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탄화수소 기반 공정
# 서론
현재 세계 1차 에너지의 약 78%가 화석 연료에 의해 공급됩니다(IEA 2020c). 앞서 살펴본 바와 같이 경제 전반에 걸친 탈탄소화에 대한 추진은 화석 연료 사용을 감소시킬 것이지만, 탈탄소화된 미래에 글로벌 에너지 시스템에서도 화석 연료는 계속 중요한 역할을 할 것입니다. 또한, CCS와 같이 전통적으로 화석 전력 생산과 관련된 기술은 생태계에서 CO2를 추출하는 데 사용할 수 있기 때문에 NZE를 달성하는 데 중요한 옵션이 될 것입니다. 탄소 중립 및 탄소 네거티브 연료의 생산은 NZE 네트워크의 기반이 될 것입니다.
탄화수소 기반 공정 TSC는 다음 영역에서 기술을 평가하고 발전시키는 데 중점을 두고 있습니다.
탄화수소로부터 저탄소 에너지 운반체 생산
수소를 암모니아와 같은 다른 수소 기반 연료로 전환하는 공정
CO2를 연료로 전환
산업 소스 및 대기에서의 CCS(즉, DAC)
NZE를 달성하기 위해 저탄소 AEC 및 합성 탄화수소의 생산을 총체적으로 검토해야 하며, 그 결과 발생하는 배출물을 어떤 방식으로든 포착할 수 있는 탄화수소의 생산을 포함해야 합니다. 앞서 강조했듯이, 현재 전용 수소 생산량의 98% 이상이 화석 연료에서 생산됩니다(IEA 2019b). 탄소 포집과 이러한 화석 연료 기반 공정을 결합하면 단기적인 저탄소 수소 생산 방법이 제공됩니다. 저탄소 또는 무탄소 방법을 사용하여 생산된 수소는 합성 탄화수소 연료(예: SNG) 및 AEC 역할도 하는 화학 물질(예: 암모니아, 메탄올)의 생산을 위한 핵심 성분이기도 합니다. 합성 탄화수소의 또 다른 핵심 성분은 CO2입니다. 포집된 CO2는 기존 인프라에 다시 삽입할 수 있는 연료를 만드는 데 재사용할 수 있습니다. 저탄소 에너지를 사용하여 기존 화석 기반 시설과 호환되는 소위 "드롭 인(drop in)" 연료 및 액체 및 기체 연료를 생성하면 에너지 저장 문제를 해결하고 수소, 암모니아 및 합성 탄화수소와 같은 청정 AEC의 통합을 가속화하는 데 도움이 됩니다.
이러한 AEC와 관련된 한 가지 주요 과제는 생산 비용입니다. 예를 들어, 수소 생산은 오늘날 광범위한 산업 공정이지만, 대부분의 수소 생산은 탄소 집약적인 화석 기반 공정을 통해 이루어집니다. 현재 CCS를 이러한 공정과 통합하면 수소 생산 비용이 거의 두 배가 됩니다.
# 주요 연구 질문
LCRI 과정에서 TSC는 다음과 같은 연구 문제를 해결하고자 합니다.
다음을 사용하는 에너지 시스템의 순 비용과 이점은 무엇입니까?
합성 연료 생산(종종 이퓨얼(E-fuels)이라고 함)
탄화수소 공급 원료에서 수소 생산(예: CCS를 사용한 SMR(증기 메탄 재형성), 메탄 열분해로 인한 수소)
탄화수소 공급 원료에서 비탄소 연료 생산(예: 암모니아)
CO2 공급/재사용을 위한 산업용 CCS 및 DAC
기존 화석 연료 공급을 저탄소 화학 물질과 산업 공정이나 대기 중 포집된 저탄소 수소 및/또는 CO2에서 생산된 연료로 대체할 수 있는 기술 경제적 잠재력은 얼마입니까?
위에 나열된 응용 분야의 경우 대체 탈탄소화 방법과 비교하여 잠재적인 비용 영향 및 배출 감소 가능성은 무엇입니까?
단기적으로 저탄소 화석 기반 수소 생산 방법을 구축하는 데 있어 주요 장벽은 무엇입니까? 어떤 조건에서 기존 화석 기반 수소 생산 능력을 CCS로 개조하는 것이 저탄소 전해 수소 생산 능력을 배치하는 것보다 더 유리합니까?
수소 생산 및 산업 응용 분야에서 90% 이상의 탄소 포집률을 적용할 수 있는 잠재력은 무엇입니까? 더 높은 포집율과 관련된 비용, 운영 요인 및 배출 감소에 미치는 영향은 무엇입니까?
# 연구 노력
TSC에서 개발된 프로젝트는 비용, 성능 및 순 CO2 배출량 정보를 포함하는 엔지니어링 분석 및 보고서를 생성할 것으로 예상됩니다. 기술 경제 및 수명 주기 분석 접근 방식은 모두 이해 관계자가 기술 옵션을 식별하고 우선 순위를 지정하는 데 사용됩니다.
합성 탄화수소를 생성하기 위한 분자의 변환은 무엇보다도 수성 가스 전환 반응기 및 개질기와 같은 다양한 기술 간의 공정 통합이 필요합니다. 이러한 탄소 중립 탄화수소 연료의 잠재력을 이해하려면 분자 전환 기술을 CCS 및/또는 전기분해에 통합하는 것이 중요합니다.
TSC는 AEC를 생산하기 위한 CCS 배치에 중점을 둘 계획입니다. 예에는 CCS를 사용한 SMR의 수소 생산이 포함됩니다. 이 공정은 수소와 CO2를 분리하기 위해 압력 스윙 흡착을 사용하여 생성물 수소의 순도를 높인 반면, 공정의 전체 CO2 배출량을 줄이기 위한 탄소 포집에 대한 작업은 거의 없었습니다. 잠재적 연구에는 90% 이상의 CO2 포집을 위해 CCS를 배치하는 데 필요한 비용 및 에너지 평가가 포함됩니다.
# 연구 목표
이 TSC의 전반적인 연구 목표는 탄화수소 기반 기술에서 제로 탄소 연료를 채택하는 방법을 제공하는 에너지 시스템을 분석하고 입증하는 것입니다. 다음 기술 영역이 이 목표를 향한 가장 유망한 옵션을 제공할 것으로 예상됩니다.
저탄소 AEC(예: 수소, 암모니아) 생산 및 개발 시연
저탄소 탄화수소 연료(예: SNG, 피셔-트로프슈 리퀴드, 메탄올) 개발 및 생산 시연
파일럿 프로젝트 외에도 다른 연구 옵션에는 비용과 에너지 모두에 대한 수명 주기 평가가 포함되며, 이는 주로 컴퓨터 모델링 또는 분석을 기반으로 합니다. 다양한 기술의 정확한 비교를 지원하기 위해 평가할 수 있는 여러 프로토타입 및 데모 프로젝트가 전 세계적으로 활성화되어 있습니다. LCRI는 이러한 저탄소/무탄소 에너지 시스템에 대한 최신 글로벌 정보를 수집하여, 이러한 노력을 이끄는 데 도움이 될 수 있습니다.
# 목표 1: 대규모 기술 통합 지원
전략 1: 최신 기술을 이해하고 미래 기술 통합 및 배포를 위한 격차 분석 개발
- 조치: AEC 및 합성 탄화수소(예: 수소, 암모니아, 메탄올, 피셔-트로프슈 리퀴드 및 메탄)를 생산하는 상용 기술 평가
전략 2: 비용, 배출 및 성능 메트릭을 정의하고 다른 기술과 비교하여 탄화수소 기반 프로세스의 역할 평가
조치: 에너지 산업에서 사용하기 위해 CCS가 있는 경우와 없는 경우 모두 탄화수소를 AEC로 변환하기 위한 수명 주기 평가를 수행합니다.
조치: CO2를 합성 탄화수소로 전환하기 위한 수명 주기 평가를 수행합니다.
# 목표 2: 기술 배포를 가속화하기 위한 노력 식별 및 주도
전략 1: 기술 방법 비교를 위한 평가 기준 및 방법 개발
- 조치: 진행 중인 글로벌 활동에 대한 정보를 수집하고 주요 성과, 비용 및 배출 감소 지표를 식별합니다.
전략 2: 엔지니어링 연구 수행
- 조치: 관련 R&D 프로젝트 식별(예: 추가 엔지니어링 및 경제 연구, 실험실에서 파일럿 규모 프로젝트 또는 기타 유사한 활동)
# 기술 개발에서 LCRI의 예상 역할
TSC는 연구 목표와 관련된 상업 및 개발 기술의 환경을 정기적으로 평가합니다. TSC는 기술 개발에서 LCRI의 예상 역할에 따라 기술을 구성했습니다(그림 17 참조). TSC는 예상 활동 수준을 선택할 때 여러 고려 사항의 균형을 유지하려고 합니다. 이러한 고려 사항에는 예상 배포 기간, 노력 수준, 초점 및 유사한 목표를 가진 다른 조직/이니셔티브의 투자, 탈탄소화 전략에서 다양한 산업/부문을 지원하는 잠재적 역할, 철저한 분석을 수행하는 데 사용할 수 있는 관련 정보의 양이 포함됩니다. 이니셔티브가 진행되는 동안 TSC는 진행 중인 TSC 활동의 연구 결과와 통합 에너지 시스템 분석 TSC에서 생성된 에너지 경제 모델링 결과를 기반으로 이러한 위치를 업데이트할 계획입니다.
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# 다른 기술 소위원회와 공동 연구 분야
아래 목록은 다른 TSC의 활동과의 공동 연구 및 통합이 필요한 영역을 요약한 것입니다.
수소, 암모니아 및 기타 AEC의 제조, 저장 및 운송의 건강, 안전 및 환경 측면.
수소 저장 기술.
발전 및 기타 대용량 최종 사용과의 통합.
천연 가스 인프라와 분산 시스템과의 수소 혼합.