Wat is nodig om de luchtvaartsector koolstofvrij te laten vliegen?
Vier vooraanstaande luchtvaartspecialisten geven het ontluisterende antwoord.
Triljoenen
Internationaal wordt erkend dat luchtvaart een zeer grote vervuiler is. Om die reden moet de uitstoot naar nul. De luchtvaartlobby houdt ons voor dat in 2050 de luchtvaart emissievrij is. Hoe kijken de luchtvaartwetenschappers hier tegenaan?
Dit is het ontluisterende antwoord: Om in het jaar 2050 dit te realiseren zijn triljoenen dollars aan gecoördineerde investeringen nodig. Om een beeld te krijgen: Een triljoen dollar is $ 1.000.000.000.000.000.000. En voor de verduurzaming van de luchtvaart zijn er 'meerdere triljoenen' nodig.
Samenvatting
- Het verbeteren van de verbrandingsefficiëntie is de meest effectieve aanpak om de uitstoot in het komende decennium te verminderen.
- Uit onderzoek van Bain blijkt dat een cumulatieve investering van 1,3 biljoen dollar in duurzame brandstofproductie slechts zou voldoen aan ongeveer 20% van de voorspelde vraag naar vliegtuigbrandstof in 2050.
- Batterij-elektrische aandrijving is de duidelijke winnaar op het gebied van systeemefficiëntie, waardoor het de optimale oplossing is om de luchtvaart op de lange termijn, ver na 2050, koolstofvrij te maken.
- Het is onwaarschijnlijk dat waterstof tegen 2050 een groot deel van de luchtvaartemissies zal compenseren, gezien de hoge productiekosten, de leveringsproblemen en de economische aspecten voor de exploitant.
Om vliegen duurzaam te maken, hebben verenigingen van luchtvaartmaatschappijen en een groeiend aantal regeringen zich ertoe verbonden om de koolstofuitstoot tegen 2050 tot nul te reduceren. Het is een enorme uitdaging. Om de commerciële luchtvaart binnen dat tijdsbestek koolstofvrij te maken, moet de sector de vloot drastisch vernieuwen met efficiëntere vliegtuigen en investeren in nieuwe aandrijvingstechnologieën. Maar elk van de drie belangrijkste technologieën om de uitstoot te verlagen - duurzame vliegtuigbrandstof (SAF), waterstof en volledig elektrische aandrijving - heeft te maken met grote, nagenoeg onoverkoombare obstakels.
Zonder grote wetenschappelijke doorbraken zal het langer duren om tot netto nul emissies te komen en zijn er compromissen nodig, vooral als het luchtverkeer blijft groeien. Ons onderzoek toont aan dat er geen duidelijke oplossing is om het grootste deel van de commerciële luchtvaart koolstofvrij te maken tegen 2050, zelfs als we uitgaan van grote technologische vooruitgang en kostenreductie. SAF, de meest veelbelovende optie. Deze is beperkt in beschikbaarheid en zal naar verwachting kostbaar blijven, ondanks stimuleringsmaatregelen van de overheid. Groene waterstof en elektrische aandrijving kunnen tegen 2050 haalbare alternatieven worden voor Jet A-brandstof voor kleine(re) vliegtuigen, maar niet voor het grootste deel van de commerciële vluchten.
Het bevorderen van alle drie de brandstofalternatieven zal triljoenen dollars aan gecoördineerde investeringen in O&O en hernieuwbare energiebronnen vergen. In feite zou die aanpak, zonder ongekende overheidssubsidies, de kosten van het vliegen verhogen en het aantal vliegreizen verminderen.
Voor leiderschapsteams uit de industrie kan het verleidelijk zijn om op meerdere fronten in te zetten, maar dit kan ook de vooruitgang vertragen. De meest effectieve oplossing op middellange termijn voor het terugdringen van de luchtvaartemissies is een verschuiving naar hybride-elektrische vliegtuigen aangedreven door SAF-mengsels. In de tweede helft van deze eeuw zullen batterij-elektrische vliegtuigen naar verwachting de zekerste weg zijn naar een koolstofvrije luchtvaart.
De overgang van de commerciële luchtvaart naar net zero zal lang en complex zijn. Veel aannames kunnen veranderen naarmate technologieën zich ontwikkelen. In het huidige klimaat, met een enorme druk op original equipment manufacturers en de rest van de industrie om snel te handelen, is het risico op afleiding en verspilde investeringen aanzienlijk. Strategieën die zijn ontworpen voor onzekerheid kunnen bedrijven helpen zich te concentreren op de juiste pragmatische stappen voorwaarts en goed gepositioneerd tevoorschijn te komen voor succes in een nieuw tijdperk.
Realiteitscheck
Nu de druk toeneemt om de luchtvaartemissies tegen 2050 tot nul te herleiden, wedden velen dat een combinatie van SAF, waterstof en elektriciteit dit mogelijk kan maken. Maar de meeste studies gaan voorbij aan de enorme kapitaaluitgaven die nodig zijn om alternatieve vliegtuigbrandstoffen levensvatbaar te maken, de beperkte beschikbaarheid van hernieuwbare energiebronnen en natuurlijke hulpbronnen om ze te produceren, de concurrentie met andere industrieën voor hetzelfde aanbod en de daaruit voortvloeiende impact op de kosten van vliegreizen.
De visie om de industrie koolstofvrij te maken tegen 2050 gaat uit van grote veronderstellingen. Ten eerste zouden luchtvaartmaatschappijen hun vliegtuigen drastisch moeten vernieuwen. Ten tweede zouden bedrijven en overheden triljoenen dollars moeten investeren in kapitaal om SAF te produceren en de noodzakelijke aanvoer van hernieuwbare energie te vergroten. Ten derde zouden luchthavens en luchtvaartmaatschappijen hun activiteiten ter plaatse moeten aanpassen om de uitdagingen op het gebied van veiligheid, logistiek en omlooptijden van deze nieuwe brandstoffen aan te kunnen.
De uiteindelijke winnaars in deze race zullen een strategische kijk hebben en begrijpen dat investeringen in toekomstige technologieën alleen lonend zijn als de juiste middelen ervoor worden ingezet. Dat betekent afwegingen maken. Veel bedrijven, overheden, luchtvaartmaatschappijen en andere belanghebbenden zetten hoog in op alle drie de technologieën, inclusief waterstof - een strategie die averechts kan werken als leidende teams ervan uitgaan dat ze tegen 2050 op grote schaal commercieel levensvatbaar zullen zijn.
Prioriteit nr. 1: Minder brandstof verbranden
Het verbeteren van de verbrandingsefficiëntie is de meest effectieve aanpak om de uitstoot in het komende decennium te verminderen. Ondanks de belofte van SAF zal het bouwen van de vereiste infrastructuur en het vergroten van het aanbod investeringen op een ongekende schaal - en tijd - vergen.
In het verleden hebben fabrikanten van commerciële vliegtuigen de brandstofefficiëntie jaarlijks met 1% verbeterd, waardoor de uitstoot per passagierkilometer is afgenomen en de kosten van vliegreizen zijn gedaald. Deze historische verbetering van de brandstofefficiëntie is echter niet genoeg om tot netto nul emissies te komen of om zelfs maar de uitstoot te compenseren die het gevolg is van de groei van het aantal reizen, waarvan wordt voorspeld dat deze 3% per jaar zal bedragen tot 2050. De industrie zal meer moeten investeren in O&O en de gemiddelde levenscyclus van vliegtuigen moeten verkorten. Nieuwe motorontwerpen zoals open rotors, nieuwe ontwerpen voor vliegtuigrompen en lichtere materialen kunnen het tempo helpen versnellen. Luchtvaartmaatschappijen kijken ook naar het optimaliseren van hun activiteiten, waaronder efficiëntere routes en alternatieve manieren om vliegtuigen te taxiën zonder gebruik te maken van motorvermogen.
De meest aantrekkelijke optie om de curve van brandstofefficiëntie om te buigen is het maken van hybride-elektrische vliegtuigen met externe elektrische propulsors. We zullen daar hieronder meer over vertellen.
SAF: De kwantitatieve uitdaging
Na verbeteringen in de brandstofefficiëntie van vliegtuigen is SAF een tweede veelbelovende optie om de uitstoot snel en aanzienlijk te verlagen. Het heeft twee belangrijke voordelen: Het kan Jet A vervangen met beperkte veranderingen aan vliegtuigen en infrastructuur, en het kan gebruikt worden voor alle soorten vluchten, inclusief langeafstandsvluchten. De meeste motoren zijn tegenwoordig al gecertificeerd voor het gebruik van een mengsel van 50% SAF en vliegtuigbrandstof, en certificering voor het gebruik van 100% SAF wordt verwacht voor het einde van dit decennium.
De meest voorkomende en rijpe SAF, hydroprocessed esters and fatty acids (HEFA), wordt gemaakt van bakolie en dierlijke vetten, die ook kunnen worden gebruikt om hernieuwbare diesel te produceren. Het grootste nadeel van HEFA is dat de grondstoffen beperkt zijn, waardoor het aanbod beperkt is en producenten minder kosten kunnen maken. We verwachten dat HEFA-brandstoffen in 2050 aan maximaal ongeveer 8% van de vraag naar Jet A-brandstof zullen voldoen.
Synthetische of e-brandstoffen die worden gemaakt door groene waterstof te combineren met koolstofdioxide uit de atmosfeer of industriële bronnen, zouden in theorie een onbeperkte capaciteit kunnen bieden als overheden en de industrie flink investeren om de aanvoer van hernieuwbare energie te vergroten. Toch is deze technologie nog niet bewezen op schaal.
Uit ons onderzoek blijkt dat zelfs met grote investeringen in biobrandstoffen en e-fuels, snelle technologische vooruitgang en aanzienlijke kostenreductie, het aanbod in 2050 ver achter zal blijven bij de vraag in de luchtvaart. Een cumulatieve investering van 1,3 biljoen dollar, bijvoorbeeld, zou het productievolume van SAF opschalen tot slechts ongeveer 20% van de verwachte vraag naar vliegtuigbrandstof in 2050. En er zou 10 biljoen dollar aan investeringen in productie en hernieuwbare energie nodig zijn om standaard vliegtuigbrandstof te vervangen (zie figuren 1 en 2).
Figuur 1 A t/mD
Figuur 2 - demand SAF (2025)
Zelfs met enorme investeringen zal het SAF-aanbod niet voldoende schaalbaar of kostenconcurrerend zijn om Jet A te vervangen tegen 2050.
De luchtvaartindustrie concurreert ook met andere industrieën, zoals de vrachtwagensector, voor toegang tot hernieuwbare brandstoffen. En voor raffinaderijen is het zonder overheidssteun minder rendabel om het aandeel SAF te verhogen in vergelijking met hernieuwbare diesel.
De rendabiliteit van de productie, vooral van e-fuels, zal mettertijd verbeteren, maar tot 2050 zal SAF waarschijnlijk meer dan twee keer zo duur blijven als het recente historische gemiddelde van Jet A (zie Figuur 3).
Figuur 3: Jet fual costs
De rendabiliteit van de SAF-productie zal na verloop van tijd verbeteren, maar zonder overheidssubsidies zullen alle routes duurder zijn dan de historische Jet A.
Het voordeel van elektrische stroom
Accu-elektrisch is de duidelijke winnaar in termen van systeemefficiëntie en verliest de minste schone hernieuwbare energie aan het ventilatorblad (zie Figuur 4). Dat maakt batterij-elektrische vliegtuigen de optimale oplossing voor het koolstofvrij maken van de luchtvaart op de lange termijn.
Figuur 4 Need of Enegery
Voor systeemefficiëntie is de accu de duidelijke winnaar van alle aandrijvingsvormen.
De luchtvaart zal ook profiteren van de vooruitgang op het gebied van batterijen in de automobielsector naarmate de overstap naar elektrische voertuigen versnelt. Geavanceerde demonstratiemodellen van luchtmobiliteit tonen al aan dat ze zeer korte volledig elektrische vluchten kunnen ondersteunen (minder dan 250 zeemijl of 460 kilometer).
Ook zijn veel vliegtuigsystemen in de loop der tijd steeds meer geëlektrificeerd, wat de overgang gemakkelijker maakt.
Een van de belangrijkste uitdagingen voor elektrische aandrijving:
- Het is onwaarschijnlijk dat de batterijdichtheid tot 2050 snel genoeg zal evolueren om de meeste vliegreizen die nu worden gemaakt met vliegtuigen met een smalle of brede romp van stroom te voorzien (zie figuur 5).
- Bijtanken vereist aanzienlijke investeringen in nieuwe luchthaveninfrastructuur en heeft invloed op de omlooptijden van vliegtuigen.
- Energiebronnen moeten groen zijn en er zal ook veel vraag naar zijn in andere industrieën.
Waterstof: Een gok
Airbus zet hoog in op waterstof om de luchtvaart koolstofvrij te maken en heeft het ambitieuze doel om tegen 2035 de eerste volledig op waterstof aangedreven vliegtuigen te produceren. Maar zelfs als alle huidige turboprops en de helft van de regionale jets vervangen zouden worden door waterstofvliegtuigen - een zeer optimistisch scenario - zou de omschakeling slechts 2% van de revenue passenger kilometers (RPK's) en 4% van de koolstofuitstoot aanpakken.
Voorstanders van waterstof noemen het potentieel om bijna alle kooldioxide en andere broeikasgassen uit de luchtvaart te halen. De uitdagingen om over te schakelen op waterstof zijn echter aanzienlijk. Om te beginnen is er een nieuwe vliegtuigarchitectuur nodig voor grotere tanks, vanwege de lage volumetrische energiedichtheid van waterstof. Luchtvaartmaatschappijen zouden daarom moeten kiezen tussen verlies van vliegbereik of passagierscapaciteit, wat het gebruik van waterstof grotendeels zou beperken tot regionale vliegtuigen.
Waterstof is ook moeilijk te vervoeren en duur om vloeibaar te maken. Luchthavens zouden de brandstofinfrastructuur moeten aanpassen om H2 vloeibaar te maken, een Hercules-taak. We schatten de kosten voor het ombouwen van 53 luchthavens in Europa op 50 miljard tot 65 miljard dollar. Met die investering zou slechts 10% van de regionale RPK's worden aangepakt, gelijk aan 1% van de wereldwijde RPK's.
Uit ons onderzoek blijkt dat het genereren van 9 miljoen ton groene waterstof tegen 2050 $ 250 miljard tot $ 400 miljard zou kosten, en dat volume zou maximaal slechts 5% van de verwachte RPK's dekken. Luchtvaartmaatschappijen zullen ook te maken krijgen met hevige concurrentie voor groene waterstof van andere industrieën die staan te popelen om hun activiteiten koolstofvrij te maken. Tenzij regeringen sterke mandaten geven om de aanvoer te garanderen, zal de luchtvaart moeite hebben om toegang te krijgen tot groene waterstof. Zelfs als goedkope groene waterstof in 2050 op grote schaal beschikbaar is, is alleen al de prijs van het vloeibaar maken door afkoeling tot negatieve 250 graden Celsius hoger dan de recente historische gemiddelde prijs van vliegtuigbrandstof (zie figuur 6).
Fig. 6: Green hydrogen production
Landelijke kostenscenario's voor de levering van vloeibare groene waterstof aan een vliegtuig
Kortom, de kosten, de bevoorradingsproblemen en de economische aspecten van de exploitant maken het onwaarschijnlijk dat waterstof tegen 2050 een aanzienlijk deel van de luchtvaartemissies zal compenseren.
Een weg vooruit
De strategie die de luchtvaart het meest koolstofvrij zal maken tegen 2050 combineert snellere verbeteringen in brandstofefficiëntie met versnelde vlootvernieuwing, maximaal gebruik van SAF - zoveel als de industrie kan krijgen - en hybride-elektrische vliegtuigen. We verwachten dat waterstof slechts een beperkte rol zal spelen.
In de jaren 2030 verwachten we de introductie van een nieuwe generatie vliegtuigen met één gangpad die ontworpen zijn voor meer efficiëntie met evolutionaire motorontwikkelingen. Maar de sleutel tot het uitfaseren van Jet A is de ontwikkeling van SAF's die verder gaan dan HEFA en de opschaling van e-fuels tegen redelijke kosten.
Hybride elektrische vliegtuigen combineren evolutionaire efficiëntiewinst met het emissievoordeel van elektrische aandrijving. In het bijzonder zouden hybride vliegtuigen met externe elektrische propulsors helpen om piekbelastingen op te vangen in verschillende vluchtfasen, zoals bij het opstijgen, om een grotere efficiëntie mogelijk te maken met behoud van redundante energiebronnen. Ze zouden ook minder weerstand op de luchtgrenslaag mogelijk maken, wat volgens NASA's Glenn Research Center het brandstofverbruik met wel 8% tot 9% zou kunnen verminderen in vergelijking met vliegtuigen die vandaag de dag vliegen. Hybride-elektrische vliegtuigen zouden voorlopig ook de noodzaak van oplaadoperaties op de grond beperken, omdat hybride motoren tijdens de vlucht opladen.
Waar in te investeren?
Als leiderschapsteams dit complexe en veranderende landschap beoordelen, is hun topprioriteit het nemen van de juiste investeringsbeslissingen voor de komende decennia en het kiezen van de manier waarop incrementele investeringen worden toegewezen. Leiders in de luchtvaartindustrie streven naar de grootst mogelijke emissiereductie door een strategie te volgen die is ontworpen voor onzekerheid. Dat betekent dat kapitaal wordt ingezet voor winnende technologieën, dat er wordt geïnvesteerd in 'no-regrets' maatregelen en dat er selectief wordt geïnvesteerd in 'big bets' naarmate de technologieën zich verder ontwikkelen.
Dit zijn de eerste elementen van die strategieën in de belangrijkste subsectoren van de sector.
Fabrikanten van commerciële luchtvaart
- De historische trend om brandstofefficiëntie te verbeteren voorbijstreven door baanbrekende vooruitgang te boeken in vliegtuig- en motortechnologieën, waaronder hybride-elektrische architecturen.
- Beslissen waar grote investeringen te doen versus afdekkingen. Onderzoeken of het beperken van investeringen nu een optie is voor sommige technologieën, zoals waterstof.
- Snoei bedrijfsportefeuilles in en kies voor een zero-based benadering om de prestaties te verbeteren (Zero-Based Redesign) om geld vrij te maken voor herinvestering.
- Bedrijfsmodellen aanpassen om innovatie te bevorderen, de productiviteit van talent te verbeteren en nieuwe capaciteiten te ontwikkelen, zowel intern als via fusies en overnames en partnerschappen.
Luchtvaartmaatschappijen
- De vernieuwing van de vloot versnellen, met als doel tegen 2050 minstens twee generaties efficiëntere vliegtuigen in gebruik te nemen.
- Promoot het gebruik van SAF. Geef klanten de optie om voor SAF te kiezen en bied stimulansen. Investeer mee om SAF te ontwikkelen en verplicht je om delen van de toekomstige SAF-voorraad aan te kopen.
- Stel ambitieuze doelen om de operationele efficiëntie in de lucht (bijv. optimalisatie van de luchtverkeersleiding) en op de grond (bijv. het koolstofvrij maken van luchthavenactiviteiten) te verbeteren.
Overheden en brancheorganisaties
- Stimulansen zoals groene obligaties en subsidies uitbreiden om de infrastructuur voor hernieuwbare energie op te schalen. Stimuleer investeringen in SAF's van de tweede generatie, naast HEFA, en e-brandstoffen.
- Creëer stimulansen voor producenten van duurzame brandstoffen om de SAF-productie voor de luchtvaart te verhogen, om het economische voordeel van het gebruik van dezelfde grondstoffen voor de productie van hernieuwbare diesel voor vrachtwagens te overwinnen.
- Stel realistische verwachtingen op voor het bereiken van netto nul emissies. Een emissieloze doelstelling voor 2050 moet rekening houden met de waarschijnlijke gevolgen van hogere ticketprijzen en een lagere groei van het luchtverkeer.
- Ondersteun de creatie van functionele, wereldwijde book-and-claimsystemen die de wereldwijde vraag van bedrijven naar SAF bundelen. Het doel: de kosten verlagen door de vraag te stimuleren.
Brandstofleveranciers
- Investeer naast HEFA in SAF's van de tweede generatie met minder aanbodbeperkingen, samen met e-brandstoffen. Overweeg om lid te worden van een consortium van kapitaalverstrekkers om risico's te delen.
- Sluit je aan bij de inspanningen van de industrie om grootschalige SAF-ontwikkeling te stimuleren.
Door Jim Harris, Jérémie Danicourt, Adam Papania en Austin Kim
Over de schrijvers
- Jim Harris is co-leider van de Global Aerospace, Defense & Government Services praktijk van het bedrijf.
- Jérémie Danicourt, partner bij adviesbureau Bain & Company. Hij presenteert ons de doorslaggevende prioritaire energiekeuzes in de luchtvaartsector.
- Austin Kim maakt deel uit van onze Aerospace & Defense praktijk.
- Adam Papania adviseert zakelijke klanten en investeerders op het gebied van Advanced Manufacturing & Services, met de nadruk op commerciële luchtvaart en energie.
Nawoord BTV
Dit artikel, geschreven vanuit een Amerikaans perspectief, beperkt zich tot het terugdringen van de fossiele brandstof. Het schrijft wel dat er triljoenen dollars geïnvesteerd moet worden in de voorziening van groene elektriciteit voor alleen de luchtvaart.
- Het hybride elektrisch vliegen verminderd de verbranding van de fossiele brandstof, maar voldoet nog steeds niet aan de eis om tot nul te reduceren.
- Het artikel laat buiten beschouwing dat, wanneer de volledige huidige vloot van vliegtuigen wordt vervangen, er wereldwijd honderdduizenden traditionele vliegtuigen moeten worden gesloopt. De restwaarde van deze toestellen is dus negatief, vanwege de sloopkosten.
- Tot slot, viegtuigen op SAF brandstof of elektrisch aangedreven produceren nog steeds veel herrie. Daarnaast is de verbranding van SAF een andere vorm van vervuiling omdat ook dit (ultra)fijnstof produceert, CO2 en stikstof.
- De luchtvaartdeskundigen beschrijven dat een groei van 3% per in vliegbewegingen ‘vanzelfsprekend’ is. Deze stelling wordt niet onderbouwd en wordt vooral ingegeven vanuit het groei-denken die de luchtvaartsector voor zichzelf hanteert. De werkelijke wijze van minder uitstoot, minder energieverbruik en minder overlast is veel simpeler: minder vliegen.
- Het is vanuit dat oogpunt ook realistisch dat alle kosten van verduurzaming voor 100% worden doorberekend in de vliegtickets. De stelling is immers, de vervuiler betaalt. Niet de gedupeerde omwonenden.
Vertaald met dmv Deepl.com
Bron: Bain.com, 12 december 2022