Towards climate-neutral and circular industrial systems - approaches for integrated modelling, assessment and planning at regional level

Abdelshafy, Ali Ezzat Abdelhamid; Walther, Grit; Barbosa-Póvoa, Ana Paula

doi:42222

Towards climate-neutral and circular industrial systems - approaches for integrated modelling, assessment and planning at regional level

Abdelshafy, Ali Ezzat Abdelhamid^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ali Ezzat Abdelhamid Abdelshafy

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak08

Hauptberichter/Gutachter
Walther, Grit (Thesis advisor)^RWTH* ; Barbosa-Póvoa, Ana Paula (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05379
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/958667/files/958667.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Operations Management (813510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
circular economy (frei) ; climate-neutral industries (frei) ; energy transition (frei) ; industrial transformation (frei) ; integrated modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 330

Kurzfassung
Angesichts des Klimawandels und der Ressourcenknappheit ist die Transformation hin zu CO2-neutralen und kreislauforientierten Wirtschafts- und Industriesystemen von größter Bedeutung. Zur Bewältigung der daraus resultierenden enormen Planungs- und Umsetzungsaufgaben existieren einerseits sehr detaillierte Bottom-up-Prozessmodelle und Roadmaps für bestimmte Technologien und Unternehmen, andererseits hoch aggregierte Top-down-Methoden und Szenarien für Klimaneutralitätstrajektorien auf globaler, EU- und nationaler Ebene. Bisher adressieren jedoch nur wenige Methoden gezielt die regionale Anwendungsebene, die aufgrund der vielen intersektoralen Beziehungen zwischen Unternehmen und der vielfältigen Verknüpfungen zwischen Stoff- und Energieströmen innerhalb eines Industriesystems von hoher Bedeutung für die Umsetzung CO2-neutraler und zirkulärer Industriesysteme ist. Dies gilt insbesondere für die regionalen Verflechtungen energie- und materialintensiver Industrien wie der Stahl-, Zement- oder Chemieindustrie. Darüber hinaus haben regionale Besonderheiten einen großen Einfluss auf die Gestaltung neuer Pipeline-Infrastrukturen für den Transport von Wasserstoff oder CO2. Daher sind regionale Analysen und integrierte Ansätze zur Modellierung und Bewertung erforderlich, um diese Lücken in Methoden und Anwendungen zu schließen. Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel dieser Dissertation in der Entwicklung integrierter Modellierungs-, Bewertungs- und Planungsansätze für die Transformation hin zu CO2-neutralen und zirkulären Industriesystemen und Infrastrukturen mit besonderem Schwerpunkt auf Lösungen für die regionale Umsetzungsebene. Die Dissertation dient dazu, Transparenz über die Entwicklung von Stoff- und Energieströmen im Zeitverlauf zu schaffen, Entscheidungen zur Technologiewahl auf der Grundlage technoökonomischer und ökologischer Bewertungen zu unterstützen und politische Entscheidungen sowie Managemententscheidungen zu Infrastruktur- und Technologieinvestitionen zu unterstützen. Die entwickelten Methoden müssen eine Vielzahl an Anforderungen und Herausforderungen berücksichtigen. So müssen die Methoden auf regionaler Ebene anwendbar sein und den Zusammenhang zwischen CO2-Neutralität und Kreislaufwirtschaft ebenso wie abbilden können wie intersektorale Interdependenzen zwischen Unternehmen und Stoffströmen. Darüber hinaus sind interdisziplinäre Ansätze erforderlich, die sowohl technische als auch wirtschaftliche, ökologische und soziale Aspekte berücksichtigen. Des Weiteren müssen räumliche Zusammenhänge und regionale Netzwerke abgebildet werden, und die Transformationsprozesse über die Zeit mittels dynamischer Ansätze modelliert werden. Diese Anforderungen und Herausforderungen werden über unterschiedliche methodische Ansätze und Systemgrenzen analysiert und integriert. Die Dissertation befasst sich insbesondere mit der Transformation der Eisen- und Metallindustrie sowie der Zement- und Bauindustrie in Nordrhein-Westfalen (NRW), einer Region, die ein Drittel der deutschen Zement- und Chemieproduktion sowie zwei Fünftel der Stahlproduktion in Deutschland ausmacht. Als zentraler Knotenpunkt der Schwerindustrie in Europa ist das Bundesland für ein Viertel der jährlichen Treibhausgasemissionen in Deutschland verantwortlich, die Hälfte dieser Emissionen stammt aus dem Energiesektor und etwa ein Fünftel wird von den regionalen Industrien verursacht. Da das Bundesland derzeit einen tiefgreifenden Strukturwandel in der Industrie erlebt, ist es eine geeignete Region für die Untersuchung von Transformationsprozessen und die Anwendung entsprechender Modellierungs- und Bewertungsmethoden. Darüber hinaus bildet das Bundesland auch die grundlegenden Charakteristika anderer Industrieregionen in Deutschland und Europa ab. Die Dissertation besteht aus fünf Teilen. Teil I stellt den Hintergrund, die Struktur und die Zielsetzung der Dissertation vor und diskutiert die eingesetzten bzw. erweiterten Methoden und Ansätze. Die nächsten drei Teile (II – IV) bilden den kumulativen Teil der Dissertation, der aus neun begutachteten (peer-reviewed) Publikationen besteht, die sich mit den beiden genannten Sektoren (d.h. Eisen- und Metallindustrie sowie Zement- & Bauindustrie) sowie mit intersektoralen Ansätzen unter Einsatz unterschiedlicher Methoden und Systemgrenzen befassen. Teil II zum Eisen- und Metallsektor umfasst drei Veröffentlichungen. Veröffentlichung 1 thematisiert den industriellen Wandel in der Stahlindustrie anhand der Entwicklung eines Hybridmodells, welches die Veränderungen der regionalen Energie- und Stoffströme in Nordrhein-Westfalen determiniert und quantifiziert. Im Veröffentlichung 2 werden die Ursachen der CO2-Emissionen während des Produktionsprozesses von Gusseisen und Stahl sowie bestehende Minderungspotenziale ermittelt. Veröffentlichung 3 präsentiert eine technisch-ökonomische und ökologische TEE Bewertung, um die Auswirkungen einer Erhöhung des Anteils sekundärer Inputs (d.h. Stahlschrott) aus einer interdisziplinären Perspektive zu untersuchen. Teil III zur Zement- und Bauindustrie enthält vier Veröffentlichungen. Veröffentlichung 4 untersucht die Rolle von CCUS bei der Dekarbonisierung der Zementindustrie und diskutiert die Notwendigkeit dieser Technologien sowie die damit verbundenen Herausforderungen. Die Veröffentlichung basiert auf einer umfassenden Literaturrecherche und analysiert die Lieferketten sowie die verschiedenen Optionen der Zementhersteller für die Reduzierung der Emissionen sowie ihre techno-ökonomischen Anforderungen, Vorteile, Nachteile, Grenzen und Herausforderungen. Ziel von Veröffentlichung 5 ist die Förderung einer Kreislaufwirtschaft im Bausektor durch die Vorstellung eines neuartigen Modells, welches das regionale Angebot von sowie die Nachfrage nach Sekundärmaterialien im Zeitverlauf prognostiziert. Veröffentlichung 6 konzentriert sich auf die räumlichen Aspekte der Karbonisierung als spezifische CCU-Technologie und stellt mithilfe einer örtlichen Stoffflussanalyse und eines Optimierungsmodells einen Zusammenhang zwischen der Entfernung und der CO2-Sequestrierungskapazität in NRW her. Veröffentlichung 7 erweitert diese Analyse durch die Verwendung detaillierterer Daten und eine Klassifizierung der verfügbaren Materialien, was detailliertere Analysen und Ergebnissen erlaubt. Teil IV zu den intersektoralen Auswirkungen und zur Infrastrukturplanung besteht aus zwei Veröffentlichungen. Veröffentlichung 8 konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen CO2-Neutralität und Kreislaufwirtschaft anhand einer intersektoralen Energie- und Stoffflussanalyse in NRW. Dabei wurde eine weite Systemgrenze definiert, um ein breites Spektrum industrieller Wertschöpfungsketten umfassend einzubeziehen. Veröffentlichung 9 präsentiert eine umfassende Analyse zu potenziellen Konfigurationen und den resultierenden Kosten eines zukünftigen CO2-Pipeline-Netzwerks in Deutschland. Teil V mit Schlussfolgerungen und Ausblick präsentiert die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation sowie Empfehlungen für zukünftige Forschungsaktivitäten. Methodisch basieren die abgeleiteten Ansätze und Frameworks auf drei grundlegenden Methoden A) Materialflussanalyse (MFA), B) integrierte TEE-Bewertung und C) Planung optimaler Netzwerke und Infrastrukturen. A) Die grundlegende MFA-Methodik wurde um Dimensionen wie Zeit, Ort und Prozessmodellierung erweitert. Als Ergebnis werden erweiterte Methoden wie die regionale intersektorale MFA, die prospektive MFA, die standortbezogene MFA und die dynamisch-standortbezogene MFA entwickelt und auf praktische Planungsfallstudien angewendet. B) Die integrierte TEE-Bewertung wird als umfassender Ansatz eingesetzt, um die Beziehung zwischen technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Wirkungen zusammenzuführen. Mit Hilfe des abgeleiteten Frameworks werden die drei Aspekte simultan untersucht und optimiert. C) Methoden zur Planung optimaler Netze und Infrastruktur werden zur Gestaltung der künftigen Infrastrukturen, insbesondere des CO2-Pipelinenetzes in Deutschland, herangezogen. Dabei wurde ein Optimierungsmodell basierend auf einer umfangreichen Datenbasis entwickelt und die Auswirkungen verschiedener Bedingungen mittels Szenarioanalysen untersucht. Insgesamt gelingt dieser Dissertation die Entwicklung und Bereitstellung innovativer Modellerweiterungen und -integrationen für die Analyse aktueller und hoch relevanter Themen sowie für die Lösung realer industrieller Planungsprobleme. Die Ziele der Dissertation und die anfangs identifizierten Anforderungen wurden mittels der vorgestellten quantitativen und qualitativen Analysen erreicht. Die Validierung der Modelle in den Fallstudien verdeutlichen die Anwendbarkeit und Wirksamkeit des abgeleiteten Frameworks für verschiedene Branchen und Materialien sowie die Übertragbarkeit auf andere Branchen und Planungsprobleme. Die Dissertation stellt daher einen deutlichen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn dar und ist von großem Interesse für die Industrie und für politische Entscheidungsträger. Für die Forschung bieten die vorgestellten Modelle eine Grundlage für weitere Studien und Forschungsansätze. Für Industrie und Politik können die umfassenden Analysen und Schlussfolgerungen die Ableitung regionaler Strategien und Roadmaps unterstützen.

The transformation towards carbon-neutral and circular economies and industrial systems is of utmost importance facing climate change and scarcity of resources. To tackle the resulting enormous planning and implementation tasks, there exist on the one hand very detailed bottom-up process models and roadmaps for specific technologies and companies, and on the other hand highly aggregated top-down approaches and scenarios for climate-neutral trajectories at global, EU and national scale. However, only few approaches so far specifically address the regional application level, which is of high importance for the implementation of car-bon-neutral and circular industrial systems because of the many intersectoral relations between companies and manifold links between material and energy flows within a region. This holds especially for the regional interrelations of energy and material intensive industries like steel, cement, or chemistry. Additionally, regional characteristics will have a strong impact on the design of new pipeline infrastructures for the transportation of hydrogen or CO2. Therefore, regional analyses and integrated approaches for modelling and assessment are required to overcome these gaps methods and applications. Against this background, the aim of this dissertation is to develop integrated modelling, evaluation and planning approaches for the transformation towards carbon-neutral and circular industrial systems and infrastructures with specific emphasis on solutions for the regional level. The dissertation serves to provide transparency on the development of material and energy flows over time, supports technology choice decisions based on techno-economic and environmental evaluations, and supports policy and management decisions on infrastructure and technology investments. The developed approaches have to regard for many requirements and challenges, i.e., approaches need to applicable at regional level, regard for the nexus between carbon neutrality and circular economy, incorporate intersectoral interdependencies between companies and material flows, be interdisciplinary in that they are able to regard for technical, economic, environmental as well as social aspects, consider spatial relations and regional networks, and are dynamic in that they regard for the transformation over time. These requirements and challenges are analysed and integrated via different methodological approaches and system boundaries. The dissertation specifically addresses the transformation of the metals and cement & construction sectors in North Rhine-Westphalia (NRW), a region that accounts for one third of the German cement and chemical production and two fifths of the steel production in Germany. Being a crucial hub for the heavy industries in Eu-rope, the state is responsible for one quarter of the annual GHG emissions in Germany, half of these emissions comes from the energy sector and approximately one fifth is generated by the regional industries. As the state is currently witnessing fundamental structural changes in the industrial sector, it is a suitable region for investigating the transformation process and demonstrating the respective methods. Moreover, the state can also represent the main features of other industrial regions in Germany and Europe. The dissertation consists of five parts. Part I presents the background, structure and region of interest, and dis-cusses the adopted methods and derived approaches. The next three parts (II – IV) encompass the cumulative dissertation. Herein, it is composed of nine peer-reviewed publications that address the two mentioned sectors (i.e. metals and cement & construction) via using different methods and system boundaries. Part II on the metals sector comprises three papers. Paper 1 addresses the industrial transformation in the steel industry by means of developing a hybrid model that defines and quantifies the changes in the regional and energy material flows in North Rhine-Westphalia. Paper 2 determines the causes of CO2 emissions during the production process of cast iron and steel and the mitigation potentials. Paper 3 presents a techno-economic and environmental (TEE) assessment to study the impact of increasing the share of secondary inputs (i.e. steel scrap) from an interdisciplinary perspective. Part III on the cement and construction industry contains four publications. Paper 4 studies the role of CCUS in decarbonizing the cement industry and discusses its necessity as well as the associated challenges. The paper is based on an extensive literature review and analyses the supply chains, the various options that cement producers have to mitigate their emissions and their techno-economic requirements, advantages, drawbacks, boundaries and challenges. Paper 5 aims at promoting a circular economy in the construction sector via presenting a novel model that estimates the regional supply and demand of secondary materials over time. Paper 6 focuses on the spatial aspects of carbonation as a specific CCU technology, and realizes a relationship between the distance and CO2 sequestration capacity in NRW via locational material flow analysis and an optimization model. Paper 7 enhances this analysis by using more data inputs and classifying the available materials into different categories, which results in more detailed analyses and outcomes. Part IV on the intersectoral impacts and infrastructure planning consists of two papers. Paper 8 focuses on the relationship between carbon neutrality and circular economy via an intersectoral energy and material flow analysis in NRW. Herein, a broad system boundary has been defined in order to comprehensively include a wide range of industrial value chains. Paper 9 presents an extensive analysis on the configurations and costs of the prospective CO2 network in Germany. Part V on the Conclusions & Outlook presents the main outcomes of the dissertation, and recommendations for future research activities. Methodologically, the derived approaches and frameworks are based on three fundamental methods A) Mate-rial Flow Analysis (MFA), B) integrated TEE assessment, and C) planning of optimal networks and infrastructures. A) The basic MFA methodology has been extended by integrating dimensions such as time, location, and process modelling. As a result, extended approaches such as regional intersectoral MFA, prospective MFA, locational MFA, and dynamic-locational MFA are developed and applied to practical planning case studies. B) Integrated TEE assessment is applied as a comprehensive approach to merge the relationship between the technical, economic and environmental performance. The derived framework is used to investigate and optimize the three aspects simultaneously. C) Approaches for planning of optimal networks and infrastructure are used to design the prospective infrastructures, specifically the CO2 pipeline network in Germany. Herein, an optimization model has been developed based on an extensive number of datasets and a scenario analysis has been also carried out to illustrate the impacts of different conditions. Overall, this dissertation succeeded in providing innovative modelling extensions and integrations, which have been used to investigate ongoing serious themes and address real industrial questions. The quantitative and qualitative analyses have achieved the dissertation’s goals and fulfilled the identified requirements. The presented case studies on the different industries and materials have demonstrated the effectiveness of the derived frameworks, which can be also used to solve other problems. Therefore, the dissertation is an added value to the academia and of high interest for the industrial sector and policymakers. For researchers, the presented models provide a basis for further studies and research. For the industrial sector and policymakers, the comprehensive analyses and conclusions can be very helpful in deriving regional strategies and roadmaps.

OpenAccess:
PDF
(additional files)