수소 생산 및 탄소 포집 및 저장을 위한 혼합 플라스틱 폐기물의 가스화 타당성

커뮤니케이션 지구 및 환경 3권, 기사 번호: 300(2022) 이 기사 인용

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탄소 포집 및 저장과 결합된 수소 생산을 위한 폐플라스틱 기화는 플라스틱 폐기물 문제를 해결하기 위한 하나의 기술 옵션입니다. 여기에서는 이 옵션을 평가하기 위해 기술 경제적 분석과 수명주기 평가를 수행했습니다. 탄소 포집 및 저장 기능을 갖춘 2000 오븐 건조 미터톤/일 혼합 플라스틱 폐기물 공장의 최소 수소 판매 가격은 US$2.26~2.94kg−1 수소이며, 이는 탄소 포집 및 저장 기능을 갖춘 화석 연료 수소(US$1.21~1)와 경쟁할 수 있습니다. 2.62kg−1 수소) 및 현재 전기분해 수소(US$3.20~7.70kg−1 수소). 개선 분석에서는 평균 최소 수소 판매 가격을 US$2.60에서 US$1.46kg−1 수소로 낮추기 위한 로드맵을 개략적으로 설명합니다. 이는 탄소 배출권이 탄소 포집 및 저장 비용에 근접할 경우 US$1.06kg−1 수소로 더욱 낮아질 수 있습니다. 낮은 공급원료 비용으로. 수명주기 평가 결과, 혼합 플라스틱 폐기물에서 추출된 수소는 단일 스트림 플라스틱보다 환경에 미치는 영향이 더 낮은 것으로 나타났습니다.

플라스틱은 건설, 포장, 운송, 전자, 섬유 등을 포함한 많은 분야에서 중요한 소재입니다1,2. 지난 반세기 동안 플라스틱 수요와 생산이 급격히 증가하여1, 낮은 플라스틱 재활용률로 인해 상당한 플라스틱 폐기물이 발생했습니다. 1950년부터 2015년까지 누적 플라스틱 폐기물 발생량(63억 미터톤(Mt)) 중 9%만이 재활용되었으며, 반면에 60% 이상이 폐기되었습니다(매립지 또는 자연 환경에 축적됨)1. 매립되거나 폐기된 플라스틱 폐기물 및 그 파편(예: 미세플라스틱 및 나노플라스틱)은 환경 문제에 대한 우려를 증가시켰습니다3,4,5,6. 플라스틱 재활용을 늘리는 것은 플라스틱 폐기물 처리를 줄이기 위한 필수 전략 중 하나입니다7. 플라스틱 재활용에는 기계적(예: 자기 밀도 분리) 및 화학적 재활용(예: 가스화)이라는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다7. 최근에는 또 다른 형태의 재활용 방법인 용제 기반 재활용(또는 물리적 재활용이라고도 함)도 주목받고 있습니다8. 플라스틱 기계적 재활용의 과제에는 열-기계적 분해(예: 폴리머의 가열 및 기계적 전단으로 인해 발생)7, 플라스틱 분해(예: 수명 동안 광산화 과정으로 인해 발생), 혼합 플라스틱 재활용 시 다양한 폴리머 간 비호환성9이 포함됩니다. 오염(예: 코팅, 잉크, 첨가제, 금속 잔류물 또는 다양한 플라스틱 스트림 간의 교차 오염)9,10. 일부 폐플라스틱은 낮은 부피밀도(예: 필름), 경량(예: 폴리스티렌(PS)), 낮은 경제적 가치(예: PS), 적외선을 흡수하여 혼란을 주는 카본블랙 색소로 인해 기계적으로 재활용이 어렵습니다. 분류 기계9,11. 따라서 전통적인 기계적 재활용 방법만으로는 증가하는 플라스틱 폐기물의 양과 다양성을 해결하기에는 충분하지 않습니다. 화학적 재활용의 일종인 열화학적 방법은 기계적 재활용에 비해 해중합이 어렵거나 경제적, 기술적 장벽으로 인해 기계적 재활용이 어려운 플라스틱 폐기물을 처리하는데 장점이 있다7,12. 열화학 공정에는 열분해 및 가스화가 포함되며, 이는 에너지, 탄소 및 수소 함량이 높고 수분 함량이 낮은 폐플라스틱을 처리할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다13. 열화학 공정은 다양한 제품을 생산할 수 있으며, 수소는 성숙하고 성장하는 시장을 갖춘 제품 중 하나입니다14. 수소는 정유 및 화학 산업에서 널리 사용되는 중요한 산업용 가스이며, 운송을 위한 청정 에너지원으로도 사용될 수 있습니다15. 미국 에너지부(DOE)는 청정 에너지에 대한 막대한 수요를 고려하여 2050년까지 미국의 수소 수요가 연간 22~41백만 톤에 달할 것으로 추정했습니다16. 현재 수소 생산의 96%는 화석 연료 개질(예: 석유, 천연 가스, 석탄)을 사용합니다15. MPW를 수소로 전환하면 수소 생산을 위한 화석 연료 수요를 줄이고 급속도로 증가하는 플라스틱 폐기물17이라는 전 세계적 문제를 해결할 수 있는 잠재력이 있습니다. 예를 들어, 미국 DOE 수소 프로그램 계획에서는 폐플라스틱을 포함한 "다양한 국내 자원"을 수소 생산의 중요한 원천으로 강조했습니다16.