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2025년 12월 1일 (월) 00:43 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 바이오매스-폐플라스틱 기반 e-SAF 생산: Gasification 및 Alcohol-to-Jet 경로 비교 설계

영문 : Design Comparison of Gasification and Alcohol-to-Jet Pathways for Biomass and Waste-Plastic Based e-SAF Production

과제 팀명

유준재교수님2팀

지도교수

000 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 채*기(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 서*호

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 김*하

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 김*찬

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 황*한

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 과제는 바이오매스와 폐플라스틱을 혼합 원료로 활용하여, Gasification 및 Alcohol-to-Jet(AtJ) 경로를 통한 e-SAF(electro–Sustainable Aviation Fuel) 생산 시스템을 설계한다.

◇ 이후 두 경로의 에너지 효율, 환경성, 경제성을 비교·평가하여 최적의 e-SAF 생산 기술을 도출한다.

◇ Aspen Plus 기반의 공정 모델링 및 물질수지 분석을 수행하고, 원료 조성 변화(바이오매스:폐플라스틱 비율)에 따른 성능 차이를 정량적으로 검증한다.

◇ 이를 통해 혼합 폐자원의 고부가 전환과 항공연료 탈탄소화를 동시에 달성하는 지속가능형 e-SAF 공정 모델 제시한다.

개발 과제의 배경

◇ 국제민간항공기구(ICAO)는 2050년 탄소중립(CO₂ Net Zero)을 목표로 SAF(Sustainable Aviation Fuel) 상용화를 적극 추진하고 있다. 그러나 현재 상용화된 SAF의 대부분은 식물성 오일 기반 HEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) 공정에 의존하고 있어, 식량 자원과의 경쟁 및 원료 공급의 한계가 존재한다.

◇ 이에 따라 비식물성 원료 기반의 차세대 SAF 기술 개발이 필수적이며, 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합 전환 공정은 탄소 저감과 폐기물 문제 해결을 동시에 달성할 수 있는 유망 대안으로 주목받고 있다.

◇ Gasification과 Alcohol-to-Jet 경로는 다양한 저급 원료를 고품질 항공유로 전환할 수 있는 기술적 잠재력을 보유하고 있으나, 국내에서는 양 경로의 통합 설계 및 성능 비교 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 과제는 혼합 원료 기반 e-SAF 생산 공정의 최적화와 상용화 가능성 검증을 통해 지속가능한 항공 연료 공급망 구축에 기여하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 바이오매스·폐플라스틱 혼합 원료 기반 e-SAF 생산 시스템 설계

◇ Gasification 및 Alcohol-to-Jet 경로의 효율, 환경성, 경제성 비교 분석

◇ Alcohol-to-Jet 및 Gasification 경로 비교 분석

◇ 통합 e-SAF 생산 시스템 최적 설계안 도출

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

가. State of art

◇ Synthesis of sustainable aviation fuels via (co–)oligomerization of light olefins [1]

Figure 1. Simplified reaction network of the (co–)oligomerization of a C2-4 olefin mixture without nickel-catalyzed oligomerization reactions of ethylene.

메탄올-투-올레핀(MtO) 공정에서 생산되는 올레핀(C₂–C₄)을 이용해 지속가능 항공유(SAF)를 합성할 수 있다.. 연구진은 상용 실리카-알루미나(SIRALOX) 촉매를 사용하여, 니켈이 없는 촉매(40/0Ni)와 니켈이 2 wt% 담지된 촉매(40/2Ni)의 반응 특성을 비교했다. 반응은 120 °C, 32 bar에서 수행되었다. 프로필렌은 높은 전환율과 함께 케로신 범위(C₉–C₁₆) 탄화수소에 대한 선택도가 90 % 이상이었고, 1-부틸렌은 주로 옥텐(C₈)으로 이량화되어 케로신 선택도가 약 70 %로 낮았다. 니켈을 담지하면 에틸렌의 반응성이 높아지지만, 분지도가 줄어들어 연료의 냉유동성과 옥탄가가 저하되었다. Co-oligomerization 반응에서는 C₃ + C₄ 혼합 시 약 80 %의 케로신 선택도를 달성했으며, C₂ + C₃ + C₄ 혼합물(MtO 유사 조성)에서는 니켈이 없을 때 에틸렌이 반응하지 않았고, 니켈이 있을 때는 에틸렌 전환은 이루어졌으나 생성물이 짧아지고 품질이 낮아졌다. 이를 개선하기 위해 니켈 촉매층과 무니켈 산촉매층을 직렬로 배치한 결과, 에틸렌 전환과 높은 분지도(isoindex ≈ 1.97), 케로신 선택도(81 %)를 동시에 얻었다. 200 시간의 장기 실험에서도 촉매는 안정적으로 작동했으며, 평균 케로신 선택도는 63 %였다. 생성 연료는 ASTM D7566 기준 대부분을 충족했고(발열량 43.3 MJ/kg, 밀도 773 kg/m³), 어는점만 약간 높았다. 결론적으로, C₂–C₄ 올레핀의 Co-oligomerization는 지속가능 항공유 생산의 유망한 경로이며, 니켈-무니켈 촉매 조합을 통해 에틸렌 전환과 연료 품질을 동시에 개선할 수 있음을 입증했다.

특허조사 및 특허 전략 분석

내용

기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===관련 기술의 현황===
 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
-*전 세계적인 기술현황
+가. State of art
-내용
+◇ Synthesis of sustainable aviation fuels via (co–)oligomerization of light olefins [1]
+[[파일:2-1.png]]
+Figure 1. Simplified reaction network of the (co–)oligomerization of a C2-4 olefin mixture without nickel-catalyzed oligomerization reactions of ethylene.
+메탄올-투-올레핀(MtO) 공정에서 생산되는 올레핀(C₂–C₄)을 이용해 지속가능 항공유(SAF)를 합성할 수 있다.. 연구진은 상용 실리카-알루미나(SIRALOX) 촉매를 사용하여, 니켈이 없는 촉매(40/0Ni)와 니켈이 2 wt% 담지된 촉매(40/2Ni)의 반응 특성을 비교했다. 반응은 120 °C, 32 bar에서 수행되었다.
+프로필렌은 높은 전환율과 함께 케로신 범위(C₉–C₁₆) 탄화수소에 대한 선택도가 90 % 이상이었고, 1-부틸렌은 주로 옥텐(C₈)으로 이량화되어 케로신 선택도가 약 70 %로 낮았다. 니켈을 담지하면 에틸렌의 반응성이 높아지지만, 분지도가 줄어들어 연료의 냉유동성과 옥탄가가 저하되었다.
+Co-oligomerization 반응에서는 C₃ + C₄ 혼합 시 약 80 %의 케로신 선택도를 달성했으며, C₂ + C₃ + C₄ 혼합물(MtO 유사 조성)에서는 니켈이 없을 때 에틸렌이 반응하지 않았고, 니켈이 있을 때는 에틸렌 전환은 이루어졌으나 생성물이 짧아지고 품질이 낮아졌다. 이를 개선하기 위해 니켈 촉매층과 무니켈 산촉매층을 직렬로 배치한 결과, 에틸렌 전환과 높은 분지도(isoindex ≈ 1.97), 케로신 선택도(81 %)를 동시에 얻었다.
+시간의 장기 실험에서도 촉매는 안정적으로 작동했으며, 평균 케로신 선택도는 63 %였다. 생성 연료는 ASTM D7566 기준 대부분을 충족했고(발열량 43.3 MJ/kg, 밀도 773 kg/m³), 어는점만 약간 높았다.
+결론적으로, C₂–C₄ 올레핀의 Co-oligomerization는 지속가능 항공유 생산의 유망한 경로이며, 니켈-무니켈 촉매 조합을 통해 에틸렌 전환과 연료 품질을 동시에 개선할 수 있음을 입증했다.
 *특허조사 및 특허 전략 분석
 내용