A Study on Decision Making Procedures for Reduction of Carbon Emission and Energy Consumption of Process Systems

Abstract

본 논문은 화학공정 시스템의 이산화탄소 배출과 에너지 소모 절 감을 위한 의사결정 절차를 제안하고 여러 사례 연구를 다루고 있다. 지금까지 대부분의 화학공정은 비용의 효율 측면에서 최적화가 이 루어졌고, 이를 바탕으로 설계, 개선되었다. 하지만 전 세계적으로 온실가스 규제, 에너지 사용절감 등 공정의 환경적인 측면의 제약이 많아짐에 따라, 화학공정의 운영은 더이상 비용이나 제품의 효율적인 측면만 중시할 수 없는 상황이 되었다. 그러므로 화학공정의 지속가 능한 발전은 불가피한 것이 되었다. 지속가능한 발전을 위해 시스템 측면에서 의사결정이 필요한 몇 가지가 있는데, 원료의 선택, 공정 계 획, 공정 운영 등을 들 수 있다. 그래서 도입할 수 있는 방법이 전과정평가인데, 전과정 평가는 환경적으로 건전하고 지속가능한 발전을 실현하기 위해 원료, 제조, 유통, 소비, 폐기로 인한 자원, 에너지 소비 및 환경오염 부하를 최소화시키고 개선방안을 모색하는 방법이다. 기존의 전과정 평가는 하나의 제품에 국한되었던데 반해, 본 논문에서는 화학공정의 전과정을 범위로 설정하여 에너지 및 비용 뿐만 아니라 이산화탄소 배출과 같은 환경적인 요소를 고려할 수 있게 하였다. 먼저, 전과정 평가에 대한 설명 및 기본 구조를 살펴보도록 한다. 그리고 지속가능성을 위해 전과정 평가를 이용한 절차와 최적 의사결정에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 전과정 평가는 목적과 범위의 설정이 중요한데, 본 논문에서 다루는 전과정 평가의 목적은 이산 화탄소 배출량 에너지 사용의 최소화이다. 전과정의 범위는 각 사례 공정을 적절히 한정하였다. 그리고 전과정 평가의 범위에 포함되는 공정은 상용 공정 모사기와 수치해석적인 방법을 이용하여 구현하였 다. 다음으로 공정의 전과정에 존재할 수 있는 불확실성을 고려하기 위해 몬테카를로모사기법을 적용하였다. 이는 전과정평가의 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 수행되었다. 특히 화학공정에서의 의사결정 은 불확실성을 자연적으로 내포하고 있기 때문에, 기존의 확정적인 모델과 달리 확률적 모델을 이용하는 것이 더 나은 결과를 얻을 수 있게 한다. 최적 운영 및 관리를 위한 접근방법으로는 근사 동적 계획법을 사용하였다. 기존의 동적 계획법이 차원수의 급격한 증가로 인해 계산하는데 어려움이 있는데 반해,근사동적계획법은 계산해야할 차원수를 줄여 최적의 해를 찾는 방법으로 공정의 생산계획이나 일정관리, 원료의 배치 등에 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 실제 화학공정에서는 차원수가 무한히 증가할 수 있으므로 근사 동적 계획법을 이용하여 차원수를 줄이는 것이 필요하다. 하지만 기본적인 근사 동적계획법 또한 각 상태의 값을 구하는 절차에서 다음 상태로의 기대값의 최적 화를 수행해야하기 때문에 계산하기 힘든 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 결정 후 상태에 기반한 근사 동적 계획법을 이 용하였다. 위 연구에서 제안된 절차는 사례 연구를 통해 그 효용성을 입증한다. 첫번째 사례연구는 디메틸에테르 공정을 위한 원료 결정이다. 디메틸에테르는 전도유망한 신재생에너지로서 여러 원료를 이용해 합성할 수 있다. 이에 각 원료를 얻는 것으로부터 디메틸에테르를 합성하는 공정까지의 전과정을 상용 공정 모사기로 모사하였고, 그 전과정에 대해 이산화탄소와 에너지 효율 측면에서 영향평가를 수행 하였다. 두번째 사례연구는 에너지 시스템의 생산계획 결이다. 불확 실성을 가지는 미래 에너지 생산계획의 예측을 위해 확률적 모델을 기반으로 최적화를 수행하였다. 그 결과, 향후 각 에너지 생산계획의 범위를 제시하였고 불확실성 인자들의 민감도를 분석하였다. 세번째 사례연구는 이산화탄소 지중저장 및 원유 회수증진 공정 운영방법 결정이다. 이산화탄소 처리 방법 중 하나인 지중저장을 단순히 저장 에 국한하지 않고 원유 회수증진에 이용하여 보다 지속가능한 발전을 모색하고자 한다. 여러 포집원에서 포집된 순도 높은 이산화탄소는 원유 회수증진에 매우 유용하게 사용될 수 있으며, 사례연구를 통해 원유 회수증진과 지중저장 사이에서 지속가능한 운영 전략을 제시하 여 이산화탄소 처리 및 저장에 대한 의사결정을 지원하였다.