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

기술 요약: 통합 열병합 발전이 결합된 HEFA 공정을 통한 폐식용유 기반 항공유 생산의 전과정 평가

문제 제기
폐식용유를 통한 지속가능한 항공유(SAF) 생산은 현재 외부 전력과 수소에 대한 의존성 문제에 직면해 있으며, 이는 전체적인 환경 지속가능성을 저해할 수 있다. 글로벌 에너지 부문이 탈탄소화로 전환함에 따라, 통합 열병합 발전(co-generation)을 통합하고 수소원을 대체하는 것이 SAF 생산의 전과정 환경 성능에 어떠한 영향을 미치는지 정량적으로 평가하는 것이 매우 중요하다. 본 연구는 중국의 진화하는 전력망 및 수소 생산 환경을 배경으로, 기존 HEFA 경로와 통합형 HEFA-PG(전력 및 가스) 시스템 간의 트레이드오프(trade-offs)에 대한 이해의 격차를 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 ISO 14040 프레임워크를 따르는 Cradle-to-Grave 전과정 평가(LCA)를 수행한다. 기능 단위는 100톤의 바이오 항공유 생산으로 정의된다.

• 시스템 경계: 분석 범위는 폐식용유 수집 및 운송, 전처리, 생산(수소화 및 수첨 처리), 유통 및 최종 사용을 포함한다. 두 가지 경로가 모델링된다: 기존 HEFA 공정과 열병합 발전(CHP) 유닛이 통합된 HEFA-PG 공정이다.
• 시뮬레이션 및 데이터: 물질 및 에너지 흐름을 결정하기 위해 Aspen Plus를 사용하여 공정 시뮬레이션을 수행하였다. 전과정 목록(LCI) 데이터는 이러한 시뮬레이션과 베이징-텐진-허베이 지역의 지역적 파라미터를 기반으로 수집되었다.
• 영향 평가: ReCiPe 2016 방법을 활용하여 6가지 중간점 지표(지구 온난화 잠재력[GWP], 입자상 물질 형성 잠재력[PMFP], 토양 산성화 잠재력[TAP], 담수 부영양화 잠재력[FEP], 인체 독성 잠재력[HTP], 화석 연료 고갈 잠재력[FFP])와 3가지 종점 지표(자원 가용성, 생태계 다양성, 인체 건강)를 평가하였다.
• 할당 및 시나리오: 기존 HEFA 공정의 부산물에는 질량 기반 할당을 적용하였으며, HEFA-PG 공정은 내부적으로 생성된 전력에 대해 회피 부하(avoided burden) 접근법을 사용하였다. 전력망 탈탄소화 시나리오(2030–2060) 하에서의 환경 성능을 투영하기 위해 민감도 분석을 수행하였으며, 천연가스 개질 수소와 풍력 기반 수전해 수소를 비교하였다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 기존 HEFA, 통합형 HEFA-PG, 그리고 화석 연료 기반 항공유의 환경 부하에 대한 비교 분석을 제공한다.

1. HEFA-PG와 기존 HEFA의 성능 비교:

   • HEFA-PG 공정은 기존 HEFA 경로에 비해 상당한 환경적 이점을 보여준다. 내부 녹색 전력을 생성함으로써, HEFA-PG 시스템은 순 GWP 감소를 기존 HEFA 기준치의 약 66% 수준까지 달성한다.
   • 통합 열병합 발전 단계는 FEP, HTP, FFP 지표에 대해 약 35%의 상쇄 효과를 제공한다.
   • 오존 형성 측면에서, HEFA-PG 공정은 기존 HEFA의 80%에서 약 10%로 기여도를 낮추어 지표면 오존 형성을 크게 완화한다.

2. 화석 연료 기반 항공유와의 비교:

   • 두 가지 바이오 항공유 경로 모두 화석 연료 기반 항공유에 비해 월등히 우수한 환경 성능을 보인다. HEFA 및 HEHE-PG 경로의 GWP는 각각 화석 연료 기준치의 13.3%와 7.2%로 감소한다.
   • HEFA-PG 경로는 TAP 및 PMFP를 포함한 모든 범주에서 가장 낮은 환경 부하를 보이며, 그 다음은 HEFA, 화석 연료가 가장 높다.

3. 전력망 탈탄소화의 영향 (2030–2060):

   • 전력망이 깨끗해짐에 따라, 구매 전력의 탄소 집약도가 낮아지므로 기존 HEFA 공정의 GWP는 점진적으로 감소한다.
   • 반대로, HEFA-PG 공정의 GWP 이점은 시간이 지남에 따라 감소한다. 전력망이 탈탄소화됨에 따라 전력망 전력을 대체함으로써 얻는 탄소 크레딧 혜택이 줄어들어, HEFA-PG의 GWP가 결국 2060년까지 기존 HEFA보다 높아지게 된다.
   • 그러나 HEFA-PG 공정은 POFP(80% 이상의 감소) 측면에서 견고한 우위를 유지하며, 독성 부하가 전력 생산보다는 원료 물류 및 수소 생산에 집중되어 있어 전력망 변화에 대한 HTP 민감도가 낮다.

4. 그린 수소 대체:

   • 천연가스 개질 수소를 풍력 기반 수전해 수소로 대체하면 두 경로 모두 GWP가 더욱 감소한다.
   • 핵심 트레이드오프: 탄소 혜택에도 불구하고, 수전해 수소는 천연가스 개질보다 4배 이상 높은 인체 독성 잠재력(HTP)을 초래한다. 이러한 증가는 주로 풍력 발전 설비 제조 과정에서 발생하는 역외 황화물 찌꺼기(sulfide tailings)와 관련된 환경 부하에 기인한다.
   • 현재의 기술적 조건 하에서는, 천연가스 개질 수소가 HEFA-PG 시스템 내에서 더 우수한 종합적 환경 성능을 나타낸다. 수전해 수소의 독성 문제는 풍력 설비의 더 깨끗한 제조 또는 부산물 간의 수정된 환경 부하 할당을 통해서만 완화될 수 있다.

의의 및 주장
본 논문은 HEFA-PG 공정이 근기 및 중기 에너지 전환에 있어 매우 효과적인 설계이며, 공동 생성된 전력을 통해 상당한 배출 감소 혜택을 제공한다고 주장한다. 그러나 연구는 이 통합 시스템의 장기적인 환경적 우위가 전력망 탈탄소화의 속도에 달려 있음을 강조한다.

또한, 본 연구는 "그린" 수소 채택에 관한 중요한 미묘한 차이를 조명한다. 즉, 풍력 기반 수전해는 탄소 발자국을 줄이지만, 상류 제조 영향으로 인해 인체 독성 위험을 의도치 않게 높일 수 있다. 따라서 저자들은 현재의 기술적 제약 하에서 천연가스 개질이 SAF 생산을 위한 더 환경적으로 균형 잡힌 수소원이라고 단언한다. 본 연구는 원료 수집/운송 및 수소 생산를 핵심적인 환경 핫스팟으로 식별하였으며, 향후 개선 방향이 SAF 분야에서 그린 수소의 잠재력을 완전히 실현하기 위해 더 깨끗한 풍력 설비 제조 및 최적화된 부산물 할당 전략에 집중되어야 함을 시사한다.