This work addresses the development of a decision-making framework for optimal process integration with enhanced sustainability. Decision-Making is a fundamental activity of management, business, research, and all kinds of human behaviors. The decision-making framework has been analyzed and developed in order to make a better decision and to solve a problem effectively. The trend of decision-making in process systems engineering has evolved toward sustainable development, or simply sustainability. In the 21st century, economy, energy, and environment are the three main issues in the world in terms of sustainability. With globally growing concerns on climate change and these issues, governments and companies are making more efforts to reduce carbon emission and to upgrade energy efficiency and other factors of sustainability. The industry has faced with challenges, i.e. maximizing profit under economic problems, environmental regulations, and social problems. The demand for sustainable design is getting higher since the 1990s. A great deal of work has been performed to obtain a better solution to increase process efficiency with rational investment. Process integration is a methodology to increase the efficiency and to manipulate the system for a desired target in process systems engineering as well as industry. However, a decision-making framework for optimal process integration with enhanced sustainability has not been yet developed in a systematic approach. The life cycle assessment methodology has been utilized as a tool for evaluating sustainability of project. However there is a limitation to evaluate various aspects including environmental impact. In order to obtain a more efficient and practical sustainable solution, the environmental aspect should be integrated with the economic aspect in the deci-sion-making framework.
In this study, the concept of eco-cost is introduced as the sustainability cost in order to solve the problem toward a sustainable design. The sustainability cost assessment framework is applied to the overall decision-making framework. The process model integrating molten carbonate fuel cell and coal-based synthetic natural gas production (SNG-MCFC) is newly developed for applying and evaluating this methodology. The coal-to-electricity superstructure has been developed to obtain the optimal solution. In the superstructure, pulverized coal-fired power plant (PC), and integrated gasification combined cycle (IGCC) are compared with the proposed model. The objective is to maximize the total profit considering process efficiency, environmental policy and sustainability. The operating principle of MCFC, that carbon dioxide is transferred from cathode side to anode side as carbonate ion, facilitates the carbon sequestration. In this regard, the process integration of MCFC with coal-based synthetic natural gas (SNG) production process has been developed. To evaluate the overall efficiency of the integrated system, the simulation has been performed by AspenPlus V.7.3. This strategic process integration enables the use of coal as a raw material for cleaner power generation in a MCFC while increasing the efficiency of the overall process by means of stream and heat integration. The simulation results show that the proposed process is more efficient than other progressive coal-based power generation processes. The reduction of the capital costs was confirmed in both the SNG and the MCFC processes by the integration. Moreover, the emissions of $SO_x$, $NO_x$, and $CO_2$ are successfully restrained. The result also shows the mutual benefit, that the integrated system represents high efficiency of $CO_2$ sequestration and clean power generation and has the potential of the most profitable process with increasing renewable energy policy credit, i.e. REC price under the Korean renewable regulatory policy. The proposed process model will significantly contribute to developing a high efficient $CO_2$ sequestration process as well as more profitable process in terms of sustainability. This decision-making framework of process integration is applicable to other processes for enhancing sustainability. The sustainability-enhanced process design is a challenge of the era. The goal of the development of a sustainable decision-making framework is to support decision makers and policy makers. Conclusively, this proposed framework and methodology will contribute to develop decisions for process integration with enhanced sustainability.
의사결정체계는 인간의 모든 활동에 적용되는 필수적인 과정이다. 공정을 개발하거나 디자인, 통합을 할 때에도 의사결정체계는 적용된다. 과거의 경영, 사업, 연구 등에서의 의사결정에서는 고효율화 또는 저비용에 목적을 두었지만, 환경 문제가 대두되면서 환경오염저감 및 온실가스 배출량 최소화, 에너지 문제로 인해 열교환 최적화 등도 의사결정의 주 목표가 되었다. 그러나 연구가 아닌 산업계에서는 최대의 수익을 내는 것이 가장 근본적인 목표이기에, 다른 목적들은 부수적인 것으로 여겨져 왔다. 경제성, 환경성, 사회성 등 다양한 목적들이 동시에 충족되어야 하는 의사결정 방법론은 단일목적최적화에서 다중목적최적화 문제로 발전하게 되었다. 최근 기후변화와 에너지 문제 등이 전 세계적으로 중요한 이슈가 되면서 의사결정과정에서 지속가능성의 중요성이 강화되고 있다. 일부 플랜트 엔지니어링 사업에서는 경제성뿐만 아니라 지속가능성을 중요한 판단인자로 고려하여 이해관계자에게 요구하고 있다. 경제성, 환경성, 사회성 등 다양한 인자로 구성되어있는 지속가능성은 모호한 개념이지만, UN에서는 ‘미래세대의 요구충족을 해치지 않는 한도 내에서 현 세대의 요구를 충족시키는 것’으로 정의했다. 어떤 제품, 생산의 지속가능성은 활동의 전 과정에 걸쳐 적용되는 것이기 때문에, 현재 경제적 관점에서의 수익에는 환산되지 않지만, 외부성 효과로 인해 발생하는 요소들을 고려해주어야 한다. 환경성은 화폐로 환산되는 단위로 표현되지 않는 개념이기 때문이다. 탄소배출권 등의 개념이 도입되었으나, 외부성으로 정의되는 지속가능성의 성격은 반영되지 않았다.
이러한 문제를 최적화 하기 위해 많은 학자들이 연구를 해왔으나, 그동안 대부분의 연구는 가장 대표적인 인자인 경제성과 환경성을 독립적으로 고려하거나 개별 목적함수로 계산하여 실제로는 경제성 또는 환경성 만의 최적화 솔루션을 도출하였다. 거의 모든 지속가능성 연구는 환경성만을 놓고 평가해왔다. 이러한 문제는 제품의 판매, 수입과 관련된 항목 이외의 환경인자 등은 최적화의 목적함수인 수익에 반영되기 어렵기 때문이었다. 이에 따라 본 연구에서는 지속가능비용을 도입하여, 공정최적화 및 설계의 경제성에 반영하는 의사결정모델로 발전시켰다. 지속가능비용은 지속가능성의 외부성을 화폐의 관점으로 변환시킨 것이다. 전과정평가LCA방법론의 체계를 적용하여 의사결정자가 원하는 지속가능성의 범위와 목적을 현실성 있게 고려할 수 있게 하였다.
범 세계적으로 지속가능한 발전모델과 공정을 디자인하는 시류에서 이와 같은 의사결정모델의 개발은 지속가능성과 경제성 모두를 고려해야 할 현재와 미래의 의사결정에서 딜레마를 해결해 줄 것으로 보인다.
본 연구에서는 제안한 방법론을 용융탄산염 연료전지와 석탄 기반의 합성천연가스 제조 공정 간의 통합공정에 적용했다. 두 공정은 서로 독립적인 공정으로 통합시에 각각은 운전 원리에 따라 서로 상보적인 이익추구가 가능하다. 용융탄산염 연료전지는 전기화학적인 원리로 메탄 가스에서 수소를 개질하여 고효율로 전기를 생산할 수 있는 특징을 갖고 있다. 음극Anode에 메탄가스가 공급되고 내부에서 물과 함께 개질되어 수소가 생산되며 양극Cathode에는 산소와 이산화탄소가 공급되면서 탄산이온이 Anode로 전달되면서 전기가 발생한다. 기존 용융탄산염 연료전지는 도시배관망에 연계되어 천연가스 연료를 공급받기 때문에 도시가스 내에 포함된 물질을 탈황하고 가열하는 등의 공정이 필요하지만, 합성천연가스 제조공정과 연계시, 이와 같은 추가비용이 소요되지 않으며, 저급 석탄으로부터 생산된 저렴한 가격으로 메탄가스를 공급받을 수 있다. 또한 물질교환 및 재사용과 열교환망을 통해 두 공정간의 시너지를 발생시킬 수 있다. 석탄기반의 기존 발전 시설인 미분탄 화력발전과 많은 연구가 진행되고 있는 석탄가스화 복합발전과 비교했을 때, 초기 투자비용은 연료전지의 가격 때문에 제안공정이 더 많이 소요되지만, 지속가능비용과 신재생에너지 판매 수익 등을 모두 고려했을 때, 효과적인 대안으로 분석되었다.
시대적 과제인 지속가능한 개발에 있어서, 경제성 및 환경성을 모두 고려한 방법론과 화학공학 및 플랜트 엔지니어링에서 필수적인 공정통합설계에 있어서 이를 적용한 본 연구는 산업계와 환경 및 에너지 정책입안에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.
