Alcohol als brandstof
wat zijn de uitdagingen en mogelijkheden?
Alcohol brandstoffen zijn interessant en belangrijk in het kader van de energietransitie, omdat er bij de verbranding geen zwaveloxiden en fijnstof vrijkomen, zoals bij de verbranding van dieselolie. De alcohol brandstof methanol wordt binnen de internationale scheepvaartindustrie zelfs gezien als één van de meest haalbare 'schone' opties die grootschalig toegepast kan worden. In dit artikel zetten we de alcohol brandstoffen die in motoren gebruikt kunnen worden op een rij en bespreken we de uitdagingen en (toekomstige) mogelijkheden.
Het verschil tussen alcohol brandstoffen en hernieuwbare diesels
Alcohol brandstoffen hebben, in tegenstelling tot de hernieuwbare diesels HVO en BTL, weinig tot geen smerende eigenschappen. Dat is een uitdaging voor hogedruk brandstofinjectiesystemen en andere systemen waarvoor smering nodig is. Denk onder andere aan de brandstofinjectiepompen en de brandstofinjectoren – alle bewegende delen hebben smering nodig. Dit neemt echter niet weg dat verbrandingsmotoren goed kunnen draaien op alcohol brandstoffen, waarbij er dus geen zwaveloxiden (SOx) en fijnstof (PM) uitgestoten worden.
Katalysator voor het uitfilteren van stikstofoxiden
Vanwege de hoge verbrandingstemperaturen ontstaan er bij het gebruik van alcohol brandstoffen wel stikstofoxiden (NOx). Dat zijn verbindingen die bestaan uit stikstof (N) en zuurstof (O). De verwachting is wel dat het gehalte stikstofoxiden lager zal zijn, maar dat hangt ook af van de motorafstellingen. Daarnaast kan er bij onvolledige verbranding formaldehyde (CH2O) gevormd worden, een gas met een sterke, onaangename geur. De oplossing hiervoor is een katalysator, die de uitlaatgassen ontdoet van deze schadelijke stoffen.
Alcohol brandstoffen die in motoren gebruikt kunnen worden
Methanol
Productie
Methanol is een alcoholsoort die niet geschikt is voor consumptie. Het is één van de meest gebruikte grondstoffen in de chemische industrie. Van bijna de helft van alle methanol wordt formaldehyde gemaakt, wat een grondstof is voor onder andere lijmen, verfproducten en kunststoffen.
Methanol is echter ook geschikt als brandstof en kan gebruikt worden in motoren en brandstofcellen en bij het productieproces van biodiesel (plantaardige dieselolie). Tot op heden wordt de meeste methanol gewonnen uit aardgas en kolen (zwarte methanol), maar groene methanol is in opkomst. Daarover verderop meer.
Emissies en toepassing
Het grote voordeel van een alcohol brandstof zoals methanol is dat het geen zwavel bevat. Bij de verbranding komen er dus geen zwaveloxiden vrij, maar ook geen fijnstof. Het beetje fijnstof uitstoot dat er is, komt uit het smeerolieverbruik van de motor en door de pilot injectie. Het komt dus niet uit de methanol, die verbrandt schoon, wat ook betekent dat de uitlaatgas-nabehandeling minder complex en kleiner kan zijn dan bij dieselmotoren.
Methanol is een relatief veilige brandstof, die vloeibaar is bij omgevingstemperatuur en daardoor goed gebunkerd kan worden. Omdat de temperatuur waarbij methanol begint te verdampen lager is dan die van dieselolie gelden er wel aanvullende veiligheidsvoorschriften. Daar moet je dus rekening mee houden, maar dat staat het grootschalig opslaan en gebruiken niet in de weg.
Omdat methanol vloeibaar is, net zoals dieselolie, is het een grote kanshebber om die dieselolie te vervangen. De eigenschappen van methanol verschillen echter wel behoorlijk van dieselolie. De motoren, de brandstofsystemen en de brandstofopslag moeten dan ook aangepast worden voordat je het kunt gebruiken. Bestaande schepen ombouwen kan daardoor kostbaar zijn en is niet altijd mogelijk.
Wat is groene methanol?
Een klein, maar groeiend percentage methanol wordt geproduceerd uit hernieuwbare grondstoffen, zoals biomassa. Deze methanol wordt groene methanol genoemd omdat er bij de productie sprake is van een koolstofkringloop (de natuurlijke kringloop van koolstof tussen aardoppervlak en atmosfeer). Groene methanol heeft dezelfde samenstelling als de methanol die uit fossiele brandstoffen wordt geproduceerd en is dus goed te gebruiken in verbrandingsmotoren.
Bio-ethanol
Productie
Bio-ethanol is de alcohol die in alcoholische dranken zit. Synthetische ethanol wordt gebruikt in oplosmiddelen, kunststoffen, medicijnen, parfums, antibacteriële gels en cosmetica, omdat het gemakkelijk oplost in water en andere organische verbindingen.
Synthetische ethanol wordt gemaakt van aardolie. Bio-ethanol wordt geproduceerd door vergisting van de suikers die van nature in onder andere granen zitten en daar zit ook meteen de beperking. Want het is niet duurzaam om nog meer vruchtbare grond te gebruiken voor de productie van de grondstoffen voor bio-ethanol (koolzaad, suikerbiet en suikerriet en granen zoals mais en tarwe), in plaats van voor voedsel. Maar dat zou wel nodig zijn als je het grootschalig wilt gebruiken als brandstof voor de scheepvaartindustrie.
Emissies en toepassing
Net als methanol is pure ethanol zeer brandbaar, met relatief schone verbrandingsproducten (de stoffen die ontstaan bij de verbranding van een brandstof). In Brazilië rijden veel auto's op bio-ethanol en onder andere in Nederland wordt het bijgemengd in Euro 95 benzine (E10). Voor puur gebruik in dieselmotoren zijn dezelfde aanpassingen nodig als voor methanol.
DME (DiMethyl Ether)
Productie
DiMethyl Ether is een gasvormige ether. Voor de productie van DME is een aantal stappen nodig. Het begint met biomassa. Die wordt droger en compacter gemaakt en met behulp van stoom omgezet in een gasmengsel van kooldioxide, koolmonoxide en waterstof.
Daarna wordt het omgezet in methanol met behulp van een katalysator en vervolgens tot DME gedehydrateerd. DME wordt gebruikt in huishoudelijke chemicaliën, spuitbussen, spuitverf, lakken, montageschuim en polystyreen schuim en is ook geschikt als brandstof.
Emissies en toepassing
Bij de verbranding van DME komt er CO2 vrij, maar die valt binnen de koolstofkringloop als je het van biomassa en duurzame waterstof maakt. Daarnaast heeft DME een lage zelfontbrandingstemperatuur, waardoor er bij gebruik in een reguliere dieselmotor geen pilot brandstof nodig is voor de ontsteking (de vloeistof die de motor helpt met het ontsteken van de brandstof).
Het gebruik van DME in verbrandingsmotoren wordt wereldwijd door auto- en vrachtwagenfabrikanten onderzocht. Een groot nadeel is echter dat het onder druk gehouden moet worden om vloeibaar te blijven op omgevingstemperatuur, waardoor het lastiger te gebruiken is en de opslagsystemen veel duurder maakt. Daarnaast zijn de beschikbaarheid en het distributienetwerk van DME een stuk minder dan van bijvoorbeeld methanol.
Welke alcohol brandstof heeft de toekomst?
Wij denken dat methanol de alcohol brandstof van de toekomst wordt voor maritieme toepassingen. Waarom wordt duidelijk als je de voornaamste nadelen en voordelen van de verschillende soorten alcohol brandstoffen op een rij zet.
We zijn nog niet zo ver dat methanol net zo kostenefficiënt en grootschalig geproduceerd en toegepast kan worden als fossiele brandstoffen, maar de verschillen worden wel steeds kleiner door de sterk gestegen fossiele brandstofprijzen.
De nadelen en voordelen van 3 alcohol brandstoffen op een rij
1. Bio-methanol en e-methanol
| Nadelen | Voordelen |
| Giftig, waardoor er strengere veiligheidsvoorschriften nodig zijn | Meerdere methodes om het te produceren |
| Omdat de energiedichtheid iets lager is dan van de andere twee alcohol brandstoffen moet een schip er meer van meenemen | Schaalbaar |
| Bevat geen zwavel | |
| Goed te bewaren | |
| Vloeibaar bij omgevingstemperatuur, waardoor het net als dieselolie gebunkerd kan worden | |
| Relatief schone verbrandingsproducten |
2. Bio-ethanol
| Nadelen | Voordelen |
| Niet schaalbaar, omdat het grotendeels geproduceerd wordt door suikerfermentatie | Bevat geen zwavel |
| Het productieproces is dus afhankelijk van één type feedstock, waarvoor grond nodig is die je liever gebruikt voor de productie van voedsel | Niet giftig |
| De voor de scheepvaartindustrie benodigde hoeveelheid bio-ethanol kan gezien voorgaande niet geproduceerd worden | Goed te bewaren |
| Tijdens het productieproces wordt 45% van de feedstock omgezet in CO2 | Vloeibaar bij omgevingstemperatuur, waardoor het net als dieselolie gebunkerd kan worden |
| Relatief schone verbrandingsproducten |
3. DME (gasvormige ether)
| Nadelen | Voordelen |
| Tijdens het productieproces wordt methanol tot DME gedehydrateerd, wat eigenlijk inefficiënt is: je maakt van een goed bruikbare brandstof een andere brandstof | Schaalbaar |
| Omdat het een gas is, moet het onder druk gehouden worden om vloeibaar te blijven bij omgevingstemperatuur, waardoor het lastiger te gebruiken is en de opslagsystemen veel duurder zijn | Bevat geen zwavel |
| Niet giftig | |
| relatief schone verbrandingsproducten |
Proof of concept en dual-fuel methanol/diesel aangedreven sleepboten
Als proof of concept hebben wij als Pon Power in 2020 een Cat motor op methanol laten draaien. Dat was een groot succes. Het concept was niet bedoeld om op de markt te brengen, maar het heeft ons geholpen om beter te begrijpen hoe het werkt en welke uitdagingen we nog hebben.
Verder hebben Damen Shipyards, Caterpillar Inc en Pon Power in november 2022 een Memorandum of Understanding ondertekend voor de gezamenlijke ontwikkeling van een serie dual-fuel methanol/diesel aangedreven sleepboten. Het doel van de samenwerking is gezamenlijk leren hoe (groene) methanol optimaal ingezet kan worden als brandstof op schepen, inclusief alle aspecten rondom bunkeren, opslag, beheer en vermogen.
Meer informatie
Wil je meer weten over methanol en het gebruik van alternatieve brandstoffen in Caterpillar motoren? Neem dan contact op met ons via onderstaand formulier.