Exploring Circular Economy and Decarbonization Pathways

Abstract

순환 경제로의 전환은 자원 고갈, 폐기물 생성, 탄소 배출과 같은 점점 증가하는 환경 문제를 해결하기 위해 필수적이다. 순환 경제 원칙을 탈탄소화 전략과 통합하면 2050년까지 넷제로 목표를 달성하고 더 넓은 지속 가능성 목표를 진전시키는 데 박차를 가할 수 있다. 본 논문은 바이오매스를 이용한 열분해 바이오 항공유 생산, 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene, EPS) 폐기물의 화학적 재활용, 나프타 분해 공장의 탈탄소화 전략 등 순환 경제와 탈탄소화를 구현하기 위한 세 가지 경로에 대한 종합적인 평가를 제시한다. 기술경제성 분석(techno-economic analysis, TEA)과 전과정평가(life cycle assessment, LCA)를 활용하여, 본 연구는 이 경로들의 기술적 타당성, 경제적 실행 가능성, 환경적 영향을 평가하며 지속 가능한 산업 활동에 대한 통찰을 제공한다. 제1장은 연구의 배경과 동기를 개괄적으로 소개하며, 순환 경제 및 탈탄소화 전략 채택의 필요성을 강조하는 환경적 및 산업적 문제를 다룬다. 또한 지속 가능성 목표를 달성하기 위한 해결책으로 순환 경제와 탈탄소화의 기본 개념을 소개하고, 각 세부 주제가 순환 경제 원칙에 어떻게 부합하는지를 보여주는 연구 프레임워크를 제시한다. 제2장에서는 바이오매스를 고속 열분해로 바이오 오일로 전환한 후 수소화 공정을 통해 바이오 항공유를 생산하는 공정을 탐구한다. 경제성 분석 결과, 바이오 항공유 생산은 리터당 최소 판매 가격(minimum fuel selling price, MFSP)이 1.03달러로 기존 항공유와 가격 경쟁력이 있음을 보여준다. LCA 결과에 따르면, 바이오 항공유는 기존 항공유에 비해 온실가스(GHG) 배출을 최대 95.27%까지 감소시킬 수 있어 환경적으로 지속 가능한 대안임을 강조한다. 제3장은 EPS 폐기물을 촉매 열분해를 통해 재활용하여 재활용된 스타이렌렌 단량체(recycled styrene monomer, r-SM)를 생산하는 화학적 재활용을 다룬다. 열분해의 최적 공정조건을 결정하기 위해 실험 결과를 활용하였다. 세 가지 사례가 전처리 및 제품 순도에 따라 평가되었다: 사례 1: 전처리 용매 없이 95% 이상의 순도를 가진 저급 r-SM 생산 사례 2: THF를 전처리 용매로 사용하여 95% 이상의 순도를 가진 저급 r-SM 생산 사례 3: 전처리 용매 없이 99% 이상의 순도를 가진 고급 r-SM 생산 각 사례는 연간 35,000톤(“a”로 표시) 및 72,000톤(“b”로 표시)의 공장 규모로 모델링 되었다. 사례 3b는 r-SM의 최소 제품 판매 가격(minimum product selling price, MPSP)이 킬로그램당 1.06달러로, v-SM과 비교하여 가장 경제적으로 경쟁력이 있는 사례로 나타났다. LCA 결과, 사례 1은 기존 v-SM 생산에 비해 GHG (greenhouse gas) 배출을 최대 89%까지 가장 많이 감소시킬 수 있음을 보여준다. 제4장에서는 기존 나프타 분해 공장을 위한 탈탄소화 전략을 다룬다. 여기에는 분해로에서 그린 및 블루 암모니아(NH₃)와 수소(H₂)와 같은 탄소 배출 없는 연료를 사용하는 것, 탄소 포집·활용·저장(CCUS), 메탄을 메탄올로 전환하는 기술 등이 포함됩니다. 분석 결과, 블루 암모니아 50%를 연료로 사용하는 전략이 탄소 회피 비용(carbon avoidance cost, CAC) 87.98달러/t CO₂-eq으로 가장 경제적인 것으로 나타났습니다. 100% 그린 암모니아는 더 큰 GHG 배출 감소를 달성했지만, CAC가 더 높아 환경적 이점과 경제적 효율성 간의 균형이 필요함을 보여줍니다. 제5장에서는 모든 경로에서 도출된 결론과 주요 통찰을 요약한다. 이 통찰은 향후 연구 방향을 제안하고 추가 탐색 가능성을 식별하는 데 기초가 된다. 본 연구는 자원 소비를 줄이고 배출을 감소시키며 지속 가능성 목표를 달성하기 위한 순환 경제 원칙과 탈탄소화 전략 통합의 중요성을 강조한다. 연구 결과는 정책 입안자, 산업계, 연구자들에게 순환 경제 응용 및 탈탄소화 노력을 강화하기 위한 실행 가능한 통찰을 제공합니다. 또한 대체 원료, 사회적 영향 평가, 세계적 맥락으로의 확장 등에서의 추가 혁신이 지속 가능하고 공정한 산업 미래를 보장하기 위해 필요하다는 점을 강조한다.|The transition toward a circular economy is crucial for addressing the growing environmental challenges of resource depletion, waste generation, and carbon emissions. Integrating circular economy principles with decarbonization strategies accelerates progress toward achieving net-zero emissions by 2050 and advancing broader sustainability goals. This thesis presents a comprehensive evaluation of three specific pathways for implementing circular economy and decarbonization: biojet fuel production from biomass via pyrolysis, chemical recycling of expanded polystyrene (EPS) waste, and decarbonization strategies in a naphtha cracking plant. Using techno-economic analysis (TEA) and life cycle assessment (LCA), this study assesses the technological feasibility, economic viability, and environmental impacts of these pathways, providing insights into their potential for sustainable industrial practices. Chapter I presents a general overview of the research background and motivation, emphasizing the environmental and industrial challenges that necessitate the adoption of circular economy and decarbonization strategies. It introduces the foundational concepts of circular economy and decarbonization as solutions to achieve sustainability goals and outlines the research framework, demonstrating how each subtopic aligns with circular economy principles. Chapter II explores the production of biojet fuel from woody biomass, which is converted into bio-oil through fast pyrolysis and subsequently upgraded via hydroprocessing to produce hydrocarbon-range jet fuel. The economic analysis reveals that biojet fuel production is economically competitive, with a minimum fuel selling price (MFSP) of $1.03/L, making it comparable to conventional jet fuel prices. The LCA results show that biojet fuel reduces greenhouse gas (GHG) emissions by up to 95.27% compared to conventional jet fuel, highlighting its potential as an environmentally sustainable alternative. Chapter III focuses on chemical recycling of EPS waste to produce recycled styrene monomer (r-SM) through catalytic depolymerization. Experimental results were used to determine the optimal process conditions for depolymerization. Three cases were evaluated based on pre-conditioning and product purity: Case 1) low-18 grade r-SM (> 95% purity) without solvent, Case 2) low-grade r-SM (> 95% purity) using THF as a solvent, and Case 19 3) a high-grade r-SM (> 99% purity) without solvent. Each case was modeled at two industrial capacities: 35,000 tons/year (labeled as "a") and 72,000 tons/year (labeled as "b"). Among these, Case 3b proved to be the most cost-competitive option compared to virgin styrene monomer (v-SM), with a minimum product selling price (MPSP) of $1.06/kg. The LCA results revealed that Case 1 achieved the greatest GHG emissions reduction, with emissions up to 89% lower than v-SM production. Chapter IV evaluates decarbonization strategies for an existing naphtha cracking plant through multiple case studies. Proposed strategies included the use of carbon-free fuels, such as green and blue ammonia (NH₃) and hydrogen (H₂), in the cracking furnace, alongside the integration of carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and methane-to-methanol conversion technologies. The analysis found that utilizing a 50% blend of blue ammonia as fuel was the most cost-effective option, achieving a carbon avoidance cost (CAC) of $87.98/t CO₂-eq. While 100% green ammonia offered greater GHG emissions reductions, its higher CAC presented a trade-off between environmental and economic performance. Chapter V presents a summary of conclusions and key insights drawn from the findings across all pathways. These insights serve as a foundation for proposing future research directions and identifying opportunities for further exploration. The study emphasizes the importance of integrating circular economy principles with decarbonization strategies to reduce resource consumption, lower emissions, and achieve sustainability goals. The results provide actionable insights for policymakers, industries, and researchers to advance circular economy applications and decarbonization efforts. The findings also highlight the need for further innovation in alternative feedstocks, detailed social impact assessments, and expansion into global contexts to ensure a sustainable and equitable industrial future.