[논문 리뷰] Fuels of the Future for Renewable Energy Sources (Ammonia, Biofuels, Hydrogen)

G. Ali Mansoori, L. Barnie Agyarko외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 31.

Biodiesel Production and Applications참고 문헌 89인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지원을 통해 생산되는 암모니아, 생분유 및 수소를 지속 가능한 에너지 운반체로 평가하며, 이들이 운송 및 산업 분야의 탄소 배출을 감소시키는 데 잠재력을 지닌다고 강조한다. 이들은 온실가스 배출를 줄이기 위해 녹색 합성 기술을 적용하여 화석 연료와 경쟁하지 않는 대체 에너지원으로서의 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

Potential strategies for the development and large-scale application of renewable energy sources aimed at reducing the usage of carbon-based fossil fuels are assessed here, especially in the event of the abandonment of such fuels. The aim is to aid the initiative to reduce the harmful effects of carbon-based fossil fuels on the environment and ensure a reduction in greenhouse gases and sustainability of natural resources. Small-scale renewable energy application for heating, cooling, and electricity generation in households and commercial buildings are already underway around the world. Hydrogen (H2) and ammonia (NH3), which are presently produced using fossil fuels, already have significant applications in society and industry, and are therefore good candidates for large-scale production through the use of renewable energy sources. This will help to reduce the greenhouse gas emissions appreciably around the world. While the first-generation biofuels production using food crops may not be suitable for long-range fuel production, due to competition with the food supply, the 2nd, 3rd and 4th generation biofuels have the potential to produce large, worldwide supplies of fuels. Production of advanced biofuels will not increase the emission of greenhouse gases, and the ammonia produced through the use of renewable energy resources will serve as fertilizer for biofuels production. The perspective of renewable energy sources, such as technology status, economics, overall environmental benefits, obstacles for commercialization, relative competitiveness of various renewable energy sources, etc., are also discussed whenever applicable.

연구 동기 및 목표

• 암모니아, 수소 및 고급 생분유가 대규모 재생 가능 에너지 운반체로서의 실현 가능성 평가
• 화석 연료에서 재생 가능 기반 연료 생산으로의 전환 과정에서의 환경적, 경제적, 기술적 과제 분석
• 2세대, 3세대 및 4세대 생분유가 식량 공급과의 경쟁을 피할 수 있는 역할 평가
• 녹색 암모니아가 생분유 원료 생산에 사용되는 비료로서의 통합 가능성 탐색
• 다양한 재생 가능 연료 기술의 글로벌 배포를 위한 경쟁력 및 확장성 비교

제안 방법

• 수소, 암모니아 및 생분유의 현재 기술 수준, 경제성 및 환경적 영향에 대한 체계적 검토 및 분석
• 수소(예: 전기분해) 및 암모니아(예: 녹색 하버-보쉬 공정)의 재생 가능 기반 생산 경로 평가
• 식량이 아닌 생물질 및 해조류를 원료로 사용하는 2세대, 3세대 및 4세대 생분유의 평가를 통해 식량 대 연료 갈등 방지
• 생분유 작물 생산에 사용되는 지속 가능한 비료로서 녹색 암모니아의 통합 분석
• 에너지 효율성, 인프라 호환성 및 확장성 측면에서 연료 유형 간 비교 평가
• 기술 및 경제 평가를 뒷받침하기 위해 39페이지의 분석 자료, 16幅의 그림 및 8개의 표를 활용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재생 가능 에너지원을 활용한 대규모 녹색 수소 및 암모니아 생산 방법은 무엇이며, 이를 통해 화석 연료 기반 제품을 대체할 수 있는가?
• RQ2 1세대 생분유와 고급 생분유 간의 환경적 및 경제적 성과 간 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 녹색 암모니아는 생분유 원료 재배에 지속 가능한 비료로 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ4 재생 가능 기반 연료의 상용화를 위한 주요 기술적 및 경제적 장벽은 무엇인가?
• RQ5 글로벌 탄소 감축을 위한 수소, 암모니아 및 고급 생분유의 상대적 경쟁력과 확장성은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 재생 가능 에너지원으로 구동되는 전기분해 및 하버-보쉬 공정을 통해 생산된 녹색 수소 및 암모니아는 세계적인 온실가스 배출 감소에 기여할 수 있다.
• 2세대, 3세대 및 4세대 생분유는 넓은 스케일의 연료 생산이 가능하며, 순 탄소 배출가 없이도 식량 공급과의 경쟁을 피할 수 있다.
• 녹색 암모니아는 생분유와 함께 생산되어 지속 가능한 비료로 활용될 수 있으며, 순환형 생물경제를 실현하는 데 기여할 수 있다.
• 재생 가능 기반 연료로의 전환 과정에서는 인프라, 비용 및 기술 준비도의 도전 과제에 직면해 있으며, 특히 녹색 수소 및 암모니아의 경우 더욱 심각하다.
• 고급 생분유 및 녹색 암모니아는 땅 사용 및 식량 경쟁이 감소하므로 1세대 생분유보다 더 지속 가능하고 확장성이 뛰어나다.
• 논문은 재생 가능 기반 연료가 기술적으로 실현 가능하고 환경적으로 유익하지만, 상용화를 위해서는 정책적 지원 및 투자 필요성을 결론으로 제시한다.