Extensive research has been being made to find alternatives to fossil fuels due to environmental problems induced by the consumption of fossil fuels. Microalgae biomass is a renewable energy source which is one of such alternatives, which has simple growth mechanism through photosynthesis and the advantages of high growth rate and yield per unit area. However, there is a problem of high production cost, which is a major hurdle in replacing the existing fuel. One of the main factors affecting the production cost is the cultivation cost. Among the various culturing methods, open raceway pond, which is the oldest and simplest method, is known to be most suitable for mass culture because it has a low operation cost and is easy to scale up. However, as the culture is exposed to the outside, the variation in productivity is extremely severe, and thus a culture concentration is usually maintained at a low level. Therefore, in this study, raceway pond with a heat exchanger is introduced as a strategy to improve the productivity by adding or removing heat from the pond. The impact of integrating heat exchanger evaluated in terms of the algal cell concentration and the production cost. In addition, the optimal operating conditions that maximize the economic efficiency of the culture system are identified by solving the optimization problem using the dilution rate and flow rate of the heat exchanger as decision variables. This study aims to verify the expected outcome of the integration of algal pond and heat exchanger.
환경 문제로 인해 화석연료의 대체제를 찾기 위한 노력이 활발히 이루어지고 있다. 미세조류 바이오매스는 이러한 대체제 중 하나인 재생가능한 에너지 원이다. 광합성을 통해 성장하는 단순한 성장 메커니즘을 가진 미세조류는 면적대비 높은 성장속도 및 생산량이라는 장점을 가졌다. 하지만 기존의 연료를 대체하기에는 높은 생산 단가라는 문제를 안고 있다. 생산단가에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나는 배양 단가이다. 여러 배양 방식 중, 가장 오래되고 간단한 방식인 개방형 배양기(연못)은 운전 비용이 저렴하고, 규모를 키우기 쉽다는 장점을 가져 대량 배양에 가장 적합하다고 알려져 있다. 하지만 배양액이 외부에 노출된 만큼 주위 환경에 따른 생산성의 변동이 극심하며, 낮은 배양 농도가 문제점으로 꼽힌다. 본 연구에서는 연못 배양기의 생산성을 향상 시키는 전략으로 열교환기를 도입하여 추가적으로 열을 제거하거나 추가하고자 하며, 이를 통해 어느정도의 배양 농도 개선 효과가 있는지, 추가적인 비용은 얼마나 되는지 수치적으로 살펴보고자 한다. 또한 운전 조건 중 하나인 수확속도와 열교환 용수의 유속을 의사결정 변수로 하여 최적화 문제를 풀어 배양 시스템의 경제성을 최대화하는 최적 운전 조건을 계산하고자 한다. 이를 통해 연못 배양기와 열교환기와의 통합의 기대 효과를 검증해보고자 한다.
