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이산화탄소 원료 공급의 불확실성을 고려한 미세조류 기반 바이오 디젤 공급 네트워크 최적화
안유찬 ( Yuchan Ahn ),김정환 ( Junghwan Kim ),한지훈 ( Jeehoon Han ) 한국화학공학회 2020 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.58 No.3
전세계적으로 화석 연료가 고갈 되면서 화석 연료를 대체할 수 있는 자원이 필요한 실정이며, 대체 자원으로는 바이오 연료가 각광을 받고 있다. 바이오 연료는 바이오 매스로부터 생산되는데 바이오 매스는 바이오 연료 및 바이오 화학제품 생산이 가능한 재생 가능 자원이다. 특히, 화석 연료를 대체하기 위하여 이산화탄소와 바이오 매스를 이용하여 바이오 연료(바이오 디젤)를 생산하는 연구가 주목을 받고 있다. 바이오 매스를 기반으로 하여 바이오 디젤을 생산하기 위해서는 바이오 디젤 생산에 필요한 원료(예, 이산화탄소, 물)와 잠재적인 바이오 매스 리파이너리 용량 및 설치위치, 생산된 바이오 디젤의 수요 도시까지의 공급을 모두 고려하는 공급 네트워크 개발이 필요하다. 바이오 매스를 이용한 바이오 디젤 공급 네트워크에 대하여 많은 연구가 수행이 되었지만, 미세조류 기반 최적의 바이오 디젤 생산 전략에 상당히 영향이 있는 이산화탄소 공급량에 대한 불확실성을 고려한 연구는 거의 수행되지 않았다. 미세조류 기반 바이오 디젤을 생산 시 상당히 중요한 원료로 이용되는 이산화탄소는 화력발전소에서 발생하는 배출 가스로부터 포집하여 사용하기 때문에 이산화탄소 공급량의 불확실성은 최적의 바이오 디젤 네트워크를 구축하는데 큰 영향이 있다. 따라서, 본 연구에서는 이산화탄소 공급량의 불확실성을 고려하는 최적 공급 네트워크 설계를 결정하기 위해 2단계 확률 모델을 개발한다. 이 모델의 목표는 이산화탄소 공급량 불확실성을 고려하고 각 지역의 디젤 요구량을 충족시키면 서 총 네트워크 비용을 결정하는 것이다. 이 모델은 대한민국의 디젤 수요량의 10%를 충족시키는 사례 연구를 평가하였다. 확률론적 모델(연간 갤런당 12.9 미국 달러)에 의해 결정된 최적의 바이오 디젤 공급 비용은 결정론적 모델(연간 갤런당 10.5 미국달러)의 결과보다 약간(26%) 높다. 이산화탄소 공급량이 변동되는 경우(확률론적 모델)는 바이오 디젤 공급 네트워크 전략에 상당한 영향을 미쳤다. As fossil fuels are depleted worldwide, alternative resources is required to replace fossil fuels, and biofuels are in the spotlight as alternative resources. Biofuels are produced from biomass, which is a renewable resource to produce biofuels or bio-chemicals. Especially, in order to substitute fossil fuels, the research focusing the biofuel (biodiesel) production based on CO<sub>2</sub> and biomass achieves more attention recently. To produce biomass-based biodiesel, the development of a supply chain network is required considering the amounts of feedstocks (ex, CO<sub>2</sub> and water) required producing biodiesel, potential locations and capacities of bio-refineries, and transportations of biodiesel produced at biorefineries to demand cities. Although many studies of the biomass-based biodiesel supply chain network are performed, there are few types of research handled the uncertainty in CO<sub>2</sub> supply which influences the optimal strategies of microalgae-based biodiesel production. Because CO<sub>2</sub>, which is used in the production of microalgae-based biodiesel as one of important resources, is captured from the off-gases emitted in power plants, the uncertainty in CO<sub>2</sub> supply from power plants has big impacts on the optimal configuration of the biodiesel supply chain network. Therefore, in this study, to handle those issues, we develop the two-stage stochastic model to determine the optimal strategies of the biodiesel supply chain network considering the uncertainty in CO<sub>2</sub> supply. The goal of the proposed model is to minimize the expected total cost of the biodiesel supply chain network considering the uncertain CO<sub>2</sub> supply as well as satisfy diesel demands at each city. This model conducted a case study satisfying 10% diesel demand in the Republic of Korea. The overall cost of the stochastic model (US$ 12.9/gallon·y) is slightly higher (23%) than that of the deterministic model (US$ 10.5/gallon·y). Fluctuations in CO<sub>2</sub> supply (stochastic model) had a significant impact on the optimal strategies of the biodiesel supply network.
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납사분해 공정 내 열 교환 네트워크 경제적-환경영향 평가
정효진,정수빈,안유찬,Hyojin Jung,Subin Jung,Yuchan Ahn 한국화학공학회 2023 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.61 No.3
Petrochemical is an energy consuming industry that consumes about 30% of total industrial energy consumption and is a representative carbon dioxide (CO<sub>2</sub>) emission source. Among them, the Naphtha Cracking Center (NCC), which produces ethylene, propylene, propane and mixed C4, consumes large amounts of energy and emits significant amounts of CO<sub>2</sub>. For this reason, an integrated techno economic- environmental impact assessment aimed at reducing energy consumption and environmental impact factors is necessary to ensure efficiency in terms of economics and environment. This study aims to analyze the efficiency of the heat exchanger network used in the existing NCC base on the pinch analysis and select an improvement plan that can reduced energy consumption. In order to reduces the utility consumption in the process, an optimal heat exchanger network considering the high-temperature and low-temperature stream was derived, and the economic evaluation was conducted by considering the trade-off between the reduction in utility consumption and the increase in heat exchanger installation cost. In addition, an environmental impact assessment was conducted on the reduced CO<sub>2</sub> emission in consideration of the environmental aspect, and the economic environmental impact assessment used the payback period to recover the invested funds to come up with an energy saving plan that can be applied based on the actual process. As a result of considering the economic-environmental impact assessment, when the environmental impact assessment was not considered, it was 4.29 months, 3.21 months, and 3.39 months for each case, and when considering the environmental impact assessment, it was 4.24 months, 3.17 months, and 3.35 months for each case. These results appeared equally both when the environmental impact assessment was not include and when it was include. In addition, a sensitivity analysis was conducted for each case to determine how important factors affect the payback period. As a result of the sensitivity analysis, the cost of the heat exchanger was identified as a major factor influencing the overall cost.
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