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

तकनीकी सारांश: एकीकृत सह-उत्पादन के साथ HEFA प्रक्रिया के माध्यम से अपशिष्ट तेल से जेट ईंधन उत्पादन का जीवन चक्र मूल्यांकन

समस्या विवरण
अपशिष्ट तेलों से हाइड्रोप्रोसेस्ड एस्टर्स और फैटी एसिड (HEFA) प्रक्रिया के माध्यम से टिकाऊ विमानन ईंधन (SAF) का उत्पादन वर्तमान में बाहरी बिजली और हाइड्रोजन पर अपनी निर्भरता के कारण चुनौतियों का सामना कर रहा है, जो इसके समग्र पर्यावरणीय स्थायित्व को कमजोर कर सकता है। जैसे-जैसे वैश्विक ऊर्जा क्षेत्र डीकार्बोनाइजेशन की ओर बढ़ रहा है, एकीकृत को-जनरेशन (combined heat and power) और हाइड्रोजन स्रोतों को प्रतिस्थापित करने से SAF उत्पादन के जीवन चक्र पर्यावरणीय प्रदर्शन पर कैसे प्रभाव पड़ता है, इसका मात्रात्मक मूल्यांकन करने की एक गंभीर आवश्यकता है। यह अध्ययन पारंपरिक HEFA मार्गों और भविष्य के ऊर्जा संक्रमण परिदृश्यों के तहत एक एकीकृत HEFA-PG (पावर और गैस) प्रणाली के बीच के व्यापार-बंदों (trade-offs) को समझने के अंतराल को संबोधित करता है, विशेष रूप से चीन के विकसित होते पावर ग्रिड और हाइड्रोजन उत्पादन परिदृश्य के संदर्भ में।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन ISO 14040 ढांचे का पालन करते हुए एक 'क्रेडल-टू-ग्रेव' (Cradle-to-Grave) जीवन चक्र मूल्यांकन (LCA) का उपयोग करता है। कार्यात्मक इकाई (functional unit) को 100 टन बायो-जेट ईंधन के उत्पादन के रूप में परिभाषित किया गया है।

• सिस्टम सीमाएँ: विश्लेषण में अपशिष्ट तेल का संग्रह और परिवहन, प्रीट्रीटमेंट, उत्पादन (हाइड्रोजनीकरण और हाइड्रोप्रोसेसिंग), वितरण और अंतिम उपयोग शामिल हैं। दो मार्गों का मॉडल तैयार किया गया है: एक पारंपरिक HEFA प्रक्रिया और एक संयुक्त ताप और शक्ति (CHP) इकाई के साथ एकीकृत HEFA-PG प्रक्रिया।
• सिमुलेशन और डेटा: सामग्री और ऊर्जा प्रवाह को निर्धारित करने के लिए Aspen Plus का उपयोग करके प्रक्रिया सिमुलेशन किए गए थे। जीवन चक्र सूची (LCI) डेटा इन सिमुलेशन और बीजिंग-तियानजिन-हेबेई क्षेत्र के क्षेत्रीय मापदंडों के आधार पर संकलित किया गया था।
• प्रभाव मूल्यांकन: छह मिडपॉइंट संकेतकों (ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल [GWP], पार्टिकुलेट मैटर फॉर्मेशन पोटेंशियल [PMFP], टेरेस्ट्रियल एसिडिफिकेशन पोटेंशियल [TAP], फ्रेशवॉटर यूट्रोफिकेशन पोटेंशियल [FEP], ह्यूमन टॉक्सिसिटी पोटेंशियल [HTP], और फॉसिल फ्यूल डिपलीशन पोटेंशियल [FFP]) और तीन एंडपॉइंट संकेतकों (संसाधन उपलब्धता, पारिस्थितिकी तंत्र विविधता, और मानव स्वास्थ्य) में पर्यावरणीय प्रभावों का मूल्यांकन करने के लिए ReCiPe 2016 पद्धति का उपयोग किया गया।
• आवंटन और परिदृश्य: उप-उत्पादों के लिए पारंपरिक HEFA प्रक्रिया में द्रव्यमान-आधारित (mass-based) आवंटन लागू किया गया, जबकि HEFA-PG प्रक्रिया ने आंतरिक रूप से उत्पन्न बिजली के लिए 'अवॉइडेड बर्डन' (avoided burden) दृष्टिकोण का उपयोग किया। बिजली ग्रिड के डीकार्बोनाइजेशन परिदृश्यों (2030-2060) के तहत पर्यावरणीय प्रदर्शन का अनुमान लगाने और प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग हाइड्रोजन बनाम पवन-संचालित इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन की तुलना करने के लिए संवेदनशीलता विश्लेषण किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम
अध्ययन पारंपरिक HEFA, एकीकृत HEFA-PG और जीवाश्म-आधारित विमानन केरोसिन के पर्यावरणीय बोझ का तुलनात्मक विश्लेषण प्रदान करता है।

1. पारंपरिक HEFA बनाम HEFA-PG का प्रदर्शन:

   • HEFA-PG प्रक्रिया पारंपरिक HEFA मार्ग की तुलना में महत्वपूर्ण पर्यावरणीय लाभ प्रदर्शित करती है। आंतरिक हरित बिजली उत्पन्न करके, HEFA-PG प्रणाली पारंपरिक HEFA बेसलाइन के लगभग 66% तक शुद्ध GWP कमी प्राप्त करती है।
   • एकीकृत सह-उत्पादन चरण FEP, HTP और FFP संकेतकों के लिए लगभग 35% का ऑफसेट प्रभाव प्रदान करता है।
   • ओजोन निर्माण के संबंध में, HEFA-PG प्रक्रिया योगदान को 80% (पारंपरिक HEFA में) से घटाकर लगभग 10% कर देती है, जिससे जमीनी स्तर पर ओजोन निर्माण काफी कम हो जाता है।

2. जीवाश्म विमानन केरोसिन के साथ तुलना:

   • दोनों बायो-जेट ईंधन मार्ग जीवाश्म विमानन केरोसिन की तुलना में कहीं बेहतर पर्यावरणीय प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं। HEFA और HEFA-PG मार्गों का GWP क्रमशः जीवाश्म बेसलाइन का 13.3% और 7.2% तक कम हो जाता है।
   • HEFA-PG मार्ग सभी श्रेणियों में सबसे कम पर्यावरणीय बोझ दिखाता है, जिसमें TAP और PMFP शामिल हैं, इसके बाद HEFA आता है, जबकि जीवाश्म ईंधन का बोझ सबसे अधिक है।

3. पावर ग्रिड डीकार्बोनाइजेशन का प्रभाव (2030-2060):

   • जैसे-जैसे पावर ग्रिड स्वच्छ होता जाता है, खरीदे गए बिजली के कम कार्बन घनत्व के कारण पारंपरिक HEFA प्रक्रिया का GWP धीरे-धीरे कम होता जाता है।
   • इसके विपरीत, HEFA-PG प्रक्रिया का GWP लाभ समय के साथ कम होता जाता है। जैसे-जैसे ग्रिड डीकार्बोनाइज होता है, ग्रिड बिजली को विस्थापित करने से मिलने वाला कार्बन क्रेडिट लाभ कम हो जाता है, जिससे HEFA-PG का GWP अंततः 2060 तक पारंपरिक HEFA की तुलना में अधिक हो जाता है।
   • हालांकि, HEFA-PG प्रक्रिया POFP में मजबूत लाभ बनाए रखती है (कमी >80%) और HTP के संबंध में ग्रिड परिवर्तनों के प्रति कम संवेदनशील रहती है, क्योंकि इसका विषाक्तता बोझ बिजली उत्पादन के बजाय फीडस्टॉक लॉजिस्टिक्स और हाइड्रोजन उत्पादन में केंद्रित है।

4. ग्रीन हाइड्रोजन प्रतिस्थापन:

   • प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग हाइड्रोजन को पवन-संचालित इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन से बदलने से दोनों मार्गों के लिए GWP में और कमी आती है।
   • महत्वपूर्ण व्यापार-बंद (Critical Trade-off): कार्बन लाभों के बावजूद, इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग की तुलना में चार गुना अधिक उच्च 'ह्यूमन टॉक्सिसिटी पोटेंशियल' (HTP) की ओर ले जाता है। यह वृद्धि मुख्य रूप से पवन ऊर्जा उपकरणों के निर्माण के दौरान उत्पन्न होने वाले ऑफ-साइट सल्फाइड टेलिंग्स से जुड़े पर्यावरणीय भार के कारण है।
   • वर्तमान तकनीकी स्थितियों के तहत, HEFA-PG प्रणाली के भीतर प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग हाइड्रोजन बेहतर व्यापक पर्यावरणीय प्रदर्शन प्रस्तुत करता है। इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन के विषाक्तता संबंधी नुकसानों को केवल पवन उपकरणों के स्वच्छ निर्माण या सह-उत्पादों के बीच पर्यावरणीय बोझ के संशोधित आवंटन के माध्यम से ही कम किया जा सकता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि HEFA-PG प्रक्रिया निकट-से-मध्यम अवधि के ऊर्जा संक्रमणों के लिए एक अत्यधिक प्रभावी डिजाइन है, जो सह-उत्पादित बिजली के माध्यम से पर्याप्त उत्सर्जन कमी लाभ प्रदान करती है। हालांकि, अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि इस एकीकृत प्रणाली की दीर्घकालिक पर्यावरणीय श्रेष्ठता पावर ग्रिड के डीकार्बोनाइजेशन की गति पर निर्भर है।

इसके अलावा, अनुसंधान "ग्रीन" हाइड्रोजन अपनाने में एक महत्वपूर्ण सूक्ष्मता को उजागर करता है: जबकि पवन-संचालित इलेक्ट्रोलिसिस कार्बन फुटप्रिंट को कम करता है, यह अनजाने में अपस्ट्रीम निर्माण प्रभावों के कारण मानव विषाक्तता जोखिमों को बढ़ा सकता है। फलस्वरूप, लेखक यह तर्क देते हैं कि वर्तमान तकनीकी बाधाओं के तहत, प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग SAF उत्पादन के लिए अधिक पर्यावरणीय रूप से संतुलित हाइड्रोजन स्रोत बना हुआ है। अध्ययन फीडस्टॉक संग्रह/परिवहन और हाइड्रोजन उत्पादन को मुख्य पर्यावरणीय हॉटस्पॉट के रूप में पहचानता है, जिससे यह सुझाव मिलता है कि भविष्य के सुधारों को SAF क्षेत्र में ग्रीन हाइड्रोजन की क्षमता को पूरी तरह से साकार करने के लिए स्वच्छ पवन उपकरण निर्माण और अनुकूलित सह-उत्पाद आवंटन रणनीतियों पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।