Sustainable Process Design of Electrochemical Processes

Abstract

In order to achieve global carbon neutrality by 2050, a transformation in the world's energy sources is imperative, signifying the 'energy transition.' Recently, in the field of chemical engineering, there has been a surge in proposals for innovative processes utilizing the advantages of renewable electricity through electrochemical processes. This study aims to design and evaluate an environmentally friendly process applying electrochemical technology, analyzing its potential as a substitute for conventional methods. Focusing on key technologies in carbon neutrality, the research explores alternative carbon capture and utilization technology and biorefinery. Part Ⅰ provided the foundational knowledge essential for the design and evaluation of process. In Part Ⅱ, we explore the electrochemical conversion process with captured CO2 in an amine-based solvent. Direct electrochemical conversion of captured CO2 technology has received global attention as an alternative to the current energy-demanding amine solvent regeneration and separation processes of conventional carbon capture process; however, the identification of the potential advantages of this process from both the economic and environmental perspective is not straightforward. Here, we present process designs, along with the results of techno-economic analysis and life cycle assessment of two commercial-scale carbon capture and utilization (CCU) processes: a direct electrochemical conversion process via captured CO2 reduction reaction (cCO2RR) in a monoethanolamine (MEA)-based media and an electrochemical conversion process via CO2 reduction reaction (CO2RR) in aqueous electrolyte media. In Part Ⅲ, we discuss the e-biorefinery technology, which integrates electrochemical conversion technology into the biorefinery process. The process of biorefinery, which transforms lignocellulosic biomass into high valuable products, has attracted attention for its environmentally conscious approach compared to petrochemical based methods. Nevertheless, the method of catalytic chemical conversion for producing adipic acid from lignocellulosic biomass faces obstacles due to its reliance on high temperatures and pressures condition. In this study, we propose an environmentally friendly alternative technology by suggesting the electrochemical approach for converting glucose into adipic acid and. Electrochemical systems are more promising technology due to modular design and ability to operate in mild conditions. Moreover, they align with the utilization of renewable energy, making them more promising for achieving a zero-emission society.;본 연구는 전기 화학 기술 기반 친환경 공정의 경제적 실현 가능성과 지속 가능성에 대해 분석한다. 최근 화학 공학 분야에서는 전기화학적 프로세스를 기반으로 한 혁신적인 친환경 공정 제안이 급증하고 있다. 본 연구에서는 탄소 중립 기술의 핵심 기술이라고 할 수 있는 탄소 포집 및 활용 기술 및 바이오리파이너리 기술에 전기 화학 기술을 접목한 형태인 신공정 프로세스를 설계하고 평가하여 기존 기술의 대안 기술로서 제안한다. 제2장에서는 탄소 포집 및 활용 기술 중 하나인 포집된 이산화탄소의 직접 전기화학적 전환 기술을 다룬다. 해당 신공정은 기존의 에너지 소모가 많은 아민 용매 재생 및 분리 공정의 문제점을 대체할 수 있다. 여기에서는 상업 규모의 탄소 포집 및 활용 공정을 직접 설계 한 후, 기술 경제성 분석 및 전과정 평가 결과를 기반으로 경제적 및 환경적으로도 직접 전기화학적 전환 프로세스가 기존 석유 기반 탄소 포집 및 활용 기술에 대한 효과적인 대안으로써 나타낼 수 있는 잠재력을 보고한다. 제3장에서는 전기화학적 전환 기술을 바이오리파이너리 공정에 통합하는 e-바이오리파이너리 기술을 논의한다. 바이오리파이너리 공정은 바이오매스를 고부가가치 제품이나 연료로 변환하는 과정으로, 석유화학 기반 기술에 비해 친환경적인 대체 기술로써 주목받고 있다. 그러나 바이오매스로부터 최종 생산물인 아디프산를 생산하기 위해 사용되는 촉매 화학 기반의 변환 기술은 높은 촉매의 가격 및 높은 온도와 압력 조건에 의존하고 있다는 문제점이 존재한다. 본 연구에서는 글루코스를 아디프산으로 전환하기 위한 전기화학적 접근을 제안하며, 기술 경제성 평가와 전과정 평가를 통해 유망한 친환경 기술로써 전기화학 대체 시스템의 잠재력을 보고한다. 전기 화학 기술 기반 친환경 공정의 미래 상용화 핵심은 전해조 단위 비용 감소, 시스템 규모 확장 및 Faradaic efficiency (FE) 및 전류 밀도 등 전기화학 반응 성능 향상이다. 이처럼, 전기화학 기술 기반의 신공정은 재생 에너지를 활용하여 탄소 중립 달성에 더 용이하며 아직 초기에 있는 전기화학 반응 기술의 성장을 고려하였을 때, 기술 성장이 더 이루어진다면 기존 기술을 대체할 수 있을 것이라고 예상한다.