A Technological Study of Direct Air Capture Utilization

Abstract

To realize carbon neutrality beyond point-source mitigation, the removal of atmospheric CO2 has become an unavoidable engineering challenge. Conventional CO2 utilization processes depend on concentrated flue gas streams and energy-intensive regeneration steps, which limit their scalability and location flexibility. As renewable electricity becomes increasingly integrated into industrial systems, the demand for carbon conversion technologies that can operate independently of emission sources continues to grow. This study proposes a process framework that combines direct air capture with reactive capture and conversion. Unlike traditional carbon capture routes, this platform sources carbon directly from air and converts it into syngas through electrochemical and thermochemical pathways. Four DAC-integrated configurations were designed and modeled at a commercial scale. Each pathway removes 100000 t CO2 per year and produces CO as the target product. Techno-economic and sensitivity analyses were performed to identify design parameters that govern the CO2 removal cost, and a systematic comparison was carried out to determine their long-term competitiveness. The analysis reveals that electrochemical routes benefit from renewable electricity and modular operation yet face limitations associated with air-handling units and capture performance. Thermochemical RCC enables capture and conversion in a single reactor cycle and exhibits a clear cost reduction pathway when the H2 to CO2 ratio and contactor cost are optimized. These findings demonstrate that DAC–RCC processes can function as location-independent carbon conversion systems and provide a feasible alternative to fossil- and flue-gas-based CO2 utilization. This work establishes a design perspective for future DAC-based carbon platforms. By identifying the dominant parameters—capture efficiency, reactor configuration, and material performance—it provides strategies for scaling atmospheric CO2 conversion and highlights the technical direction required for carbon-neutral chemical production.;본 연구는 이산화탄소 직접 포집 및 동시 포집 전환을 결합한 탄소 중립 공정의 경제적 실현 가능성과 지속 가능성을 평가하는 것을 목표로 한다. 최근 화학공정 분야에서는 전기화학 및 열화학 기반의 탄소 전환 기술이 친환경 대안으로 주목받고 있으나, 대기 중 저농도 이산화탄소를 다루는 직접 포집 공정과의 통합에 대한 체계적인 공정 경제성 분석은 아직 부족한 실정이다. 전 세계적으로 탄소중립 전략의 필요성이 고조됨에 따라, 대기 중 이산화탄소를 제거하는 기술인 직접 공기 포집과 포집과 동시에 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 반응 포집 전환 기술이 기후변화 대응을 위한 핵심 대안으로 부상하고 있다. 한편, 이산화탄소를 포집과 동시에 고부가가치 물질로 전환하는 RCC 기술은 순환형 탄소경제 구현 측면에서 특히 높은 잠재력을 보유하고 있다. 본 논문에서는 대기 중에서 이산화탄소를 포집한 네 가지 경로를 대상으로 합성가스 (일산화탄소) 생산 공정을 설계하였다. 시뮬레이션 프로그램을 이용해 연간 100,000 톤 처리 규모의 공정 모델을 구축하고 민감도 분석을 통해 이산화탄소 제거 비용에 영향을 미치는 지배 인자를 규명하였다. 종합하면, 본 연구는 DAC와 RCC를 통합한 신공정을 공정 모사, 기술경제성 분석 관점에서 일관되게 비교함으로써, 전기화학·열화학 기반 탄소 전환 공정이 장기적으로 기존 석유·연도가스 기반 CO2 활용 공정을 대체할 수 있는 유망한 탄소중립 기술임을 제시한다. 또한, 포집율, H₂/CO₂ 비, 전극 및 이중기능재 특성, air contactor 설계 등 향후 연구에서 집중해야 할 핵심 개발 지표를 제안함으로써 DAC-RCC 공정의 상용화를 위한 기초 설계 지침을 제공한다.