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저탄소 에너지 공급망들의 전과정평가 및 기술경제성평가: 액화천연가스, 액화수소, 암모니아 및 메탄올
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2024. 2. 임영섭.지구온난화 및 기후 위기 문제를 해결하기 위해 저탄소 에너지의 보급이 중요하다. 저탄소 에너지 자원이 풍부한 지역에서 그렇지 않은 지역으로 저탄소 에너지원을 운송하기 위한 방법으로서 수소 경제가 논의되고 있다. 화석 연료로부터 생산된 그레이수소는 저탄소 에너지원이 아니므로, 청정 수소 경로로서 블루수소와 그린수소가 보급되어야 한다. 하지만, 기존에 보고되는 블루수소의 전과정 온실가스 배출량은 넓은 범위를 보이고 있고, 이들 값에 따라 청정 수소 기준의 만족여부가 달라질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 그레이수소 및 블루수소 생산 공정 모사를 통해 전과정 온실가스 배출량 평가를 수행하였고, 블루수소 생산 시 폐열 회수 기반 통합 블루수소 모델이 청정 수소 기준에 근접하는 것을 확인하였다. 한편, 수소의 장거리 운송 시 경제적인 운송을 위해 대체 에너지 운반체로 전환되어야 한다. 이 대체 에너지 운반체 공급망으로는 액화수소, 액화암모니아, 메탄올 공급망이 주목받고 있고, 이들 중 어떤 공급망이 환경 및 경제성 측면에서 유리한지에 대한 논의가 현재 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 호주에서 대한민국으로 수소 장거리 운송 시 액화수소, 액화암모니아, 메탄올 형태의 운송 시나리오에 대하여 각각 전과정평가 및 기술경제성평가를 수행하였고, 이를 바탕으로 전과정 온실가스 배출량 및 비용을 평가하였다. 대상 수소 경로로서 그레이수소, 블루수소, 통합 블루 수소 모델이 각각 분석되었다. 추가로, 분석된 수소 가치사슬을 기존의 천연가스 가치사슬과 비교하기 위해 액화천연가스 공급망에 대한 평가도 수행되었다. 결과적으로, 전과정 온실가스 배출량 관점에서 통합 블루수소 모델 기반 액화암모니아 공급망이 가장 유리한 결과를 나타내었고, 메탄올 공급망과 액화수소 공급망이 그 뒤를 이었다. 해당 액화암모니아 공급망은 기존 화석연료 기반 액화천연가스 공급망보다 전과정 온실가스 배출량이 약 13% 저감되었다. 비용 관점에서는 액화수소 공급망이 가장 우수한 결과를 보였고 액화암모니아 공급망이 그 뒤를 이었지만, 이들의 비용은 기존 화석연료 기반 액화천연가스 공급망 대비 약 3배 정도 높은 가격을 가지며, 아직까지 수소 가치사슬의 가격 경쟁력이 낮은 것을 확인하였다. 나아가, 해당 가치사슬의 주요 변수들에 대한 민감도 분석 내용과 각 공급망별 개선된 시나리오가 적용되었을 때의 분석 내용도 본 논문의 논의 단계에서 다뤄진다.
주요어: 저탄소 에너지, 블루수소 가치사슬, 천연가스 가치사슬, 전과정평가, 기술경제성평가
학번: 2017-26970Life Cycle and Techno-Economic Assessments of Low-Carbon Energy Supply Chains: Liquefied Natural Gas, Liquefied Hydrogen, Ammonia, and Methanol
Heechang Son
Department of Naval Architecture and Ocean Engineering
The Graduate School
Seoul National University
Distribution of low-carbon energy is important to solve the problems of global warming and climate crisis. The hydrogen economy is being discussed as a way to transport low-carbon energy sources from resource-rich regions to resource-poor regions. Gray hydrogen produced from fossil fuels is not a low-carbon energy source, and therefore blue hydrogen and green hydrogen should be spread as clean hydrogen pathways. However, the previously reported life cycle greenhouse gas emissions of blue hydrogen show a wide range, and whether clean hydrogen standards are satisfied can vary depending on these values. Therefore, in this thesis, life cycle assessment is performed based on simulation results of gray hydrogen and blue hydrogen production processes, and it is confirmed that an integrated blue hydrogen production process based on waste heat recovery can meet to the clean hydrogen standards. Meanwhile, when transporting hydrogen over long distances, it needs to be converted to alternative energy carriers for economical transport. As alternative energy carrier supply chains, liquefied hydrogen, liquefied ammonia, and methanol supply chains are attracting attention, and further, discussions are currently underway on which of these supply chains is advantageous in terms of environment and cost. Therefore, in this thesis, life cycle and techno-economic assessments are conducted for each transport scenario of the three energy carrier supply chains when transporting hydrogen over long distances from Australia to Republic of Korea. As hydrogen pathways, gray hydrogen, blue hydrogen, and integrated blue hydrogen models are analyzed respectively. Additionally, assessments of liquefied natural gas supply chain are performed to compare the analyzed hydrogen value chain with the existing natural gas value chain. As a result, in terms of life cycle greenhouse gas emissions, the integrated blue hydrogen model- based liquefied ammonia supply chain shows the most advantageous results, followed by the methanol and liquefied hydrogen supply chains. The liquefied ammonia supply chain reduces life cycle greenhouse gas emissions by about 13% compared to the existing fossil fuel-based liquefied natural gas supply chain. From a cost perspective, the liquefied hydrogen supply chain has superior results in the hydrogen value chain, but the electricity generation costs of the liquefied hydrogen supply chain are still about three times higher than that of the fossil fuel-based liquefied natural gas supply chain in the electricity value chain. This means that the cost competitiveness of the hydrogen value chain is still low. Furthermore, in discussion section of this thesis, sensitivity analyses are performed on key variables in the value chain, and analysis of advanced scenarios for each supply chain is also covered.
Keyword : Low-carbon energy; Blue hydrogen value chain; Natural gas value chain; Life cycle assessment; Techno-economic assessment
Student Number : 2017-26970Life Cycle and Techno-Economic Assessments of Low-Carbon Energy Supply Chains: Liquefied Natural Gas, Liquefied Hydrogen, Ammonia, and Methanol 1
Abstract . i
List of Tables vi
List of Figures . ix
Nomenclature xi
Chapter 1. Introduction . 1
1.1. Background and Motivation 1
1.2. Objectives and Novelties . 7
1.3. Thesis scope 9
1.4. Thesis structure . 9
Chapter 2. Methods 11
2.1. Process modeling and simulation 11
2.2. Life cycle assessment (LCA) 11
2.2.1. Goal and scope 12
2.2.2. Life cycle inventory 13
2.2.3. Impact assessment 14
2.2.4. Interpretation 15
2.3. Techno-economic assessment (TEA) 20
2.3.1. CAPEX estimation 20
2.3.2. OPEX estimation . 22
2.3.3. TAC calculation 25
Chapter 3. Modeling and Simulation 26
3.1. Value chain and supply chain description . 26
3.1.1. Value chains and functional units 26
3.1.2. Transport scenario 29
3.1.3. Energy carrier supply chains 30
3.2. Production stage . 34
3.2.1. Gray H2 production process 34
3.2.2. CO2 capture and compression systems . 46
3.2.3. Blue H2 production process 49
3.2.4. Integrated blue H2 production process 51
3.3. Conversion stage 54
3.3.1. Natural gas liquefaction process 54
3.3.2. H2 liquefaction process . 56
3.3.3. NH3 synthesis process 65
3.3.4. MeOH synthesis process 69
3.4. Transport and utilization stages 74
3.4.1. Storage and transport stages 74
3.4.2. Reconversion and utilization stages 80
Chapter 4. Results and Discussion 85
4.1. Life cycle assessment results 85
4.1.1. LCA results of production stage 85
4.1.2. LCA results of conversion stage 88
4.1.3. LCA results of transport stage 90
4.1.4. LCA results of reconversion and utilization stages . 94
4.1.5. LCA results of value chains 99
4.2. Techno-economic assessments results . 102
4.2.1. Cost breakdown . 102
4.2.2. TEA results of value chains . 106
4.3. Discussion 109
4.3.1. Sensitivity analyses 109
4.3.2. Advanced scenarios . 112
Chapter 5. Concluding remarks 120
5.1. Conclusions 120
5.2. Limitations and future work 122
Bibliography . 124
Appendix A (Process stream data) . 129
Appendix B (Life cycle inventory data) 146
Appendix C (CAPEX parameters) . 150
Appendix D (Input source data used in SimaPro software) 161
Abstract in Korean (국문초록) . 169박
Development of universal/personalized artificial bloods using mini-pigs
No full text미니돼지 자원 활용 범용/맞춤형 인공혈액 개발사업KGM425191
