A Techno-Economic, Environmental and Social Life Cycle Assessments of Sustainable Aviation Fuel production via the Alcohol-to-Jet process – A UK Case Study
본 연구는 알코올-투-제트(alcohol-to-jet) 경로를 사용하는 영국 기반의 목질계 밀 짚 바이오리파이너리에 대한 종합적인 기술-경제적, 환경적 및 사회적 전과정 평가를 제시하며, 정책적 인센티브와 생산 규모에 따라 최소 £0.75–£4.53/kg의 제트 연료 판매 가격을 조건으로 최대 80%의 온실가스 감축을 통해 항공 부문 탈탄소화에 대한 잠재력을 입증한다.
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글로벌 항공 산업은 막대한 과제에 직면해 있습니다. 이 산업은 세계 탄소 배출량의 상당 부분을 차지하고 있지만, 자동차처럼 단순히 배터리로 전환할 수는 없습니다. 비행기는 방대한 거리를 무거운 하중을 싣고 이동하기 위해 매우 높은 에너지 밀도를 가진 연료를 필요로 하며, 장거리 비행의 경우 액체 연료가 여전히 유일하게 실용적인 옵션입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 화석 유류 대신 식물과 폐기물로 만든 더 깨끗한 대안인 지속 가능한 항공 연료(SAF)를 연구하고 있습니다. 한 가지 유망한 방법은 밀 수확 후 남겨진 줄기와 잎 같은 농업 부산물을 사용하여 제트 연료로 변환하는 것입니다. '알코올 투 제트(alcohol-to-jet)'라고 알려진 이 공정은 식물 당분을 비행기의 동력이 될 수 있는 액체로 바꿈으로써 온실가스 배출을 훨씬 줄여줍니다. 그러나 이를 수행하기 위한 공장을 짓는 것은 비용이 많이 들며, 작물을 재배하는 단계부터 연료를 태우는 단계에 이르기까지 전체 시스템이 진정으로 환경적 약속을 이행하는지, 혹은 새로운 사회적 문제를 야기하지는 않는지는 불분명합니다.
셰필드 대학교의 연구팀은 영국의 완전한 연료 공장에 대한 상세한 디지털 모델을 구축함으로써 이러한 질문들을 다루었습니다. 그들은 영국에서 가장 풍부한 농업 잔여물인 밀 짚에 초점을 맞추어, 이것이 자급자족 가능한 공장을 운영할 수 있을 만큼 현실적인지 확인했습니다. 연구진은 고급 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 매일 2,000톤의 짚을 처리하는 시설을 설계했습니다. 단 하나의 부분만을 살펴보는 단순한 모델과 달리, 이 설계는 식물의 단단한 섬유를 분해하고, 이를 알코올로 발효시키며, 다시 그 알코올을 제트 연료로 업그레이드하는 모든 단계를 통합합니다. 결정적으로, 연구진은 공장이 어떻게 스스로 동력을 공급할지도 모델링했습니다. 그리드(전력망)에서 전기를 구매하는 대신, 공장은 남은 식물 물질을 태워 증기와 전기를 생성하며, 자신의 기계를 돌릴 수 있는 충분한 전력을 생산하고도 남은 전력을 국가 전력망에 다시 보냅니다.
이 시뮬레이션 결과는 기술적으로 실현 가능하며 놀라울 정도로 효율적인 시스템임을 보여줍니다. 이 공장은 밀 짚에 포함된 에너지를 유용한 제품으로 변환하는 전체 효율이 11%인데, 이는 밀 짚에 투입된 에너지 단위당 적지만 의미 있는 부분이 제트 연료로 최종 도달함을 의미합니다. 더 중요한 점은, 이 공장이 68%의 제트 연료와 바이오 나프타 및 바이데오디젤 같은 가치 있는 부산물을 생산한다는 것입니다. 에너지 균형은 특히 인상적인데, 시설은 66메가와트의 전기를 생산하며 자체 운영에는 18메가와트만을 사용합니다. 이로 인해 48메가와트의 순 수출량이 발생하며, 이는 수만 가구에 전력을 공급할 수 있는 양입니다. 또한 이 공정은 거의 모든 폐기물을 재활용하여 쓰레기를 에너지나 유용한 화학 물질로 바꿉니다.
재무적 관점에서 이 연구는 적절한 지원이 있다면 잠재적으로 실행 가능한, 초기 비용이 많이 드는 프로젝트의 모습을 보여줍니다. 연구진은 이러한 공장을 건설하는 데 약 4억 7,500만 파운드가 소요될 것으로 추정했으며, 연간 운영 비용은 약 1억 9,300만 파운드라고 산정했습니다. 생산되는 연료의 가격, 즉 최소 제트 연료 판매가는 프로젝트가 어떻게 자금을 조달받는지와 부산물 판매를 통해 얼마나 많은 수익을 올리는지에 따라 매우 민감하게 반응합니다. 추가 전력과 다른 연료를 판매하지 않는다면 kg당 비용은 감당하기 어려울 정도로 높을 것입니다. 그러나 이러한 부수적 제품의 수익을 포함하면 가격은 크게 낮아져 kg당 약 75펜스에서 4파운드 53펜스 사이가 됩니다. 이 넓은 범위는 비즈니스 모델이 정부 정책과 투자자의 구성에 크게 의존함을 보여주지만, 적절한 조건 하에서는 기술이 화석 연료와 경쟁할 수 있음을 입증합니다.
환경 평가 결과, 이 방식은 진정한 기후 혜택을 제공하는 것으로 확인되었습니다. 짚을 재배하고, 이를 가공하고, 비행기에서 연료를 태우는 과정 전체의 총 배출량을 비교했을 때, 이 새로운 연료는 기존 제트 연료보다 온실가스를 최대 80% 적게 배출합니다. 새로운 공정에서 가장 큰 배출원은 식물 섬유를 분해하는 데 사용되는 화학 물질과 농업 활동 자체이지만, 이러한 요인들을 모두 포함하더라도 감소 폭은 상당합니다. 연구는 또한 짚을 토양에 손상을 주는 방식으로 제거하여 저장된 탄소를 방출할 경우 어떤 일이 벌어질지도 조사했습니다. 토양 건강이 훼손되는 최악의 시나리오에서도, 이 새로운 연료는 화석 연료에 비해 배출량을 절반 이상 줄입니다. 이는 기술은 견고하지만, 농민들이 토지를 어떻게 관리하느냐가 기후 이익을 극대화하는 데 결정적인 요소임을 시사합니다.
수치 너머로, 연구진은 사회적 전과정 평가(social life cycle assessment)를 통해 프로젝트의 인간적인 측면도 조사했습니다. 그들은 잠재적인 노동자 위험을 식별하기 위해 밀을 재배하는 농부부터 연료를 운송하는 트럭에 이르기까지 전체 공급망을 살펴보았습니다. 분석 결과, 도로 운송 부문과 연료 생산 시설 자체가 특히 공정한 임금 문제와 관련하여 가장 높은 사회적 위험을 안고 있는 것으로 나타났습니다. 노동법이 엄격한 영국에서 주요 관심사는 공급망 내의 노동자들이 정당한 급여를 받도록 보장하는 것이었습니다. 이 연구는 기술은 준비되었으나, 사회적 혜택은 시스템을 구축하고 운영하는 사람들에 대한 높은 기준을 유지하는 데 달려 있다는 점을 강조했습니다.
궁극적으로, 이 연구는 밀 짚을 제트 연료로 만드는 것이 단순한 이론적 아이디어가 아니라 실질적인 공학적 현실임을 보여줍니다. 통합된 설계를 통해 공장은 에너지 독립을 달还原하고 심지어 전력을 순 수출할 수도 있으며, 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 이를 보편적인 현실로 만드는 길은 공학 그 이상의 것을 필요로 합니다. 그것은 지원적인 정부 정책과 연료가 저렴하면서도 사회적으로 책임질 수 있도록 공급망을 세심하게 관리하는 노력이 필요합니다. 이 연구는 항공 산업이 어떻게 탈탄소화를 시작할 수 있는지에 대한 명확한 청사진을 제공하며, 적절한 기술과 정책의 결합이 있다면 하늘이 더 이상 오염의 근원이 되지 않을 수 있음을 보여줍니다.
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