Modeling cost-minimal transformation pathways for three energy-intensive industrial sectors: an Austrian case study by 2040

Abstract

Der Industriesektor ist mit rund einem Viertel der weltweiten CO2 Emissionen einer der Hauptverursacher des Klimawandels. Die Emissionen stammen größtenteils aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die zur Erzeugung von Hochtemperatur-Prozesswärme benötigt werden. Da diese Hochtemperaturanwendungen auf Energieträger mit hoher Energiedichte angewiesen sind, ist die Dekarbonisierung industrieller Prozesse zwar eine Herausforderung, sie ist für ein klimaneutrales Energiesystem aber unumgänglich. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, nachhaltige Technologieoptionen für drei energieintensive Industriesektoren zu identifizieren und kostenminimale Transformationspfade bis 2040 zu finden. Diese Transformationspfade werden für zwei Szenarien berechnet, die durch die Verfügbarkeit und die Kosten der verwendeten Energieträger bestimmt werden. Die untersuchten Produktionsstätten gehören zu Österreichs Stahl-, Papier- und Zementindustrie. Es wird ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell vorgeschlagen, dessen Ziel es ist, die Gesamtsystemkosten zu minimieren. Die Kosten setzen sich aus den Investitionskosten und den Betriebskosten zusammen. Die Installation von nachhaltigen Technologien oder die Optimierung der Prozesse kann die CO2 Emissionen und den Energiebedarf reduzieren und somit wiederum die Betriebskosten senken. Als erfolgsversprechende Technologien erweisen sich Energieffizienzsteigerungen, Kohlenstoffabscheidung, Elektrifizierung von Prozesswärmeerzeugung und Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbares Methan oder Wasserstoff. Industrielle Wärmepumpen können zur Erzeugung von Niedertemperaturdampf in Papierfabriken eingesetzt werden und erneuerbarer Methan oder Wasserstoff zur Stahlherstellung. Kohlenstoffabscheidung ist in manchen Bereichen der Industrie wie der Zementindustrie notwendig, um eine Dekarbonisierung zu erreichen. Die projizierten Umwandlungspfade zeigen, dass die Kosten für Energieträger bei den Modellergebnissen den weitaus größten Kostenanteil ausmachen. Die kosteneffiziente Verfügbarkeit von nachhaltigen Energieträgern ist somit der wichtigste Faktor bei der Entscheidung, in Dekarbonisierungsoptionen zu investieren. Die Versorgung und Verteilung erneuerbarer Energieträger in Österreich und der EU ist entscheidend für ein wettbewerbsfähiges und klimaneutrales industrielles Energiesystem.

The industrial sector is one of the most significant drivers of global CO2 emissions, accounting for a quarter of global greenhouse gases. In fact, 60% of the sector's energy demand originates from fossil fuels, mainly caused by high-temperature process heating applications that rely on energy carriers with a high energy density. Decarbonizing these industrial processes is, therefore, challenging but absolutely essential for a carbon-neutral energy system. This work aims to identify sustainable technology options for three energy-intensive industry sectors and to find cost-minimal transformation pathways to implement these technologies until 2040. Those transformation pathways are calculated for two scenarios, determined by the availability and costs of the energy carriers used in the industrial production sites. The analyzed industrial sectors represent Austria's Iron & Steel, Pulp & Paper and Cement industries and their respective industrial locations, considering their spatial distribution. A mixed integer linear program is proposed as an optimization model with the objective of minimizing the overall system costs. The system's costs are determined by the investments into transition technologies and operational costs, while the implementation of transition technologies can reduce CO2 emissions and energy demand and, therefore, their operational costs. The calculated results show that industrial decarbonization can be achieved by investing in energy efficiency improvements, carbon capture technologies, and replacement of applications using fossil fuels. Renewable gases or hydrogen are suitable to replace fossil fuels for high-temperature heating applications and will be used in the Iron & Steel sector. Industrial heat pumps can generate low-temperature steam or heat and help to decarbonize the Pulp & Paper industry in the results. At the same time, carbon capture is necessary in some hard-to-abate sectors, especially in cement-producing sites, to achieve carbon neutrality. The projected transformation pathways indicate that the energy carrier costs are by far the most significant cost term in the model's results. Therefore, the cost-efficient availability of sustainable energy carriers is the main lever for deciding to invest in decarbonization options. Focusing on an Austrian or EU-wide supply and distribution of renewable energy carriers is crucial for a competitive and carbon-neutral industrial energy system.