Understanding the implications of industrial decarbonization : a multidisciplinary approach towards the transition of the basic materials industry and its impact on our energy systems.

Abstract

Los procesos industriales que se han utilizado para fabricar materias primas, pero durante los últimos siglos esto procesos no están adecuados a contribuir a una economía con una huella de carbono neta de cero. Las materias primas como el acero, el cemento, el aluminio y los productos (petro)químicos forman la base de nuestras sociedades industrializadas, pero hoy en día su producción es intensiva en energía y emisiones. Actualmente, es necesaria la descarbonización de estas industrias para mantener el calentamiento global por debajo de los 2°C durante las próximas décadas. Sin embargo, las implicaciones de esta transición para la industria, los sistemas energéticos y la sociedad son poco conocidas. En esta tesis se pregunta cómo se puede realizar esta transición, explorando las dimensiones técnicas, económicas y regulatorias de la descarbonización del sector de materias primas intensivas en el uso energía. Se analizan estas diferentes dimensiones con un enfoque multidisciplinario, identificando propuestas que caracterizan la transición industrial y ayudan a entender sus implicaciones para los sistemas energéticos. En la primera parte de la tesis se estudian las opciones tecnológicas para la producción sostenible de materias primas en diferentes industrias y se evalúa su importancia intersectorial. Los resultados destacan el desafío de reducir las emisiones vinculadas a la alta demanda de energía térmica necesaria para producir la mayoría de los materiales básicos y las emisiones de procesos que se originan en la transformación química de recursos naturales. La descarbonización en todas las industrias requiere tecnologías innovadoras que no están disponibles a escala comercial. Las tecnologías de producción convencionales están altamente estandarizadas y se basan principalmente en el uso de combustibles fósiles, manteniendo bajos costes de energía y obteniendo materias primas en grandes cantidades. Sin embargo, las innovadoras tecnologías sostenibles marcan un cambio de los combustibles fósiles a alternativas de bajas emisiones. Por tanto, en la segunda parte de esta tesis se estudia el funcionamiento de los futuros mercados eléctricos y se exploran las implicaciones de la descarbonización de los sistemas energéticos para los consumidores industriales. Se concluye que deben diseñar los mercados de la energía en tal manera que garantizan la reducción de emisiones, su asequibilidad y la disponibilidad de la energía para los consumidores industriales. Los altos costes para fuentes de energía de bajas emisiones o un consumo energético más elevado para evitar las emisiones hacen que la producción sostenible de materias primas sea más costosa que los procesos convencionales. Las tecnologías innovadoras requieren un marco regulatorio que guía la transición. En la tercera parte de esta tesis se demuestra cómo diferentes medidas regulatorias serán necesarias para impulsar la transición, crear mercados para materias primas de producción sostenible y garantizar la neutralidad climática a largo plazo. En la última parte de la tesis se presenta una reflexión sobre las propuestas que caracterizan las dimensiones tecnológica, económica y regulatoria de la transición y se sostiene que los modelos para estudiar la transición necesitan incorporar estas tres dimensiones. Dado que los modelos de sistemas energéticos y los modelos “bottom-up” son insuficientes, se necesita un nuevo enfoque de modelado. Para abordar esta brecha de modelado, se presenta el moldeo conceptual TRANSid (Transición hacía una industria descarbonizada). Además, se presenta un caso de estudio simplificado para demostrar cómo el modelo conceptual se traduce en una formulación matemática y obtener conclusiones cuantitativas sobre las implicaciones de la transición de la descarbonización en un sector determinado. La tesis concluye con recomendaciones de cómo avanzar en el estudio de la descarbonización de la industria en las distintas áreas estudiadas.

The industrial processes we have used for producing basic materials over the last centuries are unsuitable for an economy with a net-zero carbon footprint. Basic materials like steel, cement, aluminium and (petro)chemicals are the building blocks of our industrialised societies, but today their production is highly energy and emission-intensive. There is no other alternative. These industries need to decarbonise over the next decades for keeping global warming below 2°C. However, the implications of this transition for the industry, our energy systems and society are little understood. This thesis asks how this transition can take place by exploring the technical, economic, and regulatory dimensions of decarbonising the energy-intensive basic material sector. By following a multidisciplinary approach, the thesis looks upon these different dimensions separately, identifying propositions that characterise the industrial transition and help us understand its implications for our energy systems. The first part of the thesis studies technology options for climate-friendly basic material production in different industries and evaluates their cross-sectorial significance. Findings highlight the challenge of reducing emissions linked to the high thermal energy demand required to produce most basic materials and process emissions originating from the chemical transformation of naturally occurring resources to basic materials. Decarbonisation across all industries requires breakthrough technologies that are not available on a commercial scale. Today´s conventional production technologies are highly standardised. They rely primarily on fossil fuels, obtaining basic materials in high quantities while keeping energy costs low. However, climate-friendly breakthrough technologies mark a shift from fossil fuels to low-emission alternatives. Therefore, the second part of this thesis studies the functioning of future electricity markets and explores the implication of decarbonising energy systems for industrial consumers. Future energy markets should be designed to ensure the emission avoidance, affordability, and adequacy of energy for industrial consumers. Higher costs for low-emission energy sources or potentially higher energy demand to avoid emissions make climate-friendly basic material production more expensive than conventional processes. Breakthrough technologies require a regulatory framework to support the transition. The third part of this thesis demonstrates how different policies are needed to kick-start the transition, create markets for climate-friendly materials and ensure long-term climate neutrality. Finally, the last part of this thesis reflects upon the propositions that characterise the transition´s technological, economic, and regulatory dimensions and argues that models to study the transition need to incorporate the three dimensions sufficiently. Since energy-system models and bottom-up approaches are insufficient, a new sector-specific modelling approach is necessary. The thesis introduces the conceptual model TRANSid (Transition towards Industrial Decarbonisation) to address this modelling gap. It uses a simplified case study to demonstrate how the conceptual model could be translated into a mathematical formulation. The thesis concludes with various recommendations about the future research needs to study industrial decarbonisation across the technological, economic and policy dimensions.