close to conventional levels. E-hydrogen, e-methanol and e-methane can reduce acidification and eutrophication significantly when compared to conventional fuels. However, e-ammonia suffers from fugitive and unburnt ammonia emissions, which increase significantly total AP and EP of e-fuel in question.

Attractivity of e-fuel production is highly dependent on emission factor of used electricity, storage and distribution options, leakage control and energy conversion possibilities. CO2 emissions from combustion of e-fuels that are produced from atmospheric carbon can be considered carbon neutral, which reinforce the value proposition of low-emission e-fuels in achieving emissions reduction targets. However, if e-fuels are combusted, flue gas cleaning is needed to reduce NOx emissions. Replacing combustion engines with fuel cells prevents any combustion emissions from forming. Hence, actions to reduce carbon footprint of electricity and to avoid fugitive and combustion emissions are needed.

Merenkulku on keskeinen osa maailman kauppataloutta, ja ala on siirtymävaiheessa vastatakseen yhä tiukentuviin päästörajoituksiin. Merenkulun ja satamatoiminnan sähköistäminen on paras vaihtoehto torjua melusaastetta sekä pienhiukkas- että hiilidioksidipäästöjä. Pitkänmatkan alusten sähköistäminen on kuitenkin haastavaa, ja siksi tarvitaan uusiutuvia ja vähähiilisiä ratkaisuja siirtymävaiheeseen.

Vähähiilisellä sähköllä tuotetun e-vedyn, e-metanolin ja e-ammoniakin elinkaarenaikaiset kasvihuonekaasupäästöt ovat 9.7 – 20.1 g CO2eq./MJ, saavuttaen RED III:ssa asetetun 70 % päästövähennystavoitteen. Erittäin vähähiilisellä sähköllä e-metaanin kehdosta portille päästöt saavuttavat KHK-päästöjen vähennystavoitteen, mutta poltonaikaiset päästöt nelinkertaistavat metaanin päästöt. E-vety, e-metanoli ja e-metaani vähentävät huomattavasti happamoitumista ja rehevöitymistä verrattuna fossiilisiin vaihtoehtoihin. Ainoastaan e-ammoniakki aiheuttaa fossiilisia polttoaineita suuremman happamoitumis- ja rehevöitymisriskin hajapäästöjen ja poltonaikaisten päästöjen takia.

E-polttoaineiden houkuttelevuus riippuu voimakkaasti käytetyn sähkön päästökertoimesta, varastoinnista, vuotojen ja hajapäästöjen torjumisesta sekä energian käyttöönottoteknologiasta. Ilmakehän hiiltä sitovien polttoaineiden CO2-päästöt voidaan tulkita hiilineutraaleiksi, mikä edistää päästövähennystavoitteiden saavuttamisesta. Palamisreaktiossa muodostuu kuitenkin NOx-päästöjä, jotka voidaan puhdistaa erilaisin menetelmin. Polttomoottoreiden korvaaminen polttokennoilla eliminoi kuitenkin poltosta aiheutuvat päästöt. Näin ollen, sähkön hiilijalanjälkeä on saatava pienennettyä ja e-polttoaineiden hajapäästöjä sekä vuotoja täytyy ehkäistä.