촉매반응에 의한 에탄올 생산공정의 전 과정 평가
정연수†·황일훈·여영구*·주오심**·정광덕**
서울시립대학교화학공학과
130-743 서울시동대문구전농동 90
*한양대학교화학공학과
133-791 서울시성동구행당동 17
**한국과학기술연구원나노환경연구센터
136-791 서울시성북구하월곡동 39-1 (2006년 5월 9일접수, 2006년 6월 15일채택)
Life Cycle Assessment of Ethanol Production Process Based on Catalytic Reaction Yonsoo Chung
†, Ilhoon Hwang, Yeong-Koo Yeo*, Oh-Shim Joo** and Kwang-Deog Jung**
Department of Chemical Engineering, University of Seoul, 90, Cheonnong-dong, Dongdaemun-gu, Seoul 130-743, Korea
*Department of Chemical Engineering, Hanyang University, 17, Haengdang-dong, Seongdong-gu, Seoul 133-791, Korea
**Eco-Nano Research Center, Korea Institute of Science and Technology, 39-1, Hawolgok-dong, Sungbuk-gu, Seoul 136-791, Korea (Received 9 May 2006; accepted 15 June 2006)
요 약
이논문에서는전과정평가기법을이용하여촉매반응에의한에탄올생산공정의환경적가치를평가하고발효에 의한에탄올생산공정과그환경성을비교하였다. 평가의목적은두공정의환경성비교를통하여보다환경친화적인 공정개발을위한방안을마련하는데있었다. 두공정에서생산되는에탄올의소비및폐기과정은모두동일하다고 가정하고원료물질의획득으로부터제품의생산과정에대한전과정평가를실시하였다. 촉매공정에대한전과정목 록분석을통해중간원료인메탄올의생산과정에서발생하는이산화탄소가주요환경오염인자라는것을확인하였다.
두공정에대한영향평가의결과비교를통하여발효에의한에탄올생산이촉매반응에의한것보다환경친화적이라 는것을확인하였다. 전과정평가의결과를바탕으로공정의환경성개선을위한방안을제시하였다.
Abstract −In this paper, the methodology of life-cycle assessment was applied to an ethanol production process based on catalytic reaction. The environmental performance of the process was quantified and compared with that of the fermenta- tion process. The purpose of the assessment was to develop design guidelines for the environmentally better ethanol pro- duction. The assessment was carried only on the stages of raw material acquisition through ethanol manufacture since it was assumed that ethanol from two processes had the same environmental impacts through its use and discard. The inven- tory analysis of the catalytic process resulted in that carbon dioxide from methanol production was the major environmen- tal impact. The impact assessment showed that the fermentation process was environmentally better than the catalytic one.
Suggestions for environmental improvement of the catalytic process were prepared based on the assessment results.
Key words: Life-Cycle Assessment, Ethanol Production Process, Catalytic Reaction, Fermentation, Environmental Comparison
1. 서 론
에탄올은전분의발효, 메탄의산화반응그리고에틸렌, 아세틸렌,
합성가스등의화학적전환반응등을통해생산되고있다. 에탄올 은주로주류의생산에이용되지만화학산업에있어서매우중요한 용매및중간원료로써이용되기도한다. 최근에는 MTBE의환경 유해성논란에따라가솔린의옥탄가를높이기위한주요첨가물로 각광받고있다.
촉매반응을통해화학적으로에탄올을생산하는많은공정이개
발되었다. Uhm 등[1]은메탄올을원료로하여에탄올을합성하는
촉매공정을제안하였으며 Hwang과 Chung[2]은그반응실험결과 에기초하여생산공정의기본설계를실시하고공정의물질및에너 지수지를확립하였다. Hwang[3]은공정의경제성평가를통해시
간당 100 kg의에탄올을생산하는경우촉매반응을이용한화학적
에탄올생산공정이발효를이용한생물학적공정에비해더욱경제 적이라고보고하였다.
두공정에서생산되는에탄올의품질이동일하다면연속공정을 통해대량생산이가능하고경제성이뛰어난화학적에탄올생산공
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
정을선택하는것이당연해보인다. 그러나공정의선택을위해서 는이러한기술적, 경제적요소뿐아니라환경적, 사회적, 정책적요 소등도고려되어야한다. 탄소세등과같은새로운세금의도입, 옥 수수등재생가능한원료의사용에따른세금의감면, 환경유해요 소에대한세금부과등환경적, 정책적요소등에의하여공정의경 제성이달라질수있고그에따라공정의선택역시달라질수있다.
여기서는발효공정과촉매공정의환경성을정량적으로평가하기 위하여전과정평가기법을사용하였다. 전과정평가를통해메탄 올의촉매반응을통해에탄올을생산하는공정[1]의환경적가치를 평가하고발효에의한에탄올생산공정의전과정평가[4]의결과 와비교함으로써보다환경친화적인공정개발을위한방안을마련 하고자하였다.
2. 전 과정 평가의 목적 및 범위
여기서실시한전과정평가의목적은메탄올과합성가스의촉매 반응을통해에탄올을생산하는공정의환경적가치를정량적으로 평가하고, 그결과를발효공정에대한전과정평가[4]의결과와대 비함으로써두공정의환경성을비교하는데있었다. 전과정평가 를통해두공정의환경적문제점을비교, 확인하고자하였으며얻 어진결과는보다환경친화적인에탄올생산공정의개발을위한 지침을마련하는데이용될수있을것이다.
발효공정과촉매공정에서생산되는에탄올의질과용도가모두 같다고가정하여원료물질의획득으로부터제품의생산과정까지만 을시스템경계안에포함하였다. Fig. 1은촉매반응을이용한에탄 올생산공정의전과정평가에적용된시스템경계안에존재하는 단위공정들을나타낸것이다.
본연구에서는 95％의에탄올 1 kg을생산하는것을기능단위로 채택하였는데이는발효공정에대한전과정평가[4]에서채택한기 능단위와같다. 전과정평가는 ISO 14040[5]을비롯한 Vigon 등[6]과
Fava 등[7~9]에서정의된 방법 및 과정을 좇아 실시되었으며
GaBi[10], SimaPro[11], TEAM[12] 등상용프로그램을사용하여
목록분석을수행하였고 Eco-indicator 95[13]를이용하여영향평가 를실시하였다. 촉매반응을이용한에탄올생산공정의환경성향상 을위한방안을마련하기위하여전과정해석이실시되었다.
3. 목록분석
본연구의시스템경계안에는원료물질인천연가스를획득하는 과정, 천연가스를액화하고수송하는과정, 합성가스로제조하는과 정, 합성가스로부터메탄올을합성하고메틸아세테이트를거쳐최 종적으로에탄올을얻는과정등이포함되었으며생산된에탄올의 유통, 소비및폐기단계는제외되었다. 촉매반응에의한에탄올생 산공정에서주원료로쓰이는메탄올은합성가스의전환반응에의해 얻어지며합성가스는다시천연가스로부터얻어진다고가정하였다.
공정에이용되는천연가스는인도네시아를비롯한동남아시아국가 의인근해안에서채굴된다고가정하였다. 채굴된천연가스의주요 성분은메탄이며, 수증기, 고밀도의탄화수소, 질소, 황화수소등의 불순물이포함되어있다. 채굴된천연가스는액화공정을거쳐불순 물이제거된후파이프라인또는 LNG선을통해수송되는데여기 서는 LNG선을이용하여국내로수송된다고가정하였다. 천연가스 의액화는다량의천연가스액화에경제적으로유리하다고알려진 다단냉동법을이용하는것으로가정하였다. 수송된천연가스는수 소와반응하여합성가스로전환되고합성가스는다시메탄올로전환 된다. 메탄올은합성가스와반응하여중간물질인메틸아세테이트를 생성하며메틸아세테이트는최종적으로에탄올로전환된다[1]. 생성 된에탄올은증류공정을통해 95％까지정제된다고가정하였다.
천연가스의획득에관한자료는미국환경청의보고서[14]를기초 로하였으며천연가스의액화및수송과정에대한자료는주로
SimaPro[13]의데이터베이스로부터수집하였다. 합성가스와메탄올
의제조에대한자료역시상용데이터베이스를중심으로수집하였 다. 천연가스채굴및액화과정의공간적경계는인도네시아로가 정하였으며합성가스, 메탄올및에탄올합성공정등의공간적경 계는국내로하였다. 천연가스의채굴로부터메탄올의제조과정까 지는모든상용공정이존재하는데반해, 메틸아세테이트를거쳐에 탄올이합성되는과정은상용공정이아직개발되지못한상태이다.
메탄올이촉매반응에의해메틸아세테이트를거쳐에탄올로전환되 는과정과정제과정에대해서는전산모사를통하여얻어진공정의
기본설계결과[2, 3]에근거하여자료를확보하였다. 천연가스의수
송이후모든단위공정의공간적경계가국내로설정되었지만본 연구에서는국내데이터를전혀사용하지않았다.
수집된전과정자료와전산모사의결과에의하면에탄올 1 kg을 생성하는데합성가스 2 kg과메탄올 2.7 kg이소비되며물과혼합된
아세트산 3.7 kg이부산물로생성되는것으로나타났다. 부산물은
추가정제를통해아세트산생산에이용되는것으로가정하고그에 따른환경부하의할당을실시하였다. 할당은에탄올과아세트산의
무게비에따랐으며그비는 1:1.3이었다.
같은제품을생산하는여러공정을비교하기위하여전과정평 가를수행할때, 목록분석이동일한동일한목록에대하여실시되 지않는경우환경영향평가의결과를해석하는데많은어려움이따 를수있다. 이러한이유로여기서는발효에의한에탄올생산공정 의전과정평가[4]에서사용하였던것과동일한목록에대하여목 록분석을실시하였다. 목록분석에여러상용프로그램을동시에사 용하여부족한자료의비교및상호지원을통해자료의질을높이
고자하였다. Table 1은목록분석을통해수집, 정리된물질가운데
기능단위당 1 g 이상의사용및배출량을보인물질에대하여그
값을정리한것이다. Fig. 1. Unit processes inside of the system boundary of the ethanol
production process based on catalytic reaction.
목록분석의결과는물과천연가스의사용량및이산화탄소배출 량이크게두드러진반면수질오염물질의배출량은상대적으로적 고고형폐기물의배출량은무시할수있을정도로적다는것을보
이고있다. 에탄올 1 kg을생산하기위해 168 kg 정도의물이이용
되고있으며그중 80％는냉각수로이용되고있음을알수있었다.
물다음으로많이소비되고있는물질은천연가스로기능단위당
약 5.4 kg이이용되었다. 기능단위당 16 kg 이상의많은대기오염
물질이발생하였는데그중 98％이상이이산화탄소라는것을알 수있었다. 이산화탄소외에도수소, 황산화물, 메탄, 질소산화물등 이대기중으로배출되었다. 수질오염물질의배출량은질량기준으 로대기오염물질배출량의 1％이하이었으며그대부분은염소와 나트륨성분이었다. 고형폐기물의경우, 기능단위당 1 g 이상배출
되는물질이전혀없는것으로나타났다. Table 1에는나타나지않
았지만칼슘, 탄소등의성분들이고형폐기물의형태로매우소량 배출됨을알수있었다.
이산화탄소는촉매반응을이용한에탄올생산공정에서발생하는 주요오염물질로서질량기준으로전체오염물질배출량의 97％이
상을차지하고있다. Fig. 2는시스템경계안에존재하는각단위
공정의이산화탄소배출정도를상대적으로나타낸것이다. 단위공 정가운데메탄올생산공정이가장많은이산화탄소를배출하고있 으며그양은전체이산화탄소배출의 40％정도를차지하고있다.
이는메탄올생산공정에투입되는화석연료때문인것으로판단된 다. 합성가스전환공정과에탄올합성공정에서도많은양의이산화 탄소가배출되는데그배출량은각각전체의 28.0％와 12.6％였다.
메탄올이천연가스로부터합성가스를거쳐생성되므로메탄올생산 과정에서발생하는이산화탄소는전체의 68％정도임을알수있다.
이는메탄올생산공정이전체공정의환경성을결정하는데매우큰 역할을한다는것을의미한다.
주요공정변수들을대상으로 TEAM[12]을이용한민감도분석을
실시하였다. 주요공정변수로서합성가스와메탄올의투입량을선 택하여각각±50％의변화를주고이산화탄소배출량의변화를관 찰하였다. 민감도분석결과, 합성가스투입량의변화에대한결과의
변화는 ±5％정도인반면메탄올투입량의변화에대한결과의변 화는±40％정도로나타났다. 이러한결과역시에탄올제조공정과 관련하여그하부구조인메탄올생산공정의효율성이매우중요함 을보여주는한편전과정평가의신뢰도향상을위해서는이러한 하부구조에대한보다면밀한자료수집과평가가이루어져야함을 나타낸다.
4. 영향평가
목록분석의결과를분류하고특성화하여정량화된환경지표를 계산하는영향평가[5]는제품또는공정의전과정을통해발생하 는주요환경부하의정도및발생원인을파악하는데매우유용한 자료를제공한다. 발효공정과의환경성비교를위해서 Chung 등[4]
에서와같이 Eco-indicator 95[13]를이용하여촉매공정에대한영
향평가를수행하였다. 따라서여기서얻은결과는국제적데이터를 바탕으로한것이기때문에국내의실정을반영한것은아니다.
Fig. 3은촉매반응에의한에탄올생산공정에대한영향평가의결
과를정규화하여나타낸것이다. 정규화는 Eco-indicator 95에서일 반적으로이용되는가중치를이용하여실시하였다. Fig. 3에서환 경영향요소별환경부하의크기는각가로막대의전체길이로나타 나는데이로부터온실가스및산성화의발생등이주요환경부하
라는것을알수있다. 또한, Fig. 3은각환경영향요소의환경부하
를그것을유발하는단위공정별로다시구분하여보이고있다. 단 위공정별환경부하의발생을살펴보면, 에탄올생산공정의하위공 정인메탄올생산공정에서가장큰환경부하가발생하며에탄올합 성과합성가스의생산과정에서도상대적으로큰환경부하가발생 함을알수있다. 이들에비해다른단위공정의영향은무시할수 있을정도로작았다.
이상에서보았듯이촉매반응에의한에탄올생산공정의환경성 을저하시키는가장큰요소는메탄올생산과정이며이는화석연 료의이용에따른이산화탄소의발생에의한것임을알수있었다. Table 1. Life-cycle inventory data of the ethanol production process
based on catalytic reaction
Inventory Parameter LCI Result (g/kg ethanol) Resources
Cooling water 126,900
Water (unspecified) 31,506
Natural gas 5,380
Air Emissions
Carbon dioxide 15,883
Hydrogen 100
Sulfur oxides 75
Methane 63
Nitrogen oxides 28
Water Emissions
Chlorides 78
Sodium 30
Suspended matter 6
Chemically polluted water 4
Fig. 2. Carbon dioxide emissions from sub-processes of the catalytic ethanol process.
따라서보다환경친화적인에탄올생산을위해서는메탄올생산 공정에서의효과적인에너지사용이중요함을알수있었다.
5. 발효공정과 촉매공정의 비교 5-1.목록분석에의한비교
같은제품을생산하는서로다른두공정의환경성을비교하는 가장간단한방법의하나는두공정에서이용되는자원의양과배 출되는오염물질의양을직접비교하는것이다. 발효공정에대한 전과정평가[4]와여기서실시한촉매공정에대한전과정평가의 목록분석결과로부터두공정의목록분석에서상대적으로큰결과 값을갖는목록들은냉각수의사용량과이산화탄소, 화학적으로오 염된물, 그리고쓰레기등의배출량임을알수있다. 이들을정량
적으로직접비교한결과가 Fig. 4이다. 냉각수의사용과이산화탄
소등대기오염물질의배출측면에서는촉매공정이발효공정에비 해환경적으로불리하며, 화학적으로오염된물등수질오염물질과 쓰레기등고형폐기물의발생측면에서는발효공정이촉매공정에 비해환경적으로불리함을알수있다. 그러나발생량은많아도환 경적으로적은영향을미치는물질이있으며, 발생량은적지만환 경적으로큰영향을미치는물질이존재할수있기때문에보다정 확한환경성비교를위해서는목록분석결과뿐아니라영향평가의 결과가동시에고려되어야함을알수있다.
5-2.영향평가에의한비교
발효공정에대한전과정평가[4]와앞서설명한촉매공정에대 한전과정평가의영향평가결과로부터, 두공정모두산성화및 온실가스효과등의요소에대해상대적으로큰환경부하가발생함 을알수있다. 이들을포함한모든요소들에대하여발생하는환 경부하의크기를직접비교하기위하여두공정에대한영향평가
의정규화된결과를하나로정리하여보인것이 Fig. 5이다. Fig.
5는온실효과, 산성화, 스모그, 중금속, 부영양화의발생등거의모 든요소들에대해서촉매공정이발효공정에비해더큰환경부하 를발생함을보이고있다. 이로부터촉매반응에의한에탄올생산 공정이발효에의한공정에비해환경적으로더나쁜영향을미친 다는결론을내릴수있다.
6. 전 과정 해석
발효공정에비해환경적으로더나쁜것으로밝혀진촉매공정의 환경성개선을위해다음몇가지방안을점검하였다.
에탄올생산을위한하위공정인메탄올생산공정에서의화석연 료의사용이많다는것은에너지사용이많다는것을의미한다. 이 는메탄올생산공정에서의효과적인에너지이용을위한공정의개 선이필요함을의미한다. 이의개선을위해먼저메탄올합성반응 자체의변화를생각할수있다. 여기서평가되었던공정에서는메 탄올이천연가스의수증기개질반응을통해생성되는합성가스로 부터생산된다고가정하였다. Amor와 Halloin[15]은천연가스의수 증기개질보다는부분산화를통해생성되는합성가스의조성이 메탄올합성에보다유리하다는것을보이고있다. 따라서천연가 스의부분산화를통한합성가스생성공정을채택하는것이공정 의환경적가치를높이는한방편이될수있을것이다.
또한, 원료물질자체의변화를생각할수있다. 앞에서발효공정 에서발생하는이산화탄소의양이촉매공정에서의발생량보다적 음을살펴보았다. 즉이산화탄소의발생감소로인해발효공정이 보다환경친화적인공정이된것이다. 이를바탕으로이산화탄소 를반응물로이용하는대안의촉매공정을생각해볼수있는데이 산화탄소와수소를주원료로이용하는역수성가스전환반응[16]이 한예라할수있다.
마지막으로에탄올생산공정의전면적변화를생각할수있다. Fig. 3. Normalized environmental impacts of the ethanol production
process based on catalytic reaction.
Fig. 4. Inventory comparisons between enzymatic and catalytic etha- nol production processes.
Fig. 5. Environmental impact comparisons between enzymatic and catalytic ethanol production processes.
여기서평가되었던공정에서는다른상용공정에서생산된메탄올 과합성가스를이용한다고가정하였다. 이렇게각각따로설계되었 던합성가스, 메탄올, 에탄올생산공정을하나의공정으로통합설 계하는방안을고려할수있을것이다. 통합된에탄올생산공정에 서는메탄올생산공정에서발생하는잉여수소와에탄올생산공정 에서부족한수소의문제를연결하여해결할수있을것이며, 열교 환망합성을통한에너지사용저감효과도얻을수있을것이다. 또 한, 천연가스산지에서의에탄올직접생산은천연가스를액화시켜 수송하는데소비되는에너지사용을줄일수있는또다른방안이 될수있을것이다.
이상에서제시된개선방안들에대하여각각전과정평가를실 시하여여기서얻은결과들과비교한다면보다효과적인공정의설 계및선택이가능할것이다.
7. 결 론
전과정평가기법을이용하여촉매반응을통한에탄올생산공 정의환경적가치를평가하고발효공정과그환경성을비교하였다.
두공정에서생산되는에탄올의소비및폐기과정은동일하다는가 정아래원료물질의획득으로부터제품의생산과정에대한환경 영향을평가하였다. 촉매공정에대하여목록분석을수행한결과, 주 요환경오염인자는메탄올생산과정에서발생하는이산화탄소라 는것을알수있었다. 두공정에대한영향평가의결과를비교한 결과, 발효에의한에탄올생산이촉매반응을통한생산에비해보 다환경친화적임을알수있었다. 전과정평가의결과를바탕으 로에탄올생산공정의개선을위한여러방안을제시하였다.
감 사
본 연구는한국과학재단목적기초연구 ‘R01-2001-000-00409-
0(2002)’ 과제에의하여이루어진결과의일부이며, 이에감사드립
니다.
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