Mitigation of the aviation sector – LCA of alternative fuels, and future scenarios

Abstract

Luftfartssektoren står per i dag for 2,5% av verdas årlege CO2 utslepp og 5% av det årlege bidraget til global oppvarming. Det er forventa at utslepp frå sektoren fortset å auke i takt med aukande flytrafikk. Effektive utsleppsreduserande tiltak må til dersom store utsleppskutt skal gjennomførast samtidig som flytrafikken skal fortsette å auke. Denne avhandlinga gjennomfører ein livsyklusanalyse av fossilt flydrivstoff, samt to typar syntetiske kraft-til-væske (PtL) flydrivstoff, for å samanlikne deira miljømessige eigenskapar og klimaendringspotensiale. I tillegg har eit sett med flyrepresentasjonar blitt utvikla ved bruk av BADA databasen. Både flyrepresentasjonane og resultata frå livssyklusanalysen har blitt inkludert i bestandskullmodellen utvikla i prosjektoppgåva for å oppdatere modellen. Den oppdaterte modellen gjev difor simuleringsresultat med ei høgare oppløysing og kvantifiserer utsleppsreduksjonspotensialet til PtL flydrivstoffa i stor skala. Resultata frå livssyklusanalysen viser eit potensial for global oppvarming (GWP) på 94 g CO2-ekv/MJ for fossilt flydrivstoff. For dei syntetiske PtL flydrivstoffa vart dei tilsvarande resultata på 19.9 og 22.2 g CO2-ekv/MJ. Implementeringa av resultata frå livssyklusanalysen i bestandskullmodellen avdekka at dersom 100% av alt drivstoffbruk frå verdas flyflåte var PtL flydrivstoff i 2050, så ville dette ført til utsleppsreduksjonar på 1524-1591 Mt CO2/år. Høgt elektrisitetsforbruk i produksjonen av PtL flydrivstoff gjer at ein andel på 30%, i tråd med IEA sine anslag, er meir realistisk for 2050. Dette vil føre til utsleppsreduksjonar på 457-477 Mt CO2/år i 2050. Ved å inkludere flyrepresentasjonane i bestandskullmodellen vart den sentrale rolla til flyrepresentasjon A5A tydeleggjort som ei viktig og allsidig brikke i den framtidige flyflåten. Til tross for at flyrepresentasjon A5A berre representerer ni flytypar i den globale flåten, så dekker den 31% av flytrafikken, 45% av alle flya i flåten og er ansvarleg for 24% av CO2 utsleppa i 2050. Dei tre største flyrepresentasjonane, A6-A8, speler òg ei sentral rolle ved å representere 21% av flyflåten, dekke 48% av flytrafikken og vera ansvarleg for 57% av CO2 utsleppa frå flyflåten i 2050. Resultata frå modellen viser at bruk av PtL flydrivstoff kan vera eit steg i riktig retning for å redusere utsleppa frå global flyfart. Til tross for dette er det tydeleg at ein heilskapeleg transformasjon av heile sektoren må til for å oppnå utsleppsreduksjonar i stor skala frå global luftfart.

The aviation sector is currently responsible for 2.5% of global CO2 emissions and 5% of net anthropogenic warming, and the sector's emissions are expected to further increase with the increasing air travel demand. Effective mitigation measures are required to ensure large-scale emissions reductions while simultaneously covering the increase in air travel demand. This thesis conducts a LCA of fossil jet fuel and two types of synthetic power-to-liquid (PtL) jet fuels to compare their environmental performance and climate change contributions. In addition, a set of nine generic aircraft representations has been derived from the BADA database. The generic aircraft representations and the LCA results are used to update the aircraft stock cohort model developed in the project pre-phase of the thesis. The updated model proves a higher resolution in the simulation results and quantifies the emission reduction potential of PtL jet fuels on a fleet-wide scale. The LCA results showed a GWP of 94.0 g CO2-eq/MJ for fossil jet fuel, compared to a GWP of 19.9 and 22.2 g CO2-eq/MJ for the PtL jet fuels. Implementation of the LCA results in the aircraft stock cohort model showed that using 100% PtL jet fuel in 2050 would reduce the fleet-wide CO2 emissions by 1524-1591 Mt CO2/year. High electricity consumption in PtL jet fuel production makes the 30% blend predicted by IEA more feasible, resulting in a reduction of 457-477 Mt CO2/year in 2050. Including the generic aircraft representations uncovered the importance of the versatile A5A aircraft representation in the future fleet. Despite only representing nine aircraft types in the fleet, the A5A aircraft representation covers 31% of the air travel demand, 43% of the fleet, and is responsible for 24% of the emissions in 2050. The largest aircraft representations, A6-A8, hold a crucial role in the future by representing 21% of the fleet, covering 48% of the demand and being responsible for 57% of the CO2 emissions in 2050. The simulation results of the updated aircraft stock cohort model show that the use of PtL jet fuels can be a step towards reducing emissions from the aircraft fleet. However, a comprehensive transformation of the entire sector is needed to lower future emissions from aviation substantially.