Application of an integrated life cycle assessment approach toward a carbon-neutral industry

Titel in Übersetzung: Anwendung einer integrierten Lebenszyklusanalyse zum Aufbau einer kohlenstoffneutralen Industrie

Stefan Georg Puschnigg

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Eindämmung des Klimawandels und die Dekarbonisierung der Industrie bis 2050 sind entscheidende Herausforderungen für die Menschheit. Energieintensive Industrien basieren primär auf fossilen Ressourcen, müssen aber nun ihre Energiesysteme und Produktionsmuster anpassen, um durch die Einführung von innovativen emissionsarmen Technologien und Ansätzen Klimaneutralität zu erreichen. Da dieser Wandel hin zu umweltfreundlichen Industrien rasch vollzogen werden muss, werden wirksame Methoden benötigt, mit denen das Nachhaltigkeitspotenzial verschiedener Maßnahmen bereits in einem frühen Stadium treffsicher bewertet werden kann.
Zur Unterstützung der Energietransformation, wurde eine integrierte Lebenszyklusanalyse entwickelt, um die ökologischen, ökonomischen und energetischen Auswirkungen von Nachhaltigkeitsmaßnahmen umfassend zu untersuchen. Diese Methode wurde auf der Grundlage von Forschungsergebnissen zu spezifischen Nachhaltigkeitsansätzen an vier ausgewählten Industriestandorten in energieintensiven Industrien entwickelt und demonstriert: Zellstoff, Papier und Druck; Chemie und Petrochemie; Zement; und Magnesium. In der integrierten Lebenszyklusanalyse ist eine Szenarioanalyse eingebettet, um optimale Lösungen durch Variation von Gestaltungsparametern wie Energieversorgungsalternativen, Nebenproduktnutzung oder Flexibilitätsoptionen zu ermitteln. Dies ermöglicht die Ableitung einer Optimierungshierarchie in Bezug auf ökologische, techno-ökonomische und energetische Indikatoren, welche die Entscheidungsfindung mit Hilfe von multikriteriellen Entscheidungsmethoden erleichtert. Da der Anteil der erneuerbaren Energien in der Energieversorgung in Zukunft erheblich steigen wird, werden die Emissionen aus der Energieerzeugung voraussichtlich größere tages- und jahreszeitliche Schwankungen aufweisen, sodass bisherige Ansätze über aggregierte Jahreswerte zunehmend ungenau werden. Daher beinhaltet die integrierte Lebenszyklusanalyse einen neuartigen dynamischen Energiemodellierungsansatz, der die Dynamik der Energieerzeugung berücksichtigt und diese mit industriellen Lastprofilen zu einem zeitlich aufgelösten Emissionsprofil zusammenführt. Dies führt zu einer genaueren Bestimmung des ökologischen Fußabdrucks von Produkten, welcher für Kund:innen immer mehr an Bedeutung gewinnt.
Die entwickelte Methode wurde für standortspezifische Analysen in verschiedenen Branchen eingesetzt. In der Papierindustrie wurde durch die Nutzung von Produktionsflexibilitäten und der Integration emissionsarmer Technologien wie Speicher, Stromabnahmeverträgen, Elektrokessel und Wärmepumpen, ein Treibhausgas (THG)-Einsparungspotenzial von bis zu 32.3% pro Tonne Papier erreicht. Die Energiekosten sanken um 44%, der Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergiebedarf stieg um 156%, und der Anteil des fossilen Primärenergiebedarfs sank um 32%. In der chemischen Industrie wurde ein THG Minderungspotenzial von bis zu 80% für die Produktion von 1 MJ nachhaltigem Flugzeugtreibstoff im Vergleich zum fossilen Benchmark ermittelt. Dies wurde durch die Nutzung des Nebenprodukts Lignin als Brennstoff und die Integration von erneuerbarem Strom erreicht. Bis zu 82% des Primärenergiebedarfs werden durch erneuerbare Energie gedeckt. Exergetische Systemeffizienzen von bis zu 57% sind realisierbar, sofern alle Nebenprodukte entlang der Wertschöpfungskette verwertet werden. In der Zementindustrie ergab sich ein THG-Reduktionspotenzial von 245 Tonnen CO2 pro GWh rückgewonnener Abwärme. Die Rückgewinnung von Abwärme und die Nutzung als Prozessdampf für eine in der Nähe gelegene Molkerei waren jedoch unwirtschaftlich, unabhängig davon, ob thermische Speicher zum Ausgleich von Versorgungs- und Bedarfsschwankungen eingesetzt wurden. In der Magnesiumbranche wurde bei der Produktion von 1 Tonne MgO durch die Mitverbrennung von lokal verfügbarer Biomasse zu Petrolkoks ein THG-Minderungspotenzial von bis zu 38.2% erreicht. Die betrieblichen Produktionskosten sanken dabei um 9.75%.
Die untersuchten Fallstudien haben gezeigt, dass ganzheitliche Bewertungen für die industrielle Umsetzung neuer emissionsarmer Technologien und Nachhaltigkeitsansätzen unerlässlich sind. Obwohl die Dekarbonisierung das vorrangige Ziel ist, werden die Maßnahmen nur dann umgesetzt, wenn sie wirtschaftlich tragfähig sind. Die Quantifizierung verschiedener Indikatoren ist von entscheidender Bedeutung, wobei multikriterielle Entscheidungsfindungsmethoden helfen können, die verschiedenen Aspekte gegeneinander abzuwägen. Zukünftige Leuchtturmprojekte und Erfolgsgeschichten werden jedoch der Schlüssel zum industriellen Wandel und zur Replikation von Maßnahmen sein, um ein klimaneutrales und wohlhabendes Europa zu erreichen.
Titel in ÜbersetzungAnwendung einer integrierten Lebenszyklusanalyse zum Aufbau einer kohlenstoffneutralen Industrie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kienberger, Thomas, Betreuer (intern)
  • Romagnoli, Francesco, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Lehner, Markus, Mitbetreuer (intern)
  • Passer, Alexander, Beurteiler B (extern), Externe Person
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Lebenszyklusanalyse
  • Industrie
  • Flexibilität
  • Techno-ökonomische Analyse
  • Dekarbonisierung
  • Nachhaltigkeit
  • Energieeffizienz
  • Primärenergiebedarf

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