Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

ملخص تقني: تقييم دورة حياة إنتاج وقود الطائرات من زيوت النفايات عبر عملية HEFA مع التوليد المشترك المتكامل

بيان المشكلة
يواجه إنتاج وقود الطائرات المستدام (SAF) من زيوت النفايات عبر عملية الهدرجة الإسترية للأحماض الدهنية (HEFA) تحديات تتعلق باعتمادها على الكهرباء والهيدروجين الخارجيين، مما قد يقوض استدامتها البيئية الإجمالية. ومع انتقال قطاع الطاقة العالمي نحو إزالة الكربون، تبرز حاجة ماسة لتقييم كمي لكيفية تأثير دمج التوليد المشترك للحرارة والطاقة (co-generation) واستبدال مصادر الهيدروجين على الأداء البيئي لدورة حياة إنتاج وقود الطائেনের المستدام. تعالج هذه الدراسة الفجوة في فهم المقايضات بين مسارات HEFA التقليدية ونظام HEFA-PG (الطاقة والغاز) المتكامل في ظل سيناريوهات انتقال الطاقة المستقبلية، وتحديداً في سياق تطور شبكة الكهرباء وإنتاج الهيدروجين في الصين.

المنهجية
تستخدم الدراسة تقييماً لدورة الحياة (LCA) من المهد إلى اللحد (Cradle-to-Grave) وفقاً لإطار عمل ISO 14040. تم تحديد الوحدة الوظيفية بإنتاج 100 طن من وقود الطائرات الحيوي.

• حدود النظام: يغطي التحليل جمع زيوت النفايات ونقلها، والمعالجة الأولية، والإنتاج (الهدرجة والمعالجة المائية)، والتوزيع، والاستخدام النهائي. تم نمذجة مسارين: عملية HEFA تقليدية، وعملية HEFA-PG المتكاملة مع وحدة توليد مشتركة للحرارة والطاقة (CHP).
• المحاكاة والبيانات: أُجريت عمليات محاكاة للعمليات باستخدام برنامج Aspen Plus لتحديد تدفقات المواد والطاقة. جُمعت بيانات جرد دورة الحياة (LCI) بناءً على هذه المحاكاة والمعايير الإقليمية لمنطقة بكين-تيانجين-هبي.
• تقييم الأثر: استُخدمت طريقة ReCiPe 2016 لتقييم التأثيرات البيئية عبر ستة مؤشرات وسيطة (إمكانية الاحترار العالمي [GWP]، إمكانية تشكل الجسيمات [PMFP]، إمكانية التحمض الأرضي [TAP]، إمكانية التخثث في المياه العذبة [FEP]، إمكانية السمية البشرية [HTP]، وإمكانية استنفاد الوقود الأحفوري [FFP]) وثلاثة مؤشرات نهائية (توافر الموارد، تنوع النظم البيئية، وصحة الإنسان).
• التخصيص والسيناريوهات: طُبق التخصيص القائم على الكتلة على عملية HEFA التقليدية للمنتجات الثانوية، بينما استخدمت عملية HEFA-PG نهج "الأعباء المتجنبة" للكهرباء المولدة داخلياً. كما أُجريت تحليلات الحساسية لتقدير الأداء البيئي تحت سيناريوهات إزالة الكربون من شبكة الكهرباء (2030–2060) وللمقارنة بين الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي والهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي المدعوم بطاقة الرياح.

المساهمات الرئيسية والنتائج
تقدم الدراسة تحليلاً مقارناً للأعباء البيئية لـ HEFA التقليدية، وHEFA-PG المتكاملة، وكيروسين الطائرات القائم على الوقود الأحفوري.

1. أداء HEFA-PG مقابل HEFA التقليدية:

   • تُظهر عملية HEFA-PG مزايا بيئية كبيرة مقارنة بمسار HEFA التقليدي. فمن خلال توليد كهرباء خضراء داخلية، يحقق نظام HEFA-PG انخفاضاً صافياً في الاحترار العالمي (GWP) ليصل إلى حوالي 66% من خط الأساس لـ HEFA التقليدي.
   • توفر مرحلة التوليد المشترك المتكاملة تأثيراً تعويضياً بنسبة 35% تقريباً لمؤشرات FEP وHTP وFFP.
   • فيما يتعلق بتشكل الأوزون، تقلل عملية HEFA-PG المساهمات من 80% (في HEFA التقليدي) إلى حوالي 10%، مما يخفف بشكل كبير من تشكل الأوزون على مستوى الأرض.

2. المقارنة مع كيروسين الطائرات الأحفوري:

   • يُظهر كلا مساري وقود الطائرات الحيوي أداءً بيئياً متفوقاً بمراحل مقارنة بكيروسين الطائرات الأحفوري. حيث انخفض الاحترار العالمي (GWP) لمساري HEFA وHEFA-PG إلى 13.3% و7.2% من خط الأساس الأحفوري، على التوالي.
   • يسجل مسار HEFA-PG أدنى عبء بيئي عبر جميع الفئات، بما في ذلك TAP وPMFP، يليه مسار HEFA، بينما يسجل الوقود الأحفوري النسبة الأعلى.

3. تأثير إزالة الكربون من شبكة الكهرباء (2030–2060):

   • مع تنظيف الشبكة الكهربائية، ينخفض الاحترار العالمي (GWP) لعملية HEFA التقليدية تدريجياً بسبب انخفاض كثافة الكربون في الكهرباء المشتراة.
   • وعلى العكس من ذلك، تتضاءل ميزة الاحترار العالمي لعملية HEFA-PG بمرور الوقت. فمع إزالة الكربون من الشبكة، تقل فائدة الائتمان الكربوني الناتج عن إزاحة كهرباء الشبكة، مما يؤدي إلى تجاوز GWP لعملية HEFA-PG لعملية HEFA التقليدية بحلول عام 2060.
   • ومع ذلك، تحافظ عملية HEFA-PG على ميزة قوية في POFP (تخفيضات >80%) وتظل أقل حساسية لتغيرات الشبكة فيما يتعلق بـ HTP، حيث تتركز عبئها السمي في لوجستيات المواد الخام وإنتاج الهيدروجين بدلاً من توليد الكهرباء.

4. استبدال الهيدروجين الأخضر:

   • يؤدي استبدال الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي المدعوم بطاقة الرياح إلى خفض إضافي في الاحترار العالمي (GWP) لكلا المسارين.
   • مقايضة حرجة: رغم الفوائد الكربونية، يؤدي الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي إلى إمكانية سمية بشرية (HTP) تزيد بأكثر من أربعة أضعاف عن الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي. ويعزى هذا الارتفاع أساساً إلى الأحمال البيئية المرتبطة بمخلفات الكبريتيد خارج الموقع الناتجة عن تصنيع معدات طاقة الرياح.
   • في ظل الظروف التقنية الحالية، يقدم الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي أداءً بيئياً شاملاً متفوقاً ضمن نظام HEFA-PG. ولا يمكن تخفيف العيوب السمية للهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي إلا من خلال التصنيع الأنظف لمعدات الرياح أو مراجعة تخصيص الأعباء البيئية بين المنتجات الثانوية.

الأهمية والادعاءات
تزعم الورقة أن عملية HEFA-PG هي تصميم فعال للغاية لعمليات انتقال الطاقة في المدى القريب إلى المتوسط، حيث توفر فوائد كبيرة في خفض الانبعاثات من خلال الكهرباء المولدة مشتركاً. ومع ذلك، تؤكد الدراسة أن التفوق البيئي طويل الأمد لهذا النظام المتكامل يعتمد على وتيرة إزالة الكربون من شبكة الكهرباء.

علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على تفصيل دقيق في اعتماد الهيدروجين "الأخضر": فبينما يقلل الهيدروجين المدعوم بطاقة الرياح من البصمات الكربونية، فإنه قد يزيد دون قصد من مخاطر السمية البشرية بسبب التأثيرات التصنيعية في المراحل العليا. وبناءً على ذلك، يؤكد المؤلفون أنه في ظل القيود التقنية الحالية، تظل إعادة تشكيل الغاز الطبيعي هي المصدر الأكثر توازناً بيئياً للهيدروجين لإنتاج وقود الطائرات المستدام. وتحدد الدراسة أن جمع ونقل المواد الخام وإنتاج الهيدروجين هما بؤر التركيز البيئي الأساسية، مما يشير إلى أن التحسينات المستقبلية يجب أن تركز على التصنيع الأنظف لمعدات الرياح واستراتيجيات تخصيص المنتجات الثانوية المثلى لتحقيق الإمكانات الكاملة للهيدروجين الأخضر في قطاع وقود الطائرات المستدام.