Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of the Hydrogen Supply Chain in South Korea

Abstract

수소는 탄소 중립을 추구하는 과정에서 중요한 에너지원으로 떠오르고 있다. 그러나 한국을 포함한 자원 부족 국가들이 수소를 자체적으로 생산하는 것에 어려움을 겪고 있음에 따라, 폐자원에서 수소를 생산하거나 해외에서 수소를 수입하는 과정이 대안으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 생산 원료에 따라 화석연료, 전기, 폐자원 수소로 분류되는 수소 생산 공정과 액화 수소 및 암모니아를 이용한 수소 수입 공정을 비교한다. 연구 결과에 따르면, 열을 생산하던 폐기물보다 전력 발전에 사용되던 폐기물을 수소 생산으로 전환하는 것이 더 유리하며, 수입 과정에서는 액화 및 암모니아 분해 과정에서의 배출 감소가 중요하다. 이 연구는 한국을 기준으로 삼되, 수송 거리와 전력 배출량의 영향을 분석하여 연구 결과를 전세계적으로 적용 가능하도록 확장한다. 수소 생산 국가의 그리드 전력 배출량이 수송 거리보다 더 큰 영향을 미치므로, 청정한 전기 생산이 이루어지는 지역에서 수소를 생산하는 것이 지리적 근접성보다 더 중요하다. 수소를 수입할 때, 그리드 전력 배출량이 343.4 g-CO2-eq./kWh 이하로 매우 낮지 않은 경우를 제외하고는 암모니아를 수입하는 것이 액화수소의 수입보다 더 유리하게 나타난다. 한편, 폐자원 수소는 해외수입수소의 well-to-port 배출량보다 유리하게 작용할 수 있으므로, 충분한 의존 가능성을 가진다. 마지막으로, 수소가 차량 운행 및 발전에서 기존 방법들보다 유리함을 보이기 위해서는 배출량이 8.55 및 11.89 kg-CO2-eq./kg-H2 이하이어야 하며, 이는 청정 수소 인증 기준을 충족하지 못한 수소의 사용도 유리할 수 있음을 시사한다. 이는 청정 수소 인증 기준에 대한 더 유연한 접근 방식이 필요함을 강조한다. 본 연구의 종합적인 결과는 수소 관련 정책을 개발하는 과정에서 수소를 수입하려는 자원 부족 국가들에 대해 유용한 참고자료가 될 수 있다. ;Hydrogen has emerged as a key energy source in the pursuit of carbon neutrality. However, resource-deficient countries, including South Korea, find it challenging to produce hydrogen domestically. Therefore, the process of producing hydrogen from waste resources or importing hydrogen from overseas is gaining attention as an alternative. This study compares hydrogen-production processes categorized by feedstock–including fossil fuels, electricity, and waste resources–and hydrogen-import processes using liquid hydrogen and ammonia. The study's findings indicate that converting waste previously used for electricity generation to hydrogen production is more advantageous than using waste previously allocated for heat production. In the case of importing process, reducing emissions from liquefaction and ammonia cracking processes is identified as a critical priority. This study conducts a case study on South Korea while simultaneously analyzing the effects of transport distance and electricity emissions to extend the findings globally. The study demonstrates that the grid electricity emissions in hydrogen-producing countries have a stronger impact than the transportation distance. Consequently, producing hydrogen from regions with cleaner electricity generation is more critical than geographic proximity. Importing ammonia tends is generally more advantageous than liquid hydrogen, unless the grid electricity emissions are exceptionally low, specifically below 343.4 g-CO2-eq./kWh. Additionally, hydrogen from waste feedstocks such as solid refuse fuel, landfill waste and organic waste can offer life cycle GHG emissions benefits compared to the well-to-port emissions of imported hydrogen, suggesting substantial potential for reliance on waste resources. Finally, hydrogen requires life cycle GHG emissions below 8.55 and 11.89 kg-CO2-eq./kg-H2 to demonstrate an advantage over conventional methods such as battery electric vehicles, hybrid electric vehicles operation methods, and combined cycle power generation methods. This indicates that even hydrogen not meeting clean hydrogen certification standards can outperform traditional approaches in vehicle operation and power generation. This underscores the need for a more flexible approach to clean hydrogen certification. The comprehensive results of this study are applicable to resource-deficient countries seeking to import hydrogen when they develop their hydrogen-related policies.