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

技術要約：統合型コージェネレーションを伴うHEFAプロセスによる廃油からのジェット燃料生産のライフサイクルアセスメント

問題提起
廃油から持続可能な航空燃料（SAF）を生産するHEFA（水素化エステルおよび脂肪酸）プロセスは、現在、外部からの電力および水素への依存という課題に直面しており、これが全体的な環境持続可能性を損なう可能性がある。エネルギーセクターが脱炭素化へと移行する中で、コージェネレーション（熱電併給）の統合および水素源の代替が、HEFA生産のライフサイクル環境性能にどのような影響を与えるかを定量的に評価することが極めて重要となっている。本研究は、中国の進化する電力網および水素生産の状況という文脈において、従来のHEFA経路と、統合型HEFA-PG（電力・ガス）システムとの間のトレードオフに関する理解のギャップに対処するものである。

手法
本研究は、ISO 14040に従い、Cradle-to-Grave（ゆりかごから墓場まで）のライフサイクルアセスメント（LCA）を採用している。機能単位は、100トンのバイオジェット燃料の生産と定義される。

• システム境界： 分析範囲は、廃油の回収・輸送、前処理、生産（水素化および水素化精製）、流通、および最終用途をカバーする。2つの経路をモデル化している：従来のHEFAプロセスと、熱電併給（CHP）ユニットを統合したHEFA-PGプロセスである。
• シミュレーションおよびデータ： 材料およびエネルギーフローを決定するために、Aspen Plusを用いたプロセスシミュレーションを実施した。ライフサイクルインベントリ（LCI）データは、これらのシミュレーションと北京・天津・河北地域（京津冀）の地域パラメータに基づいて作成された。
• 影響評価： ReCiPe 2016法を用い、6つのミッドポイント指標（地球温暖化ポテンシャル［GWP］、粒子状物質形成ポテンシャル［PMFP］、陸域酸性化ポテンシャル［TAP］、淡水富栄養化ポテンシャル［FEP］、ヒト毒性ポテンシャル［HTP］、および化石燃料枯渇ポテンシャル［FFP］）と、3つのエンドポイント指標（資源可用性、生態系多様性、およびヒトの健康）について環境影響を評価した。
• 配分およびシナリオ： 従来のHEFAプロセスにおける副産物に対しては質量ベースの配分を適用し、HEFA-PGプロセスでは内部生成電力に対して回避負荷アプローチを用いた。感度分析を行い、電力網の脱炭素化シナリオ（2030年〜2060年）における環境性能の予測、および天然ガス改質水素と風力発電による水電解水素の比較を行った。

主な貢献および結果
本研究は、従来のHEFA、統合型HEFA-PG、および化石燃料由来の航空ケロシンに関する環境負荷の比較分析を提供している。

1. HEFA-PGと従来のHEFAの性能比較：

   • HEFA-PGプロセスは、従来のHEFA経路に対して顕著な環境上の優位性を示している。内部でグリーン電力を生成することにより、HEFA-PGシステムは、従来のHEFAのベースラインに対してGWPを約66%に低減させる。
   • 統合されたコージェネレーション段階は、FEP、HTP、およびFFPの指標に対して、約35%のオフセット効果を提供する。
   • オゾン生成に関しては、HEFA-PGプロセスは、従来のHEFAにおける80%から約10%へと寄与を減少させ、地表オゾン形成を大幅に緩和する。

2. 化石燃料由来航空ケロシンとの比較：

   • 両方のバイオジェット燃料経路は、化石燃料由来の航空ケロシンと比較して、はるかに優れた環境性能を示す。HEFAおよびHEFA-PG経路のGWPは、それぞれ化石燃料のベースラインに対して13.3%および7.2%に低減される。
   • HEFA-PG経路は、TAPおよびPMFPを含むすべてのカテゴリーにおいて最も低い環境負荷を示し、次いでHEFAとなり、化石燃料が最も高くなる。

3. 電力網の脱炭素化の影響（2030年〜2060年）：

   • 電力網がクリーンになるにつれ、購入する電力の炭素強度が低下するため、従来のHEFAプロセスのGWPは徐々に低下する。
   • 逆に、HEFA-PGプロセスのGWPの優位性は、時間の経過とともに減少する。電力網が脱炭素化するにつれ、系統電力の代替による炭素クレジットのメリットが減少するため、HEFA-PGのGWPは最終的に2060年までに従来のHEFAプロセスを上回ることになる。
   • しかし、HEFA-PGプロセスはPOFPにおいて堅牢な優位性を維持し（削減率>80%）、またその毒性負荷は発電ではなく原料物流と水素生産に集中しているため、電力網の変化に対するHTPの感受性が低い。

4. グリーン水素への代替：

   • 天然ガス改質水素を風力発電による水電解水素に置き換えることで、両方の経路においてGWPがさらに減少する。
   • 決定的なトレードオフ： 脱炭素のメリットはあるものの、水電解水素は、天然ガス改質よりも4倍以上高いヒト毒性ポテンシャル（HTP）をもたらす。この増加は、主に風力発電設備の製造過程で発生するオフサイトの硫化物尾鉱に関連する環境負荷に起因する。
   • 現在の技術的条件下では、HEFA-PGシステム内において、天然ガス改質水素がより優れた包括的な環境性能を提示している。水電解水素の毒性の欠点は、風力設備のよりクリーンな製造、または副産物間の環境負荷の配分方法の見直しによってのみ軽減され得る。

意義および主張
本論文は、HEFA-PGプロセスが、生成される電力を通じて大幅な排出削減効果を提供する、中短期的なエネルギー移行において非常に効果的な設計であることを主張している。しかし、本研究は、この統合システムの長期的な環境優位性は、電力網の脱炭素化のペースに依存することを強調している。

さらに、本研究は「グリーン」水素採用における重要なニュアンスを浮き彫りにしている。すなわち、風力発電による水電解は炭素足跡を削減する一方で、上流の製造工程による影響により、意図せずヒトへの毒性リスクを増大させる可能性があるということである。したがって、著者らは、現在の技術的制約の下では、天然ガス改質がSAF生産にとってより環境的にバランスの取れた水素源であると断言している。本研究は、原料の収集・輸送および水素生産を主要な環境ホットスポットとして特定しており、将来の改善は、SAF部門におけるグリーン水素のポテンシャルを完全に実現するために、よりクリーンな風力設備製造および最適化された副産物配分戦略に焦点を当てる必要があることを示唆している。