Trajectoires pour la décarbonisation de l'hydrogène, de l'acier et du ciment : une approche de modélisation intégrant demande et production

Pathways for the decarbonisation of hydrogen, steel and cement : a modelling-based approach integrating demand and production

• Auteur / Autrice : Kimon Keramidas
• Direction : Adrien Bidaud, Silvana Mima
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Salvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Mathy, Emmanuel Hache
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valentina Bosetti, Stefan Pauliuk

Mots clés

Mots clés contrôlés

SADT, Méthode

Économie circulaire

Mots clés libres

Stratégies de réduction d'émissions

Économie circulaire

Demande de matériaux

Industrie des matériaux

Modélisation de systèmes énergétiques

Économie bas-Carbone

Energy system modelling

Materials demand

Low-Carbon economy

Emissions abatement strategies

Circular economy

Materials industry

Résumé

Limiter le changement climatique tout en augmentant la qualité de vie et le bien-être de manière durable pose des défis sur plusieurs points de vue. Les émissions mondiales de CO2 devraient être réduites à net-zéro d'ici 2050 environ, tandis que la demande de biens matériels à forte intensité d'énergie et de CO2 devrait augmenter.Ce travail se concentre sur l'hydrogène, l'acier et le ciment, dont les processus de production dans leur ensemble sont responsables pour plus de la moitié des émissions de CO2 du secteur industriel. Cette étude présente des travaux qui enrichissent le détail des trajectoires de décarbonisation de certains sous-secteurs industriels et consiste en l’état de l’art de la manière dont ces questions sont représentées dans les modèles d'évaluation intégrée.Un modèle de simulation du système énergétique mondial a été modifié pour représenter des estimations ascendantes détaillées de la demande de matériaux et des trajectoires de production, pour des matériaux multiples. Le nouveau modèle a été utilisé pour produire des scénarios à long terme avec différents ensembles d'hypothèses sur les politiques, les technologies et les tendances de demande de matériaux. Le modèle projette des flux de matériaux, d'énergie et d'émissions jusqu'en 2100 pour plusieurs régions mondiales.La demande pour ces trois matériaux devrait augmenter au cours des prochaines décennies (+300-470% pour l'hydrogène, +11-65% pour l'acier, +0-32% pour le ciment, dans les scénarios compatibles avec 1,5°C de changement climatique, en 2050 par rapport à 2020), avec une saturation dans la seconde moitié du siècle pour l'acier et le ciment. Grâce à une pression de politique climatique soutenue dans le temps, il est possible de réduire considérablement les émissions de CO2 liées à la production de ces matériaux (jusqu'à net-zéro pour l'hydrogène, -82-87 % pour l'acier, -0-91 % pour le ciment, dans des scénarios 1,5°C, en 2050 par rapport à 2020), contribuant ainsi de manière significative à la décarbonisation de l'industrie (contribuent à 55-67 % de l'atténuation totale de l'industrie dans des scénarios 1,5°C en 2050 ; l'ensemble de l'industrie réduit ses émissions de 50 à 80 %).Ce travail identifie les opportunités et les obstacles à la décarbonisation des secteurs mondiaux de l'hydrogène, de l'acier et du ciment, y compris les estimations de la rétroaction de la politique climatique sur leur demande, le rôle des mesures d'efficacité des matériaux, du recyclage, de l'électrification, de la capture du carbone et des nouveaux vecteurs d'énergie comme l'hydrogène lui-même. Cette étude donne une vue d'ensemble des options d'atténuation spécifiques à chaque matériau, des besoins d'investissement et des effets de politiques énergie-climat ; les résultats seraient intéressants à la fois pour les décideurs politiques et pour les investisseurs.

Limiting climate change while also increasing quality of life and well-being in a sustainable manner poses multifaceted challenges. Global CO2 emissions should be reduced to net-zero by around 2050 while the demand of energy-intensive and CO2-intensive material goods is expected to increase.This work focuses on hydrogen, steel and cement, whose combined production processes release more than half of the CO2 emissions of the industry sector. It presents work that enriches the detail of industry sub-sectors decarbonisation pathways and consists in the state of the art in the way these issues are represented in integrated assessment models.A global multi-regional energy system simulation model was modified to represent detailed bottom-up estimations of materials demand and multiple material production pathways. The new model was used to produce long-term scenarios, with different sets of assumptions on policies, technologies and material demand patterns, projecting material, energy and emissions flows to 2100.Demand for all three materials was found to increase in the coming decades (+300-470% for hydrogen, +11-65% for steel, +0-32% for cement, in scenarios compatible with 1.5°C climate change, in 2050 compared to 2020), with a saturation in the second half of the century for steel and cement. Thanks to a climate policy signal sustained over time, it is possible to substantially reduce CO2 emissions in the production of these materials (to net-zero for hydrogen, -82-87% for steel, -0-91% for cement, in 1.5°C-compatible scenarios in 2050 compared to 2020), thereby significantly contributing to the decarbonisation of industry (provide 55-67% of total industry mitigation in 1.5°C-compatible scenarios in 2050; total industry reduces emissions by 50-80%).This work identifies opportunities and roadblocks in the decarbonisation of the global hydrogen, steel and cement sectors, including estimates of the feedback of climate policy on their demand, the role of material efficiency measures, recycling, electrification, carbon capture and new energy vectors like hydrogen itself. It provides a wide picture of material-specific mitigation options, investment needs and the effects of policy levers that are of interest to both policymakers and investors.