Comparative Life Cycle Assessment of Alternative Marine Fuels

Big.mountain 2024. 4. 7. 10:26

B. A. Zincir and Y. Arslanoglu, Fuel, vol. 358, part A, no. 129995, Feb. 15, 2024.

Summary of paper

이 연구는 14가지 대체 연료와 3가지의 기존 해양 연료들의 LCA*를 통해 환경에 미치는 영향 8가지를 기준으로 평가하였다. 포함된 연료는 암모니아, biodiesel, Dimethyl ether(DME), E-FT-Diesel, E-메탄올, FT-Diesel, 수소, LNG, LPG, marine diesel oil, marine gas oil, marine bio-oil, 메탄올, Pyrolysis oil, renewable diesel, SVO(Straight Vegetable oil), ULSFO(Ultra-low sulfur fuel oil)이다.

LCA*(Life Cycle Assessments) : 제품 생산과 관련된 모든 과정인 원료의 채취와 원자재 및 제품 생산, 운송, 사용, 폐기에 이르기까지 사용되거나 배출되는 원자재 및 에너지의 투입물과 환경으로 배출되는 오염물 혹은 산출물 등의 환경부하를 정성적 및 정량적 기법으로 분석하기 위해 개발된 도구이다.(출처 : ISO 14040, 2006)

Marine Fuels

1. 암모니아

암모니아는 질소와 세 개의 수소 원자로 구성된 자극적인 냄새가 나는 무색 가스이다. 일반적으로 암모니아는 천연 가스나 스팀 메탄 리포밍을 통해 생산되지만, 바이오매스나 태양이나 풍력 등의 재생 가능 에너지원을 이용하여 생산될 수도 있다. 암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않기 때문에 기존 연료에 대한 대안으로 고려된다. 암모니아의 단점은 독성이 있고 적절한 처리 및 저장이 필요하며 연소 과정에서 높은 양의 NOX를 배출한다는 것이다.

이 연구에서는 천연가스를 사용하여 암모니아를 생산하며, 국내 생산 및 천연 가스 수입 비율은 각각 40%와 60%이다. 수입된 천연가스는 정제 과정에서 국내로 운반되며, 이때 수입된 천연 가스는 해상 탱커로 4800 km 운반되며, 항구에서 정제소까지는 철도(1250 km), 강(1270 km) 및 국내 생산 천연 가스는 트럭(380 km)을 이용하여 운반된다.

2. Biodiesel

3. Dimethyl ether(DME)

DME는 청색 가스로, 천연가스, 석탄 또는 바이오매스를 가스화 과정을 통해 생성된다. 이 연구에서는 미국 내에 있는 천연가스로부터 생성된 DME를 고려한다. 계산 과정에서 천연 가스 광합장으로부터 DME 공장까지의 거리는 160 km로, 파이프라인으로 운송된다. 전통적인 디젤 연료와 비교하여 DME는 높은 세탄 수를 가지고 있어 공기 오염물질 배출이 적다. DME의 또 다른 이점은 비독성 및 부식성 특성으로 인해 쉬운 저장 및 운송이 가능하다는 것이다. 또한, DME는 주요 수정 없이 디젤 엔진에서 사용될 수 있다. 그러나 DME는 디젤 연료보다 에너지 밀도가 낮고, 점성과 윤활성이 다루기 어렵다는 주요한 도전을 가지고 있다.

4. E-FT-Diesel

E-FT-디젤은 카본 디옥사이드와 수소를 액체 연료로 변환하는 프로세스인 피셔-트롭스 합성을 통해 생산되는 합성 디젤 연료이다. 이 연료는 매우 낮은 탄소 배출량으로 생산될 수 있고, 낮은 황 및 아로마 특성을 가지므로 환경에 친화적으로 간주된다. 또한, E-FT-디젤은 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 기존 디젤 엔진과 호환되지만, 고 에너지 소비 및 비용이 많이 드는 생산 과정 및 대규모 인프라 및 투자가 필요하다는 단점이 있다.

5. E-Methanol

E-메탄올은 탄소 디옥사이드와 재생 가능한 원격원인 풍력 또는 태양 등에서 생성된 전기를 사용하여 생산되는 재생 연료의 일종이다. 고 부동 수지 등급 및 생산 과정에서 재생 전기를 사용하고, 황과 아로마 함유량이 낮아 흥미로운 옵션으로 여겨진다. 생산 과정이 현재 비용과 에너지 집중적인 제약 요소이다. 또한, 광범위한 인프라 및 투자가 필요하여 E-메탄올을 연료로 널리 보급하는 것을 제약할 수 있다.

6. FT-Diesel

FT-디젤은 피셔-트롭스 공정을 통해 석탄, 천연가스 또는 바이오매스와 같은 탄소 함유 원료로부터 얻어진다. 공정에서 사용되는 원료가 재생 가능한 원산지에서 유래되므로 이산화탄소 배출량이 전통적인 디젤 연료보다 낮아진다. 또한, FT-디젤은 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 기존 디젤 엔진에서 수정 없이 사용할 수 있다. 또한, 황과 아로마 함유량이 낮아 대기 오염물질 배출이 줄어들고 대기 질이 향상될 수 있다. 그러나 현재 FT-디젤의 생산 과정에는 높은 에너지 및 비용이 요구된다. 이 연구에서 소개된 FT-디젤은 미국의 천연가스에서 생산된다. 천연가스를 FT-디젤 공장까지 운반하는 파이프라인 거리는 80 km이다.

7. 수소

수소는 다목적으로 사용할 수 있는 무색이면서 무취의 가스이다. 수소는 천연가스, 바이오매스 및 재생 가능한 전기를 사용하여 전해 분해하는 과정을 통해 다양한 원산지에서 생산될 수 있다. 본 논문에서는 주 전력망 전기를 사용하여 전해 분해된 수소를 고려한다. 수소가 연료 전지에서 사용되면 온수증발 및 열을 생성하면서 온실 가스나 대기 오염물질을 배출하지 않는다. 또한, 수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 저장 및 운송이 쉽고 안전하다. 그러나 수소 사용에는 생산 비용이 높고 저장 및 인프라 부족 등의 도전이 여전히 존재한다.

8. LNG

LNG는 천연가스를 -162°C로 냉각하여 더 조밀하고 이동이 용이한 액체 형태로 변환된 연료이다. 본 논문에서는 천연가스(97%)와 쉘 가스 회수(3%)에서 LNG를 생산하며, 가스 광합장에서 LNG 공장까지의 운송은 파이프라인(50 km)을 통해 이루어진다. LNG의 환경적 이점은 다른 화석 연료보다 적은 이산화탄소와 대기 오염물질을 배출한다는 것이다. 또한, LNG는 비독성이며 무취, 무색이며 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 게다가, LNG는 성숙한 기술로서 확립된 공급망과 유통 인프라를 갖추고 있다. 그러나 LNG의 제조, 저장 및 운송 비용은 단점이다.

9. LPG

LPG는 프로판 또는 부탄가스로 구성된 탄화수소 연료이다. 또한, LPG는 기존 연료에 비해 더 적은 입자물질 및 다른 오염물질을 생성한다. 게다가, LPG는 높은 에너지 밀도와 성숙한 공급망 및 유통 인프라를 가지고 있어 신뢰성 있는 기술로 간주된다. 그러나 LPG의 생산, 운송 및 저장 비용은 비교적 높다. 또한, LPG를 사용할 때 특정한 안전 조치와 장비가 필요하여 전반적인 비용과 복잡성이 증가한다. 이 연구에서는 부탄 및 원유로부터 생산된 LPG가 포함되며, 원유의 20%는 캐나다 및 멕시코에서 해상 탱커로 수입되며(1125 km), 나머지 80%는 미국에서 생산된다. 내륙 운송은 철도(1290 km)로 34%, 강(840 km)으로 6%, 파이프라인(650 km)으로 60% 운송된다.

10. Marine diesel oil

해양 바이오 오일은 조류나 식물 재료와 같은 재생 가능한 생물 매체로부터 유래된 액체 연료로, 기존 화석 연료에 대한 대체 연료로서 해양 운송에 사용될 수 있다. 본 연구에서는 숲 잔사, 깨끗한 솔나무 및 포플러와 같은 재생 가능한 생물 매체로부터 해양 바이오 오일이 생산되었으며, 각각 60%, 30% 및 10%의 비중을 차지한다. 이동 거리는 트럭으로 160 km이다. 연소 과정에서 낮은 이산화탄소 배출량과 유황 산화물 생성이 없어 해양 바이오 오일은 매력적인 연료 선택이다. 게다가, 해양 바이오 오일은 기존 디젤 엔진에서 약간의 수정을 통해 사용될 수 있다. 그러나 지속 가능한 생물 매체 원료의 비용과 가용성은 해양 바이오 오일의 생산 가능성을 제한할 수 있다.

11. Methanol

메탄올은 무색이며 고인 알코올로, 높은 화염성을 가지고 있다. 메탄올은 바이오매스나 폐기물과 같은 재생 가능한 원료에서 생산될 수 있어 전통적인 화석 연료에 대한 더 지속 가능한 대안이다. 이 연구에서는 천연가스로부터 메탄올을 생산하며, 천연가스 광합장에서 메탄올 생산시설까지의 운송은 파이프라인을 통해 이루어진다. 메탄올은 내연기관에서 소량의 수정을 필요로 하지만 사용할 수 있다. 그러나 메탄올은 에너지 밀도가 낮고 생산 비용, 메탄올 생산의 접근성 및 인프라가 도전적이다.

12. Pyrolysis oil

파이로리시스 오일은 바이오매스를 열분해 과정을 통해 생산되는 액체 연료이다. 파이로리시스 오일 생산에 사용되는 바이오매스는 농작물 잔재, 나무 및 폐기물과 같은 재생 가능한 자원을 포함한다. 이 연구에서 사용된 파이로리시스 오일은 숲 잔사로부터 생산되며, 숲 지역에서 연료 공장까지의 운송은 트럭을 이용하여 120 km로 이루어진다. 파이로리시스 오일의 사용은 화석 연료에 비해 온실 가스 배출량을 줄이고 대기 질을 개선할 수 있다. 또한, 기존 디젤 엔진에서 최소한의 수정으로 사용될 수 있다. 그러나 파이로리시스 오일 생산 과정의 부식 효과와 복잡성은 도전적이다.

13. Renewable diesel

재생 디젤은 채소 오일, 동물 지방 및 폐 오일과 같은 재생 가능한 원료에서 생산된 연료이다. 재생 디젤은 바이오 디젤과 유사한 원료를 가지고 있지만, 재생 디젤은 완전히 정제된다는 점에서 바이오 디젤과 차이가 있다. 재생 디젤은 HFO로부터 생산되며, 본 연구에는 옐로 그리스가 포함된다. 운송 과정은 강(840 km), 철도(1125 km) 및 트럭(130 km)을 통해 이루어진다. 재생 디젤은 기존 디젤 엔진 및 연료 인프라와 호환되며, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 석유 디젤과 혼합하거나 독립적으로 사용할 수 있다. 그러나 생산 과정의 복잡성, 생산 단계에서 발생하는 유해한 배출물 및 고차원의 오염 물질 생성은 재생 디젤의 도전 요소이다.

14. SVO

SVO는 대두, 해바라기 또는 유채 등의 식물 오일에서 유래되는 대체 연료로, 디젤 연료를 대체할 수 있다. 이 연구에서는 카멜리나 식물에서 생산된 SVO가 포함되며, 농지에서 연료 생산 시설까지의 거리는 80 km로 트럭을 이용하여 운송된다. SVO는 인간 소비에 적합하지 않은 폐기물이나 과잉 채소 오일에서 생산되는 저비용 연료이다. 그러나 SVO를 연료로 사용하는 것은 높은 점도와 탄소 침전물의 축적과 같은 도전이 제기될 수 있다.

생산, 운송, 연소단계에 따른 배출량 비율을 아래에 따라 계산하였다.