Analyzing the Impact of Capital Cost Estimation Model Selection in Techno-economic Assessment of Chemical Processes

국문 초록 (Abstract)

화학공정의 초기 기술경제성평가(TEA) 단계에서는 자본비용 추정의 불확실성이 기술 스크리닝과 투자 의사결정에 결정적인 영향을 미친다. 본 연구는 설계 정보 수준에 따른 정보 의존적 불확실성과 비용 추정 모델 자체의 방법론적 불확실성 정량화를 통해 초기 공정 자본 비용 추정에서 발생할 수 있는 리스크를 피하고자 수행되었다. 이를 위해 총 14개 장치 및 자본비용 추정 모델을 대상으로 비교 분석하였으며, 비용 추정에 요구되는 설계 데이터의 품질에 따라 비용 추정 모델을 conceptual, practical, detailed의 세 그룹으로 분류하였다. 공정 특성이 초기 단계에서의 자본 비용 추정에 미치는 영향을 고려하기 위해 메탄올 생산과 수소 액화공정을 사례로 선정하여 공정별 추정 경향성을 밝혔다.
분석 결과, 메탄올 공정에서는 conceptual 모델의 편차가 –88%~+469%로 가장 컸으며, 설계가 성숙해질수록 편차는 급격히 감소하고 추정 비용은 증가하는 경향을 보였다. 반면 수소 액화 공정에서는 대부분의 conceptual 모델이 자본비용을 심각하게 과소평가하여 투자회수기간이 1년 미만으로 나타났으나, practical 모델은 5.8~7.3년, detailed 모델은 3.3~3.4년으로 모델 간 편차가 감소하였다. 이는 전통 화학플랜트 데이터를 기반으로 한 conceptual 모델이 열교환기 중심의 비전통 공정에는 부적합함을 보여준다. 특히 개념 설계 단계에서 모델 선택만으로도 투자회수기간이 수십 배 차이 날 수 있어, 잘못된 프로젝트 진행/철회 결정으로 이어질 위험이 있음을 확인하였다.
본 연구는 설계 성숙도 전 구간에 걸친 두 종류의 불확실성을 최초로 통합하고 정량화 하였으며, 공정 특성에 따른 추정 편향을 규명하였다. 본 연구는 초기 화학 공정의 자본비용 추정 리스크를 효과적으로 관리하고, 보다 신뢰성 있는 기술 스크리닝 및 투자 의사결정을 수행하는 데 실질적으로 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 7
• Ⅱ. Method 12
• 2.1 Classification of cost estimation models 12
• 2.1.1 Conceptual model 16
• 2.1.2 Practical model 23
• 2.1.3 Detailed model 26
• 2.2 ECO-ANA for accessible techno-economic analysis 28
• Ⅲ. Process description 33
• Ⅳ. Result and discussion 37
• Ⅴ. Conclusion 46
• * Reference 49
• 국문 초록 52
• CONTENTS OF TABLES
• [Table 2-1] Accessible data by process design level 14
• [Table 2-2] Comparison of equipment and capital cost estimation models15
• [Table 2-3] Total capital investment factor – Peters and Timmerhaus
• method18
• [Table 2-4] Production scale estimation factor Guthrie, conceptual19
• [Table 2-5] Production scale estimation factor Garrett20
• [Table 2-6] Formula type by practical model25
• [Table 2-7] Detailed equipment design data required for APEA cost
• estimation27
• [Table 4-1] Main assumption for economic analysis40
• [Table 4-2] Feedstock and product price assumption44
• CONTENTS OF FIGURES
• Figure 2-1] Overall scheme of techno-economic analysis workflow using
• ECO-ANA30
• [Figure 2-2] ECO-ANA screen 1: Estimated cost results by various
• equipment cost estimation models31
• [Figure 2-3] ECO-ANA screen 2: Exporting economic report32
• [Figure 3-1] Schematic diagram of the methanol production process35
• [Figure 3-2] Schematic diagram of the hydrogen liquefaction process36
• [Figure 4-1] Capital recovery costs by equipment and capital cost estimation
• model; (a) Methanol production, (b) H2 liquefaction41
• [Figure 4-2] Payback period by equipment and capital cost estimation model;
• (a) Methanol production, (b) H2 liquefaction45