バイオマスから航空燃料を作る

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2021 年には、世界の二酸化炭素排出量は運輸部門から発生しており、航空が大きく貢献しています。 電気自動車の利用の増加は地上輸送の改善に貢献していますが、今日のバッテリーは、重量ポンドあたりに供給されるエネルギーの点で化石燃料由来の液体炭化水素に匹敵することができません。これは飛行に関しては大きな懸念事項です。 一方、予測される旅行需要の伸びに基づいて、ジェット燃料の消費量は現在から 2050 年までの間に 2 倍になると予測されています。2050 年までに国際航空業界はカーボンニュートラルを約束しています。

多くの団体が航空機用の 100% 持続可能な炭化水素燃料を目指してきましたが、あまり成功していません。 課題の 1 つは、航空燃料が非常に厳しく規制されていることです。 「これは、燃料の化学的性質と物理的特性の点で非常に特殊な要件を持つ燃料のサブクラスです。なぜなら、飛行機のエンジンで何か問題が起こるリスクを冒すことはできないからです」と、ロバート・T・ロジャース研究所のユーリー・ロマン＝レシュコフ氏は言う。ハスラム化学工学教授。 「高度 30,000 フィートを飛行している場合、外は非常に寒く、燃料が濃くなったり凍ったりすることは望ましくありません。 そのため、この処方は非常に具体的です。」

航空燃料は、2 つの大きなクラスの化合物の組み合わせです。 その約 75 ～ 90 パーセントは、炭素原子が長くつながった「脂肪族」分子で構成されています。 「これはディーゼル燃料に含まれるものと似ており、世の中に存在する古典的な炭化水素です」とロマン・レシュコフ氏は説明します。 残りの 10 ～ 25 パーセントは「芳香族」分子で構成されており、それぞれの分子には 6 個の結合した炭素原子で構成される少なくとも 1 つの環が含まれています。

ほとんどの輸送用燃料では、芳香族炭化水素が汚染源とみなされているため、可能な限り除去されています。 ただし、航空燃料では、混合物全体に必要な物理的および燃焼特性を設定するため、一部の芳香族分子が残存する必要があります。 また、もう 1 つの重要なタスクも実行します。航空機の燃料システムのさまざまなコンポーネント間のシールが確実に行われるようにします。 「芳香成分がプラスチックのシールに吸収されて膨張します」とロマン=レシュコフは説明します。 「何らかの理由で燃料が変化すると、シールも変化し、非常に危険です。」

結果として、芳香族化合物は必要な成分ですが、持続可能な航空燃料 (SAF) を作成する動きの障害にもなります。 企業は植物の非食用部分やその他の再生可能エネルギーから脂肪族画分を作る方法を知っていますが、持続可能な資源から芳香族画分を生成する承認された方法をまだ開発していません。 その結果、「混合の壁」が存在するとロマン＝レシュコフ氏は説明する。 「原料に関係なく、芳香族成分が必要なため、混合物の特性を変えずに使用できる持続可能な脂肪族炭化水素の量には常に限界があります。」 彼は、ガソリンにも同様の混合壁があることに注目しています。 「エタノールは大量にありますが、ガソリンの性質を変えずに10パーセント以上を追加することはできません。 実際、現在のエンジンは改造なしでは 15 パーセントのエタノールさえも処理できません。」

再生可能な原料が不足していない、またはそれを変換しようとしている

過去 5 年間、SAF 問題の理解と解決は、ロマン＝レシュコフ氏と彼の MIT チーム (マイケル L. ストーン博士'21、マシュー S. ウェバーら)、およびワシントン大学の共同研究者らによる研究の目標でした。州立大学、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)、および太平洋岸北西部国立研究所。 彼らの研究は、植物に構造的な支持と微生物や真菌に対する保護を与える丈夫な物質であるリグニンに焦点を当ててきました。 バイオマスの炭素の約 30 パーセントはリグニンに含まれていますが、バイオマスからエタノールが生成されると、リグニンは廃棄物として残ります。