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

Technische Zusammenfassung: Lebenszyfanalyse der Produktion von Abfallöl-zu-Jet-Fuel über den HEFA-Prozess mit integrierter Kraft-Wärme-Kopplung

Problemstellung
Die Produktion von nachhaltigem Flugkraftstoff (Sustainable Aviation Fuel, SAF) aus Abfallölen mittels des Hydroprozessierung von Estern und Fettsäuren (HEFA-Verfahren) steht derzeit vor der Herausforderung, dass sie von externem Strom und Wasserstoff abhängig ist, was die allgemeine ökologische Nachhaltigkeit untergraben kann. Da der globale Energiesektor den Übergang zur Dekarbonisierung vollzieht, besteht ein kritischer Bedarf an einer quantitativen Bewertung, wie die Integration von Kraft-Wärme-Kopplung (Co-Generation) und der Ersatz von Wasserstoffquellen die lebenszyklusbezogene Umweltleistung der SAF-Produktion beeinflusst. Diese Studie adressiert die Wissenslücke im Verständnis der Zielkonflikte zwischen konventionellen HEFA-Pfaden und einem integrierten HEFA-PG-System (Power and Gas) unter zukünftigen Energietransformationsszenarien, insbesondere im Kontext der sich entwickelnden Stromnetzlandschaft Chinas.

Methodik
Die Studie verwendet eine Cradle-to-Grave-Lebenszyfanalyse (LCA) gemäß dem ISO 14040-Rahmenwerk. Die funktionelle Einheit ist definiert als die Produktion von 100 Tonnen Bio-Jet-Fuel.

• Systemgrenzen: Die Analyse umfasst die Sammlung und den Transport von Abfallölen, die Vorbehandlung, die Produktion (Hydrierung und Hydroprocessing), den Vertrieb und die Endnutzung. Es werden zwei Pfade modelliert: ein konventioneller HEFA-Prozess und ein HEFA-PG-Prozess, der mit einer Kraft-Wärme-Kopplungseinheit (CHP) integriert ist.
• Simulation und Daten: Prozesssimulationen wurden mit Aspen Plus durchgeführt, um Stoff- und Energieströme zu bestimmen. Daten zur Lebenszyklisinventar (LCI) wurden basierend auf diesen Simulationen und regionalen Parametern für die Region Peking–Tianjin–Hebei zusammengestellt.
• Wirkungsabschätzung: Die ReCiPe 2016-Methode wurde verwendet, um die Umweltauswirkungen über sechs Midpoint-Indikatoren (Global Warming Potential [GWP], Particulate Matter Formation Potential [PMFP], Terrestrial Acidification Potential [TAP], Freshwater Eutrophication Potential [FEP], Human Toxicity Potential [HTP] und Fossil Fuel Depletion Potential [FFP]) und drei Endpoint-Indikatoren (Ressourcenverfügbarkeit, Ökosystemdiversität und menschliche Gesundheit) zu bewerten.
• Allokation und Szenarien: Für den konventionellen HEFA-Prozess wurde eine massenbasierte Allokation für Nebenprodukte angewandt, während der HEFA-PG-Prozess einen vermiedenen Lastansatz (avoided burden approach) für intern erzeugten Strom nutzte. Sensitivitätsanalysen wurden durchgeführt, um die Umweltleistung unter Szenarien der Dekarbonisierung des Stromnetzes (2030–2060) zu projizieren und um das Wasserstoff aus Windstrom-Elektrolyse mit Wasserstoff aus Erdgasreformierung zu vergleichen.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse
Die Studie liefert eine vergleichende Analyse der Umweltbelastungen von konventionellem HEFA, integriertem HEFA-PG und fossilem Flugkerosin.

1. Leistung von HEFA-PG vs. konventionellem HEFA:

   • Der HEFA-PG-Prozess weist signifikante Umweltvorteile gegenüber dem konventionellen HEFA-Weg auf. Durch die Erzeugung von internem grünem Strom erreicht das HEFA-PG-System eine Netto-Reduktion des GWP auf etwa 66 % des konventionellen HEFA-Baselines.
   • Die integrierte Co-Generation-Stufe bietet einen Offset-Effekt von etwa 35 % für die Indikatoren FEP, HTP und FFP.
   • In Bezug auf die Ozonbildung reduziert der HEFA-PG-Prozess die Beiträge von 80 % (bei konventionellem HEFA) auf etwa 10 % und mildert so die Bildung von Bodenozon erheblich.

2. Vergleich mit fossilem Flugkerosin:

   • Beide Bio-Jet-Fuel-Pfade weisen eine weita viel überlegene Umweltleistung im Vergleich zu fossilem Flugkerosin auf. Das GWP der HEFA- und HEHE-PG-Pfade wird auf 13,3 % bzw. 7,2 % des fossilen Baselines reduziert.
   • Der HEFA-PG-Pfad zeigt die geringste Umweltbelastung über alle Kategorien hinweg, einschließlich TAP und PMFP, gefolgt von HEFA, wobei fossiler Brennstoff die höchste Belastung aufweist.

3. Einfluss der Dekarbonisierung des Stromnetzes (2030–2060):

   • Mit der zunehmenden Sauberkeit des Stromnetzes sinkt das GWP des konventionellen HEFA-Prozesses allmählich aufgrund der geringeren Kohlenstoffintensität des bezogenen Stroms.
   • Umgekehrt nimmt der GWP-Vorteil des HEFA-PG-Prozesses im Laufe der Zeit ab. Da das Stromnetz dekarbonisiert wird, sinkt der Kohlenstoffgutschriftseffekt durch die Verdrängung von Netzstrom, was dazu führt, dass das GWP von HEFA-PG bis 2060 schließlich das von konventionellem HEFA übersteigt.
   • Dennoch behält der HEFA-PG-Prozess einen robusten Vorteil bei POFP (Reduktionen >80 %) und bleibt hinsichtlich HTP weniger sensitiv gegenüber Netzänderungen, da seine toxische Belastung in der Rohstofflogistik und der Wasserstoffproduktion konzentriert ist und nicht in der Stromerzeugung.

4. Substitution durch grünen Wasserstoff:

   • Der Ersatz von Wasserstoff aus der Erdgasreformierung durch Windstrom-Elektrolyse reduziert das GWP für beide Pfade weiter.
   • Kritischer Zielkonflikt: Trotz der Kohlenstoffvorteile führt elektrolytischer Wasserstoff zu einem Human Toxicity Potential (HTP), das mehr als viermal höher ist als das der Erdgasreformierung. Dieser Anstieg ist primär auf die Umweltbelastungen zurückzuführen, die mit den Off-site-Schwefelrückständen aus der Herstellung von Windkraftanlagen verbunden sind.
   • Unter aktuellen technischen Bedingungen weist die Erdgasreformierung eine überlegene umfassende Umweltleistung innerhalb des HEFA-PG-Systems auf. Die toxischen Nachteile des elektrolytischen Wasserstoffs können nur durch eine sauberere Herstellung von Windanlagen oder eine revidierte Allokation der Umweltbelastungen unter den Koppelprodukten gemildert werden.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, dass der HEFA-PG-Prozess ein hocheffektives Design für die kurz- bis mittelfristige Energietransition darstellt, das durch erzeugten Strom erhebliche Emissionsreduktionsvorteile bietet. Die Studie betont jedoch, dass die langfristige ökologische Überlegenheit dieses integrierten Systems von der Geschwindigkeit der Dekarbonisierung des Stromnetzes abhängt.

Darüber hinaus hebt die Forschung eine kritische Nuance bei der Einführung von „grünem“ Wasserstoff hervor: Während die Windstrom-Elektrolyse den CO2-Fußabdruck reduziert, kann sie unbeabsichtigt die Risiken für die menschliche Toxizität erhöhen, was auf die Upstream-Fertigungsauswirkungen zurückzuführen ist. Folglich behaupten die Autoren, dass unter den derzeitigen technologischen Beschränkungen die Erdgasreformierung die ökologisch ausgewogenere Wasserstoffquelle für die SAF-Produktion darstellt. Die Studie identifiziert die Rohstoffbeschaffung/Logistik und die Wasserstoffproduktion als zentrale Umwelt-Hotspots und legt nahe, dass zukünftige Verbesserungen auf eine sauberere Herstellung von Windanlagen und optimierte Allokationsstrategien für Koppelprodukte fokussieren müssen, um das Potenzial von grünem Wasserstoff im SAF-Sektor voll auszuschöpfen.