Exploring the development of emissions from the heavy industry in Iceland using system dynamics

Abstract

The heavy industry is under immense pressure to reduce emissions and is transitioning towards a low-carbon future. In order to decarbonize, road maps and a holistic picture of the system are needed. In this thesis, system dynamics is used to analyze the heavy industry in Iceland to identify key variables in terms of emissions and look at what technological mitigation is available for the aluminum, ferrosilicon, and silicon industry. The thesis aims to examine the heavy industry in Iceland and look at it from all angles in terms of behavior and feedback mechanisms.The methods employed in this thesis are those of system analysis and system dynamics, which were built on the foundation of prior reviewed literature on the heavy industry related to current processes and technological mitigation. A simulation model was also developed to estimate CO2e emissions from the heavy industry in Iceland. Subsequently, a sensitivity analysis was conducted to analyze how technological solutions would affect the system.Formulating flow charts and CLDs demonstrated that the heavy industry's system is complex, and many influencing variables come into play. The system's structure was established by looking at how variables behaved, connected, and showed feedback. Consequently, simulation model results imply that emissions are projected to increase to 1.850 kt CO2e by 2040 if current processes and the best available technology are utilized. The results indicate that bio-carbon is favorable in the production of ferrosilicon and silicon along with utilizing CCS. In the case of the aluminum industry, implementing inert anodes into the aluminum smelting process may eliminate CO2e emissions, reduce cost, and decrease manual labor. However, some risk is associated with the technology, as it disrupts the production process, and technical issues can arise. Therefore, it should be implemented concurrently with the CCS technology.

Stóriðjan stendur frammi fyrir miklum þrýstingi að draga úr losun og umskipti í átt að lágkolefnis framtíð eru hafin. Til þess að afkola þarf vegvísa og heildstæða mynd af kerfinu. Í þessari ritgerð eru kvik kerfislíkön notuð til þess að greina stóriðjuna á Íslandi í þeim tilgangi að bera kennsl á helstu breytur hvað varðar losun og skoða hvaða tæknilegu mótvægisaðgerðir eru í boði fyrir ál-, kísiljárn- og kísiliðnaðinn. Ritgerðin miðar að því að rannsaka stóriðjuna á Íslandi og skoða hana frá öllum hliðum hvað varðar hegðun og endurgjöf.Aðferðirnar sem notaðar eru í þessari ritgerð eru kerfisgreiningar og kvik kerfislíkön. Þær voru byggðar á grunni ritrýndra heimilda sem taka fyrir stóriðjuna, tengdar núverandi ferlum og tæknilegum mótvægisaðgerðum. Einnig var þróað hermilíkan til þess að áætla CO2-ígildi losun frá stóriðjunni á Íslandi. Í kjölfarið var framkvæmd næmnigreining til þess að skoða hvernig mótvægisaðgerðir myndu hafa áhrif á kerfið.Framsetning flæði- og orsakalykkjurita sýndu fram á að kerfi stóriðjunnar er flókið og margar áhrifabreytur koma við sögu. Bygging kerfisins var ákvörðuð með því að skoða hvernig breytur hegðuðu sér, tengdust og sýndu endurgjöf. Niðurstöður hermunarlíkansins gefa til kynna að áætluð losun verði 1.850 kt CO2-ígildi fyrir árið 2040 ef núverandi ferlar og besta fáanlega tækni er notuð. Niðurstöður gefa í skyn að lífkolefni er hagstætt við framleiðslu kísiljárns og kísils ásamt notkun kolefnisföngunar og -geymslu. Hvað varðar áliðnaðinn þá geta kolefnislaus skaut útrýmt losun á CO2-ígildi og PFC, dregið úr kostnaði og minnkað aðkomu starfsmanna að álbræðsluferlinu. Hins vegar er ákveðin áhætta sem fylgir tækninni þar sem hún truflar framleiðsluferlið og tæknilegir örðugleikar geta komið upp. Þar af leiðandi ætti sú tækni að vera innleidd samhliða kolefnisföngun og -geymslu.