Techno-economic-environmental analysis methodology of bio-fuel production process = 바이오 연료 생산 공정에 대한 경제성 및 환경성 분석 방법론

국문 초록 (Abstract)

글로벌 에너지 전환은 바이오에너지를 필수적으로 요구하며, 특히 열분해 기반 지속가능 항공유(SAF)는 항공과 같이 전기화가 어려운 부문의 탈탄소화에 핵심 경로로 부상하고 있다. 본 논문은 바이오에너지 시스템의 확장 과정에서 직면하는 두 가지 구조적 도전 과제, 즉 (1) 공급원료의 규모 의존적 경제성, (2) 생물기원 CO2 배출과 격리 간의 시간적 격차를 다루고자 하였으며, 이는 기존의 정적 생애주기평가(LCA) 방법론이 포착하지 못하는 부분이다.
우선, 본 연구는 산림 잔재(FR) 열분해를 통한 SAF 생산의 확장 가능성을 분석하였으며, 기본 설계안을 바탕으로 베이지안 최적화를 통해 추가적인 최적화를 수행하였다. 이 기본 설계안은 다양한 수소화 바이오오일 화합물 모델링을 적용한 일부 경우를 제외하고, SAF 제품이 성능 기준을 충족하는 것으로 확인되었다. 암모니아 크래킹 경로가 최적의 수소 공급 옵션으로 도출되었으며, 이는 PEM 전기분해와 유사한 온실가스 감축 효과를 보이면서도 연료 단가를 40% 절감하고, 50%의 회색 수소 혼입을 허용하였다. 탄소포집(CCS)을 적용할 경우 순음의 배출 달성이 가능하나, 비용이 54% 증가하였으며, 부분적 CCS 도입 시 리터당 $1.75로 규제 요건을 충족하였다. 확장성 평가 결과, 바이오매스 공급 한계 내에서 기술적 실현 가능성이 확인되었고, 항공유 대체 비율 10%에서 경제성이 극대화되어 정책 목표(1–5%)를 상회하였으며, 대규모 적용 시 리터당 $1 미만의 비용 달성도 가능함을 보였다.
또한, 본 연구는 시간의존적 지구온난화지수(TDGWP)를 LCA에 적용하여, 배출 시점을 반영함으로써 SAF의 기후 영향 평가의 정확성을 높였다. 정적 지표와 달리, TDGWP는 배출과 생물학적 탄소 격리 간의 시간적 지연이 산림 기반 SAF의 순 기후효과에 미치는 영향을 규명하였다. 이 개념을 2050년 탄소 중립 목표에 부합하도록 SAF 생산 최적화에 적용하였으며, 산림 재성장에 의한 탄소상쇄, 프로젝트 규모, 규제 수요와의 정렬 등을 통합적으로 고려하였다. 동적 최적화 모델을 통해 최대 200억 달러 이익과 -487.29 gCO2e/MJ 배출을 달성할 수 있는 운영전략이 각각 도출되었으며, 이는 항공 부문 탈탄소화 전략에서 배출의 시간적 특성 고려가 필수적임을 시사한다.
종합적으로, 본 논문은 열분해 기반 SAF의 기술·경제적 가능성, 암모니아 크래킹 통합의 이점, 그리고 동적 LCA의 정책·기술 평가 도구로서의 가치를 입증하였다. 이러한 결과는 항공 부문 기후 대응형 바이오 정유 시스템 도입을 위한 방법론적 기반을 제공한다. 향후 연구에서는 공급원료 가격 및 조성의 불확실성, 산림 재성장의 시공간적 변동성 등 다양한 운영 조건에 대한 심층 분석을 통해 바이오 정유 시스템의 실용성을 더욱 제고할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The global energy transition necessitates bioenergy, with pyrolysis-based sustainable aviation fuel (SAF) emerging as a critical pathway for decarbonizing hard-to-electrify sectors like aviation. This thesis addresses two systemic challenges in scaling bioenergy systems: (1) the scale-dependent viability of feedstocks and (2) the temporal gap between biogenic CO2 emissions and sequestration, which static life cycle assessment (LCA) methods fail to capture.
First, this study analyzed scalable SAF production from forestry residue (FR) pyrolysis, starting with a base case design that was further optimized via Bayesian optimization. This base case confirmed that the SAF product meets performance standards, except in certain cases involving alternative hydrotreated bio-oil compound modeling. Ammonia cracking emerged as optimal, matching PEM electrolysis' emissions with 40% lower fuel costs and allowing 50% gray hydrogen use. Carbon capture systems (CCS) achieved net-negative emissions but raised costs by 30%, while partial CCS met regulations at $1.75/L. Scalability assessments found technical feasibility within biomass limits, with economic optimization at 10% aviation fuel replacement—exceeding mandates—and potential costs below \$1/L under scaled conditions.
Also, time-dependent global warming potential (TDGWP) in LCA was applied improving climate impact assessments of SAF by accounting for emission timing. Unlike static metrics, TDGWP reveals how delays between emissions and biogenic carbon sequestration affect net climate benefits. The research applied this approach to optimize SAF production aligned with 2050 net-zero targets, balancing carbon offset mechanisms, project scale, and regulatory demands. A dynamic optimization model identified operational strategies achieving a balance between $20 billion profit and -487.29~g~CO2e/MJ emissions, highlighting the need to address temporal emission dynamics in aviation decarbonization plans.
Overall, this thesis demonstrates the technical and economic pro-mise of pyrolysis-based SAF, the benefits of ammonia cracking integration, and the value of dynamic LCA for robust policy and technology assessment. The findings provide a methodological foundation for advancing climate-responsive bio-refinery deployment in the aviation sector. Additionally, future research should expand its scope by conducting in-depth analyses of various operational conditions, including uncertainties in feedstock prices and composition profiles, as well as spatial and temporal variability in forest regrowth, to further enhance the practical applicability of biorefinery systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Sustainability and Bioenergy 1
• 1.2 Research motivation and objective 2
• 1.2.1 Process Scale-up Analysis 2
• 1.2.2 Dynamic Life Cycle Analysis 4
• 1.3 Outline of the Thesis 4
• 2. Backgrounds and Preliminaries 6
• 2.1 Life Cycle Analysis 6
• 2.2 Global Warming Potential 10
• 2.3 Time-based Discounted GWP 13
• 2.4 Reference Design of Bio-refinery Process 16
• 2.4.1 Basis for Process Design 16
• 2.4.2 Biomass Feeding 20
• 2.4.3 Pyrolysis 20
• 2.4.4 Hydrotreating 25
• 2.4.5 Hydrogen Recovery 31
• 2.4.6 Off-gas Combustion 31
• 3. Well-to-Wake Analysis: Scale-up Feasibility of Forest Residue Pyrolysis 33
• 3.1 Introduction 33
• 3.2 Hydrogen Production Models 36
• 3.2.1 Ammonia Cracking 36
• 3.2.2 Steam Methane Reforming-based Blue Hydrogen (SMRB) 40
• 3.2.3 Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolysis 41
• 3.3 Evaluation Model 41
• 3.3.1 Hydrotreated Bio-oil Compound Modeling 41
• 3.3.2 Bayesian Optimization for Design Enhancement 53
• 3.3.3 Life Cycle Inventory 55
• 3.3.4 Economic Assessments 61
• 3.4 Results and Discussions 64
• 3.4.1 Base Case Design Enhancement 64
• 3.4.2 Alternative Hydrogen Production Pathways 70
• 3.4.3 Application of Carbon Capture and Storage 79
• 3.4.4 Economic Analysis of Pyrolysis Plant Scalability 82
• 3.5 Conclusion 84
• 4. Dynamic Life Cycle Analysis: Security of Carbon Neutrality Assumption 86
• 4.1 Introduction 86
• 4.2 Methodology 88
• 4.3 Experiments and Discussion 92
• 4.3.1 Net-zero Emission Case 92
• 4.3.2 Parameter Sensitivity Analysis 94
• 4.4 FR Pyrolysis Plant Application 97
• 4.4.1 Operation Maximization 97
• 4.4.2 Pareto Front of Economic and Environmental Objectives 100
• 4.4.3 Net Present Value with Carbon Credit 106
• 4.5 Conclusion 106
• 5. Concluding Remarks 108
• 5.1 Conclusions 108
• 5.2 Future Work 110
• Bibliography 111