Techno-Economic Assessment and Process Design of CO2 Capture-integrated Systems for Power and Industrial Sectors

Abstract

Since the Paris convention on climate change (UNFCCC COP21) in 2015, national CO2 reduction targets have been set, and wide range of CO2 capture technologies are currently under development. Each technology has own technical advantages and disadvantages, and the evaluating system called Techno-Economic Assessment (TEA) is used to compare each technology in a systematically and fairly. In this thesis, a techno-economic assessment methodology is developed, based on the multiple-parameter scaling method, which enables the systematic and confident evaluation of the economic impacts of the CO2 capture-integrated process. The TEA method is validated by comparing that of the DOE/NETL, and then it is applied for CO2 capture processes based on monoethanolamine (MEA) and a novel absorbent. Both processes are energetically integrated with a power plant, and potential benefits of process integration between CO2 capture and CO2-emitting systems are fully investigated. The CO2 capture cost localized under plant engineering environment of the Republic of Korea is estimated, and the cost of the novel absorbent-based process is estimated approximately 15% lower than CANSOLV-based capture process. The sensitivity of key economic and process design parameters is analyzed, including the carbon emission penalty, changes in absorbent performance, and impact of location-dependent parameters. Furthermore, noting that the energy consumption of the CO2 capture process directly affects the economics of the integrated process, the systematic evaluation of economics incurred by the introduction of absorption and membrane capture technologies to the power plant is made. The cost diagrams have been built to estimate the cost of electricity (COE), CO2 capture and avoidance cost of CO2 capture-integrated power plant, based on the key performance indicator of capture technology, which allows fair and objective techno-economic comparison of different capture technologies. This schematic correlation of capture cost can be very useful for the assessment of technologies having low TRL (Technology Readiness Level) because all the technical details to quantify the performance of capture systems are not readily available in the early stage of technology development. These graphical correlations of techno-economics of capture processes are validated with a wide range of assessment results, which very good agreement is observed with errors -0.4%, -0.8%, and -1.2%, respectively, compared with the COE, CO2 capture and avoidance cost of the DOE case. Meanwhile, absorption- and membrane-based post-combustion CO2 capture processes are introduced for the iron and steel industry and five cases of flue gases with CO2 concentrations in the range of 4.8–27.3 mol% were selected from a typical steel plant. Absorption- and membrane-based CO2 capture processes were modeled and simulated using Unisim® and MATLAB®, and the economics of the CO2 capture processes was assessed based on the multiparameter scaling methodology. As the flue gas CO2 concentration increased from 4.8 to 27.3 mol%, the CO2 capture cost of the membrane-based capture process is more influenced by the change in the CO2 concentration of the flue gas, compared to the absorption-based capture process. The case study confirms that the membrane-based CO2 capture process becomes more cost-effective and energy-efficient than the absorption-based process as the CO2 concentration of flue gas increases. |UN 기후변화 협약 이후, 국가별 이산화탄소 감축목표가 설정됨에 따라 다양한 이산화탄소 포집 기술에 대한 연구 개발 및 실증이 진행되고 있다. 다양한 산업 분야의 이산화탄소 포집을 위한 포집 기술의 상용화 연구가 광범위하게 이루어지면서, 다양한 연소 후 이산화탄소 포집 기술의 우수성을 객관적으로 비교하기 위한 기술 경제성 평가(Techno-Economic Assessment, TEA)의 필요성 또한 함께 대두되고 있다. 이의 일환으로 본 논문에서는 다양한 연소 후 이산화탄소 포집 기술 및 공정의 우수성을 객관적으로 비교하기 위하여 multi-parameter scaling 방법론에 기반한 기술 경제성 평가 체계를 구축하였다. 이러한 평가 체계를 활용하여 다양한 이산화탄소 배출원 및 이산화탄소 포집 기술에 대한 경제성 평가를 진행하였고, 에너지 효율 분석을 통한 발전소-포집 통합공정에 대한 경제성 평가 또한 수행하였다. 이를 위하여 기술 경제성 평가를 위한 대상 포집 기술을 선정하여 이산화탄소 포집 공정에 대한 모사를 우선적으로 수행하였다. 대표적인 이산화탄소 포집 기술인 습식 흡수제 기반 이산화탄소 포집 기술을 대상 기술로서 선정하였으며, 상용 공정 모사 프로그램인 ASPEN PLUS®를 활용하여 모노에탄올아민(MEA)과 신규 개발된 고유(novel)흡수제를 사용한 습식 이산화탄소 포집 공정을 모사하였다. 이산화탄소 배출원으로는 석탄 화력 발전소를 선정하였으며, 공정 모사를 통하여 이산화탄소 포집 공정과 연계된 통합 공정 모델을 구축하였다. 이후 multi-parameter scaling 방법론에 기반한 기술 경제성 평가 체계를 구축하였으며, 통합 공정에 대한 기술 경제성 평가를 수행하여 그 결과를 미국 DOE/NETL의 경제성 평가 결과와 비교하여 검증하였다. 이후 대상 공정에 대한 기술 경제성 평가를 수행하였고, 엔지니어링 환경이나 탄소 배출 비용, 포집 성능 변화 등 다양한 주요 공정 설계 및 평가 변수에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 이때 이산화탄소 포집 공정의 에너지 소모량은 통합공정의 경제성에 직접적인 영향을 미친다는 점에 착안하여, 연소 후 이산화탄소 포집 공정의 에너지 소모량에 따른 석탄 화력 발전소의 에너지 효율변화를 계산하여 경제성 평가 결과와의 상관관계를 분석하였다. 습식 및 분리막 기반 이산화탄소 포집 기술을 대상으로 통합공정의 에너지 효율을 분석하였으며, 이를 위하여 앞서 구축한 통합 공정 모델 및 경제성 평가 체계를 활용하였다. 이러한 경제성 평가를 통하여 통합공정의 에너지 효율에 따른 발전원가(cost of electricity, COE), 이산화탄소 포집 비용 및 이산화탄소 회피비용을 계산하였다. 또한 이를 도식화하여 에너지 효율 및 투자비 정보를 통해 발전원가, 이산화탄소 포집 비용 및 이산화탄소 회피비용을 계산할 수 있는 cost diagram을 도출하였다. 추가적으로 초기 연구 개발 단계의 이산화탄소 포집 기술 및 공정의 기술 경제성 평가에 활용할 수 있도록, 투자비, 에너지 소모량 등 공정 변수에 대한 부가적인 상관관계를 분석하여 그 결과를 제시하였다. 추가적으로 석탄 화력발전소와 같은 발전산업 이외에도 정유, 시멘트, 철광과 같은 산업분야를 대상으로 한 이산화탄소 포집 공정의 기술 경제성 또한 평가하였다. 산업분야의 경우 다양한 조성의 배가스가 분산 배출되는 등, 발전 산업과는 다른 이산화탄소 배출 특성을 나타내므로, 본 논문에서는 철강 산업에서 배출되는 이산화탄소 농도가 4.8 – 27.3 mol% 사이인 배가스를 선정하여 이산화탄소 포집 비용을 계산하였다. 이산화탄소 포집 기술로는 습식 및 분리막 기반 포집 공정을 선정하였으며, 배가스별 경제성 평가를 통하여 이산화탄소 농도에 따른 기술 경제성 평가 결과를 비교하였다. 습식 및 분리막 기반 이산화탄소 포집 기술의 포집 비용은 배가스 중 이산화탄소 농도가 증가할수록 감소하지만, 본 연구에서는 두 포집 기술의 기술 경제성 평가를 통해 그 정도에 차이가 있음을 확인하였다. 또한 각 포집 기술의 경제성 평가 결과를 비교하여 각 포집 기술이 비용적으로 우위를 나타내는 지점을 객관적인 수치로서 제시하였다.