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

Technische Samenvatting: Levenscyclusanalyse van de productie van bio-jet fuel uit afvalolie via het HEFA-proces met geïntegreerde co-generatie

Probleemstelling
De productie van duurzame vliegtuigbrandstof (Sustainable Aviation Fuel, SAF) uit afvaloliën via het Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA)-proces staat momenteel voor uitdagingen met betrekking tot de afhankelijkheid van externe elektriciteit en waterstof, wat de algehele milieustabiliteit kan ondermijnen. Naarmate de wereldwijde energiesector overgaat naar decarbonisatie, is er een kritieke behoefte aan een kwantitatieve evaluatie van hoe de integratie van gecombineerde warmte- en krachtgeneratie (co-generatie) en de substitutie van waterstofbronnen de milieuprestaties gedurende de levenscyclus van de SAF-productie beïnvloeden. Deze studie adresseert het gat in het begrip van de afwegingen tussen conventionele HEFA-paden en een geïntegreerd HEFA-PG-systeem onder toekomstige energietransitiescenario's, specifs binnen de context van het evoluerende elektriciteitsnet en het waterstoflandschap in China.

Methodologie
De studie maakt gebruik van een Cradle-to-Grave Levenscyclusanalyse (LCA) volgens de ISO 14040-richtlijnen. De functionele eenheid wordt gedefinieerd als de productie van 100 ton bio-jet fuel.

• Systeembegrenzing: De analyse omvat de inzameling en het transport van afvalolie, voorbehandeling, productie (hydrogenatie en hydroprocessing), distributie en eindgebruik. Twee paden worden gemodelleerd: een conventieel HEFA-proces en een HEFA-PG-proces geïntegreerd met een Combined Heat and Power (CHP)-unit.
• Simulatie en Data: Processimulaties werden uitgevoerd met Aspen Plus om materiaal- en energiestromen te bepalen. Life Cycle Inventory (LCI)-gegevens werden samengesteld op basis van deze simulaties en regionale parameters voor de regio Beijing–Tianjin–Hebei.
• Impactanalyse: De ReCiPe 2016-methode werd gebruikt om de milieueffecten te evalueren over zes midpoint-indicatoren (Global Warming Potential [GWP], Particulate Matter Formation Potential [PMFP], Terrestrial Acidification Potential [TAP], Freshwater Eutrophication Potential [FEP], Human Toxicity Potential [HTP] en Fossil Fuel Depletion Potential [FFP]) en drie endpoint-indicatoren (Resource Availability, Ecosystem Diversity en Human Health).
• Allocatie en Scenario's: Massa-gebaseerde allocatie werd toegepast op het conventionele HEFA-proces voor bijproducten, terwijl het HEFA-PG-proces gebruikmaakte van een 'avoided burden'-benadering voor intern gegenereerde elektriciteit. Gevoeligheidsanalyses werden uitgevoerd om de milieuprestaties te projecteren onder scenario's van decarbonisatie van het elektriciteitsnet (2030–2060) en om waterstof uit gasreforming te vergelijken met elektrolytische waterstof op basis van windenergie.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
De studie biedt een vergelijkende analyse van de milieubelasting van conventionele HEFA, geïntegreerde HEFA-PG en fossiele vliegtuigkerosine.

1. Prestaties van HEFA-PG versus Conventionele HEFA:

   • Het HEFA-PG-proces vertoont aanzienlijke milieuvoordelen ten opzichte van de conventionele HEFA-route. Door de generatie van interne groene elektriciteit bereikt het HEFA-PG-systeem een netto GWP-reductie tot ongeveer 66% van de conventionele HEFA-baseline.
   • De geïntegreerde co-generatiefase zorgt voor een offset-effect van ongeveer 35% voor de FEP-, HTP- en FFP-indicatoren.
   • Wat betreft ozonvorming vermindert het HEFA-PG-proces de bijdragen van 80% (in conventionele HEFA) naar ongeveer 10%, wat de vorming van ozon op grondniveau aanzienlijk beperkt.

2. Vergelijking met Fossiele Vliegtuigkerosine:

   • Beide bio-jet fuel-paden vertonen een veel superieure milieuprestatie vergeleken met fossiele vliegtuigkerosine. De GWP van de HEFA- en HEFA-PG-paden wordt gereduceerd tot respectievelijk 13,3% en 7,2% van de fossiele baseline.
   • Het HEFA-PG-pad vertoont de laagste milieubelasting over alle categorieën, inclus_in TAP en PMFP, gevolgd door HEFA, waarbij fossiele brandstof de hoogste is.

3. Impact van Decarbonisatie van het Elektriciteitsnet (2030–2060):

   • Naarmate het elektriciteitsnet schoner wordt, daalt de GWP van het conventionele HEFA-proces geleidelijk door de lagere koolstofintensiteit van ingekochte elektriciteit.
   • Omgekeerd neemt het GWP-voordeel van het HEFA-PG-proces in de loop der tijd af. Naarmate het net decarboniseert, neemt het voordeel van de koolstofcredit door het verdringen van netelektriciteit af, waardoor de GWP van HEFA-PG uiteindelijk de GWP van conventionele HEFA zal overtreffen tegen 2060.
   • Het HEFA-PG-proces behoudt echter een robuust voordeel in POFP (reducties >80%) en blijft minder gevoelig voor veranderingen in het net met betrekking tot HTP, aangezien de toxiciteitslast geconcentreerd is in de feedstock-logistiek en waterstofproductie in plaats van in elektriciteitsopwekking.

4. Groene Waterstof Substitutie:

   • Het vervangen van waterstof uit gasreforming door windgestuurde elektrolytische waterstof vermindert de GWP voor beide paden verder.
   • Kritieke Afweging: Ondanks de koolstofvoordelen leidt elektrolytische waterstof tot een Human Toxicity Potential (HTP) die meer dan vier keer hoger is dan die van gasreforming. Deze toename wordt primair toegeschreven aan de milieulasten geassocieerd met off-site sulfidetafels die vrijkomen tijdens de productie van windenergieapparatuur.
   • Onder de huidige technische omstandigheden presenteert waterstof uit gasreforming een superieure integrale milieuprestatie binnen het HEFA-PG-systeem. De toxicologische nadelen van elektrolytische waterstof kunnen alleen worden verzacht door schonere productie van windapparatuur of een herziene allocatie van milieulasten tussen co-producten.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat het HEFA-PG-proces een zeer effectief ontwerp is voor nabije tot middellange termijn energietransities, dat aanzienlijke emissiereductievoordelen biedt door co-gegenereerde elektriciteit. De studie benadrukt echter dat de langetermijnmilieuperioriteit van dit geïntegreerde systeem afhankelijk is van het tempo van de decarbonisatie van het elektriciteitsnet.

Verder belicht het onderzoek een cruciaal nuanceverschil in de adoptie van "groene" waterstof: hoewel windgestuurde elektrolyse de koolstofvoetafdruk verkleint, kan het onbedoeld de risico's voor de menselijke toxiciteit vergroten door de impact van upstream productiemethoden. Daarom stellen de auteurs dat onder de huidige technologische beperkingen gasreforming een milieubalancereerdere bron van waterstof blijft voor de productie van SAF. De studie identificeert de inzameling/transport van feedstock en de waterstofproductie als de kern van de milieubelastingen, en suggereert dat toekomstige verbeteringen zich moeten richten op de schonere productie van windapparatuur en geoptimaliseerde allocatiestrategieën voor co-producten om het potentieel van groene waterstof in de SAF-sector volledig te benutten.