[논문 리뷰] Can we improve the environmental benefits of biobased PET production through local 1 biomass value chains? A life cycle assessment perspective

Carlos García-Velásquez, Yvonne van der Meer|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Bioeconomy and Sustainability Development참고 문헌 23인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 유럽 현지 농업 원료(설탕甜수수, 밀, 미스칸투스)를 사용한 30% 및 100% 생물기반 PET 생산의 환경 성과를 생애주기 평가(LCA) 및 글로벌 민감도 분석(GSA)을 통해 평가한다. 연구는 미스칸투스 기반 생물기반 PET가 이산화탄소 배출 및 환경 영향을 가장 낮게 유지하며, 브라질 사탕수나 인도 모래설탕과 같은 수입 원료보다 뛰어난 성능을 보임을 입증한다. 또한 LCA와 GSA의 통합은 유럽 내 지속 가능한 생분해성 플라스틱 공급망 최적화를 위한 초기 단계 의사결정 지원 도구로 중요한 역할을 한다고 위치한다.

ABSTRACT

The transition to a low-carbon economy is one of the ambitions of the European Union for 2030. Biobased industries play an essential role in this transition. However, there has been an on-going discussion about the actual benefit of using biomass to produce biobased products, specifically the use of agricultural materials (e.g., corn and sugarcane). This paper presents the environmental impact assessment of 30% and 100% biobased PET (polyethylene terephthalate) production using EU biomass supply chains (e.g., sugar beet, wheat, and Miscanthus). An integral assessment between the life cycle assessment methodology and the global sensitivity assessment is presented as an early-stage support tool to propose and select supply chains that improve the environmental performance of biobased PET production. From the results, Miscanthus is the best option for the production of biobased PET: promoting EU local supply chains, reducing greenhouse gas (GHG) emissions (process and land-use change), and generating lower impacts in midpoint categories related to resource depletion, ecosystem quality, and human health. This tool can help improving the environmental performance of processes that could boost the shift to a low-carbon economy.

연구 동기 및 목표

• 지역 유럽 농업 원료(설탕수수, 밀, 미스칸투스)를 사용한 30% 및 100% 생물기반 PET 생산의 환경 영향을 수입 원료(브라질 사탕수, 인도 모래설탕)와 비교 평가하기.
• 현재 세계 공급망과 비교할 때 지역 농업 원료 가치사슬이 생물기반 PET 생산의 환경적 이점을 향상시킬 수 있는지 평가하기.
• 생애주기 평가(LCA)와 글로벌 민감도 분석(GSA)을 통합하여 초기 단계에서 최적의 공급망 구성 요건을 식별하는 의사결정 지원 도구로 활용하기.
• 에너지 공급원, 농업 관리 방식, 분할 방법 등 환경 성과에 영향을 미치는 핵심 매개변수를 규명하여 지속 가능한 공정 설계를 이끌기

제안 방법

• 다양한 원료 및 공급망 구성 방식을 사용한 생물기반 PET 생산 경로에 대한 비교 생애주기 평가(LCA) 수행.
• 환경 영향 결과에 영향을 미치는 핵심 매개변수(에너지 매트릭스, 비료 사용 방식, 분할 방법 등)의 영향을 정량화하기 위해 글로벌 민감도 분석(GSA) 적용.
• 중간점 영향 범주(예: 온실가스 배출, 자원 고갈, 생태계 질 향상)를 사용하여 다양한 시나리오 간의 환경 성과 평가.
• 시스템 경계 내에서 생물학적 탄소 회계를 통합하여 순 온실가스(GHG) 배출 평가.
• 공급망에서 환경 영향이 가장 높은 핵심 단계를 식별하기 위해 핫스팟 분석 수행.
• LCA와 GSA를 통합하여 초기 설계 단계에서 환경적으로 열등한 공급망 대안을 우선순위 정하기 위한 의사결정 지원 프레임워크 구축.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 유럽 농업 원료(설탕수수, 밀, 미스칸투스)를 사용한 30% 및 100% 생물기반 PET 생산의 환경 영향이 수입 원료(브라질 사탕수, 인도 모래설탕)와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ2 1세대 원료(설탕수수, 밀)와 2세대 원료(미스칸투스) 중에서 생물기반 PET 생산에서 가장 낮은 환경 영향을 초래하는 농업 원료는 무엇인가?
• RQ3 생물기반 TPA 생산에 사용되는 에너지 원천의 선택(예: 셰일석탄 대비 재생 가능 전기)이 전체 환경 성과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 농업 관리 방식(예: 비료 사용)과 분할 방법이 에탄올 및 MEG 생산의 환경 영향에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 LCA와 글로벌 민감도 분석(GSA)의 통합이 생물기반 PET 공급망에서 환경 개선 전략을 식별하고 우선순위 정하기 위한 효과적인 초기 단계 도구로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 미스칸투스는 모든 중간점 영향 범주에서 가장 낮은 온실가스(GHG) 배출 및 환경 영향을 초래하는 최적의 원료로 부상한다.
• 미스칸투스를 사용한 100% 생물기반 PET는 화석 기반 PET 대비 최대 40%의 온실가스 배출 감소를 기록하며, 주로 생물학적 탄소 흡수와 낮은 토지 이용 변화 배출 덕분이다.
• 지역 유럽 공급망은 수입 사탕수나 모래설탕에 의존하는 세계 공급망과 비교해 환경 성과에서 뚜렷한 우월성을 보인다.
• 생물기반 TPA 생산에 재생 가능 에너지(예: 벨기에, 독일, 프랑스)를 사용할 경우 석탄 기반 에너지 대비 온실가스 배출 감소 효과가 뚜렷하여 청정 에너지 통합의 중요성을 입증한다.
• 글로벌 민감도 분석(GSA)은 설탕수수 재배 시 비료 사용 방식과 사탕수 모래설탕 생산에서의 분할 방법 선택이 환경 영향 불확실성에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 매개변수로 규명되었다.
• 통합된 LCA-GSA 프레임워크는 핫스팟과 핵심 개선 요인을 효과적으로 식별하여 생분해성 플라스틱 공급망의 지속 가능성 향상을 위한 데이터 기반의 초기 단계 의사결정을 가능하게 한다.