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

Abdelshafy, Ali Ezzat Abdelhamid; Walther, Grit (Thesis advisor); Barbosa-Póvoa, Ana Paula (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

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.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Operations Management [813510]