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Aug 26, 2023

Décarboner l'industrie chimique allemande

La chimie est l'une des plus grandes industries au monde, avec un chiffre d'affaires annuel de

La chimie est l'un des plus grandsindustries dans le monde, avec un chiffre d'affaires annuel d'environ 4,7 billions de dollars.

En 2021, les émissions mondiales de l'industrie chimique s'élevaient à environ 925 millions de tonnes métriques (MT) de CO2,2 « Produits chimiques », Agence internationale de l'énergie, consulté le 15 mars 2023. représentant environ 2 % des émissions totales. Pendant ce temps, l'industrie a été soumise à des changements fondamentaux, notamment une demande accrue des consommateurs pour des produits à faible émission de carbone et une sensibilisation accrue des consommateurs au recyclage et à l'utilisation de matériaux recyclés ; une demande accrue pour une production économe en ressources ; et une pression réglementaire accrue pour des exigences matérielles plus strictes.

En tant que l'une des industries les plus énergivores d'Europe, la chimie peut jouer un rôle particulier dans la restructuration du système énergétique et la réduction des émissions de CO2. Dans cette optique, nous avons étudié plus de 20 projets de décarbonation dans l'industrie chimique dans plusieurs pays, dont la Belgique, la Finlande, la France, l'Allemagne, l'Italie, les Pays-Bas, la Norvège, l'Espagne et la Suède. Nos résultats montrent que les acteurs peuvent réduire les émissions en poursuivant la production de vapeur, en utilisant la chaleur résiduelle, en modifiant l'approvisionnement en électricité et en améliorant l'efficacité énergétique.

Nous avons choisi de concentrer notre analyse et nos exemples illustratifs sur l'industrie chimique en Allemagne, compte tenu de l'ampleur et de la disponibilité des données. Cela ne remet pas pour autant en cause l'applicabilité générale des leviers de décarbonation pour les autres pays.

En 2021, l'industrie en Allemagne représentait 181 MT de CO2 sur un total de 762 MT ; dans l'industrie, les produits chimiques représentaient 40 MT de CO2 (tableau 1). Les objectifs actuels de décarbonation visent à réduire les émissions globales de CO2 du pays d'environ 45 % d'ici 2030, avec des objectifs de réduction pour l'industrie de 35 % ou 63 MT de CO2.

En supposant que les émissions se maintiennent aux niveaux actuels, nos projections montrent que l'industrie chimique émettra le plus de CO2 en Allemagne d'ici 2030. Cependant, contrairement à d'autres industries à forte intensité d'émissions, telles que l'énergie ou les transports (dans lesquels presque toutes les émissions sont dues à la combustion de combustibles fossiles), les émissions de l'industrie chimique sont considérées comme plus difficiles à réduire. Les combustibles fossiles utilisés comme matières premières et gaz de procédé pour les procédés chimiques nécessitent des innovations technologiques, telles que l'utilisation de matériaux recyclés, de carbone capturé et d'agents de réduction alternatifs. La combustion de combustibles fossiles pour la production de vapeur, d'électricité et de chaleur peut être électrifiée, mais certaines réactions nécessitent des températures qui ne peuvent pas encore être atteintes efficacement avec des appareils électriques. Ainsi, la décarbonation des produits chimiques devra s'appuyer sur des solutions spécifiques à ces enjeux.

Pour mieux comprendre le parcours de décarbonation des acteurs de la chimie, nous avons analysé dans plusieurs pays les projets de clusters industriels, également appelés «parcs chimiques», pour réduire considérablement les émissions. (Les fourchettes d'objectifs de réduction des émissions par levier pour différents parcs chimiques sont illustrées dans l'annexe 2.) Un parc chimique est un conglomérat d'usines de production de produits chimiques, appartenant à une seule entreprise ou à plusieurs entreprises, qui partagent des infrastructures, telles que l'approvisionnement en services publics et les services du site.

Sur la base de cette analyse, quatre leviers de décarbonisation ont généralement l'effet le plus important : la production de vapeur, l'intégration de la chaleur, l'approvisionnement en électricité et l'efficacité énergétique.

Si la production de vapeur est le premier levier de décarbonation, elle passe par la sortie du charbon là où il est encore utilisé et la montée en puissance des capacités de production de vapeur décarbonée. Sur ce point, il existe sept technologies de source de chaleur sans carbone - biomasse, solaire thermique, hydrogène, biogaz, stockage thermique, pompes à chaleur et chaudières électriques - chacune avec des niveaux de disponibilité commerciale variables (Figure 3).

La faisabilité de chaque technologie de source de chaleur peut être évaluée en fonction de la disponibilité des matières premières, de l'applicabilité réglementaire et de l'applicabilité du profil de charge (les sources d'énergie renouvelable sont sujettes à des variations de charge et la production chimique nécessite une charge de base constante). Par exemple, l'énergie solaire thermique repose sur des climats et des régions à fort pourcentage d'ensoleillement, tandis que la biomasse repose sur des cultures énergétiques dédiées, telles que le maïs. Dans certains cas, nous avons déterminé que la meilleure solution pour une production de vapeur à faibles émissions et rentable d'ici 2030 consistait à remplacer la capacité de production conventionnelle par une combinaison flexible de générateurs à gaz et de générateurs de vapeur électriques prêts à l'hydrogène.

L'utilisation d'une combinaison de technologies - et permettant ainsi une flexibilité de changement de combustible, en fonction des prix relatifs - s'avère souvent bénéfique, bien que cela nécessite à son tour l'installation et le maintien d'une capacité de réserve supplémentaire. Dans certains cas, la valeur du changement de carburant pour la technologie la plus économique dépasse les dépenses d'exploitation et d'investissement supplémentaires pour la capacité de réserve. Cependant, il s'agit d'une décision qui doit être prise au cas par cas.

Historiquement, l'industrie chimique a gaspillé de grandes quantités d'énergie résiduelle sous la forme de «chaleur dégagée» - chaleur qui est activement refroidie pour être éliminée. Cela était principalement dû au faible coût de la production de vapeur et au manque de technologies, telles que les pompes à chaleur, pour recycler la chaleur résiduelle à faible consommation d'énergie. Cependant, les parcs chimiques que nous avons étudiés ont déterminé qu'ils pouvaient connecter les dissipateurs et les sources de chaleur, en tirant parti des jumeaux numériques et des pompes à chaleur pour utiliser efficacement la chaleur résiduelle.

Amplifiées par la demande de pénurie de gaz, plusieurs solutions d'intégration de chaleur ne sont apparues que récemment. Parmi ces solutions technologiques figurent les thermopompes à haute température, la recompression mécanique de la vapeur à vapeur et la séparation thermique (pièce 4).

La connexion des dissipateurs et des sources de chaleur directement ou à l'aide de pompes à chaleur pour recycler l'énergie résiduelle au niveau de température requis peut augmenter considérablement l'utilisation de la chaleur principalement générée. À son tour, la chaleur dégagée peut être recyclée et introduite dans des réseaux de vapeur ou d'eau chaude ou connectée directement aux prélèvements appropriés. De plus, nos recherches suggèrent que la minimisation de l'énergie consommée sur site en optimisant et en repensant les consommateurs avec des cas positifs de valeur actuelle nette peut permettre aux entreprises de réduire la demande d'énergie jusqu'à 20 à 40 %.

Enfin, l'intégration de la chaleur a permis d'importantes économies d'eau de refroidissement (et donc une réduction de l'électricité pour le fonctionnement des pompes). Et les jumeaux numériques des dissipateurs et des sources de chaleur ont permis une optimisation dynamique de l'utilisation de la chaleur ainsi que le positionnement optimal des pompes à chaleur. Pour maximiser le potentiel, une refonte de la façon dont les sources de chaleur sont connectées au-delà des frontières et des actifs de l'entreprise est nécessaire. L'exploitation des capacités numériques crée des modèles pour simuler économiquement différentes options et évaluer la faisabilité.

L'approvisionnement en électricité peut être aussi important que la production de vapeur pour la décarbonation dans les parcs chimiques, bien qu'il faille choisir la bonne stratégie pour se procurer des sources d'énergie renouvelable. Par exemple, les contrats d'achat d'électricité (PPA) avec les producteurs d'électricité renouvelable peuvent aider à fournir virtuellement ou physiquement de l'électricité au site. Et bien que le remplacement de l'électricité grise (qui est produite à partir de combustibles fossiles) par de l'électricité produite à partir d'énergies renouvelables puisse être un gain rapide, cela nécessite de choisir la bonne stratégie d'approvisionnement énergétique à long terme.

Dans cette optique, l'énergie renouvelable peut être achetée en achetant des certificats, tels que les garanties d'origine des énergies renouvelables en Europe4. les PPA ; ou des investissements dans des actifs hors site (pièce 5). En outre, la capacité du réseau électrique peut être étendue pour permettre l'électrification et l'achat d'électricité verte supplémentaire selon les besoins.

Les parcs chimiques sont dans une position particulière car ils ont le potentiel de regrouper et de regrouper les capacités de nombreuses usines ou consommateurs différents. De cette façon, ils peuvent faire face à des prix de plus en plus compétitifs grâce aux économies d'échelle. De plus, ils peuvent diminuer la volatilité de la demande en équilibrant entre différents pics de demande des consommateurs. Ainsi, si une centrale à cycle combiné est exploitée par le parc chimique, une charge de base verte peut être autoproduite, et seuls les pics de demande devront être approvisionnés en externe à l'aide de PPA.

L'augmentation de l'efficacité énergétique vise à minimiser les pertes d'énergie lors des opérations. Un potentiel d'économie supplémentaire peut être facilement réalisé en raison du nombre élevé de petites mesures d'efficacité énergétique. En fait, les parcs chimiques que nous avons étudiés ont privilégié différentes idées de décarbonation, représentant un potentiel considérable de réduction des émissions de CO2 par an. En raison de leur simplicité relative, les initiatives ont été principalement exécutées par l'équipe du site existant sans dépenses d'investissement importantes ni besoin de soutien externe.

Outre les quatre leviers de décarbonation, il existe trois facteurs de succès essentiels pour assurer un voyage réussi : comprendre les demandes du marché, adapter le modèle commercial et gouverner la décarbonation comme une transformation.

Avant de façonner le parcours de décarbonisation d'une entreprise, il est essentiel de comprendre les tendances du marché et de l'industrie et l'évolution de la demande. Il est également important de se tenir au courant des priorités de la production, des tiers potentiels, des fournisseurs, des régulateurs et des autres parties prenantes. Les acteurs de la chimie du monde entier se sont fixé des objectifs ambitieux pour réduire leurs émissions de CO2 d'ici 2030, allant de 25 à 60 %. Pour atteindre ces objectifs, les entreprises peuvent gérer leurs émissions de manière globale, en tenant compte de la fourniture de services publics et des opérations de parcs chimiques.

À son tour, l'obtention d'une transparence totale sur l'évolution du marché peut nécessiter un modèle de marché multidimensionnel conçu pour montrer les tendances et les demandes par catégorie de produits et type de service. La demande globale de services publics tels que la production de vapeur dans les produits chimiques diminue en raison des mesures d'efficacité énergétique dans les usines chimiques (telles que les cathodes dépolarisées à l'oxygène [ODC] dans l'électrolyse de la saumure) et de la délocalisation de certains produits chimiques de base (comme la production de diisocyanate de toluène [TDI] vers la Chine et l'Amérique du Nord).

Cela dit, les producteurs exigeront de plus en plus des produits verts et décarbonés pour atteindre les objectifs de réduction de CO2, ce qui créera par la suite des opportunités de création de valeur nouvelle. En outre, de nouvelles activités, telles que la fourniture de chaleur résiduelle aux systèmes de chauffage urbain locaux ou le recyclage chimique et la gazéification des déchets, présentent un potentiel pour les parcs chimiques.

L'évolution des environnements de marché, des demandes de production et des initiatives de décarbonisation pourrait affecter de manière significative les portefeuilles de services des parcs chimiques. Si les modèles commerciaux ne s'adaptent pas à leur tour, ils seront probablement incapables d'assurer une attribution équitable des coûts de CO2 économisés aux départements qui ont assumé les mesures nécessaires pour décarboner. Cela est particulièrement vrai pour les parcs chimiques avec plusieurs entreprises qui partagent des services de fourniture de services publics, pour lesquels une répartition équitable de la valeur créée entre le fournisseur de services publics et le client chimique est nécessaire.

Dans le même temps, la décarbonisation offre un potentiel de création de valeur substantiel. Pour saisir ce potentiel, les modèles commerciaux de parcs chimiques peuvent assurer ce qui suit :

L'évolution des demandes des clients en matière d'impact environnemental devra se refléter dans le portefeuille de produits, le modèle commercial et la structure organisationnelle. Par conséquent, les adaptations nécessaires nécessitent un plan de mise en œuvre clair, similaire aux transformations d'entreprise5.

Pour conduire une décarbonisation complète, une analyse complète du potentiel peut être effectuée pour déterminer les opportunités de réduction. Une fois que le plein potentiel est transparent, les mesures peuvent être identifiées et hiérarchisées en fonction de l'impact réalisable et de la facilité de mise en œuvre, en tenant compte des exigences en matière de dépenses en capital ainsi que des capacités des ressources disponibles et du temps de mise en œuvre (Figure 6).

Cela dit, de nombreuses transformations échouent. Pour assurer une mise en œuvre réussie, il est important de mettre en place une équipe de transformation à temps plein avec une structure de réunion claire et un suivi transparent.

Atteindre les objectifs de décarbonation de l'industrie chimique et suivre le rythme des autres industries nécessite une action urgente. Les dirigeants peuvent commencer par prendre des décisions intelligentes et bien informées qui hiérarchisent les opportunités, identifient les ressources et adoptent les bonnes technologies.

Conseils Bengtssonest associé associé du bureau de McKinsey à Hambourg, oùSimon Knappest un partenaire ;Pierre Crispeelsest associé du bureau de Lyon ;Ken Somerest associé du bureau de Bruxelles ;Ulrich Weihe est un associé principal du bureau de Francfort ; etThomas Weskampest un associé principal du bureau de Cologne.

Les auteurs tiennent à remercier Jonas Muhlbauer pour ses contributions à cet article.