Decarbonization of the cement industry through electrification

The global imperative to meet the targets of the Paris Agreement requires the rapid decarbonization of hard-to-abate industrial sectors, including cement manufacturing. The inherent process-related CO2 emissions from clinker production necessitate the deployment of Carbon Capture and Storage (CCS) technologies. Electrification emerges as a promising, yet underexplored, complementary strategy to CCS/CCU, offering the potential to eliminate combustion-related emissions, concentrate the CO2 stream, and improve capture, transport, and storage efficiencies by reducing gas volumes. This doctoral thesis addresses the insufficiency of techno-economic characterization of electrification pathways in cement relative to conventional CCS approaches. The work provides a comprehensive assessment of electrified cement plant configurations, evaluating their performance and competitiveness across multiple geographies, cost trajectories, and integration levels with Variable Renewable Energy (VRE) systems. The primary objectives were (i) to build detailed process models of electrified cement plants integrated with carbon capture technologies (including fully and partially electrified configurations); (ii) to benchmark their techno-economic performance against established CCS alternatives (Oxyfuel and solvent-based post-combustion capture); (iii) to assess the impact of VRE supply using a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model that optimizes generation and storage, including a flexible design utilizing calcined meal storage as buffer; and (iv) to position the electrified cement industry within a competitive European industrial landscape by comparing its Willingness-to-Pay (WTP) for electricity against other decarbonized sectors. The methodology involved developing process models in Aspen Plus for mass and energy balances. Techno-economic comparison relied on key performance indicators (KPIs) such as the incremental cost of clinker (∆COC) and the Cost of Avoided CO2 (CAC). A key finding is that a fully electrified cement process consumes approximately 10 times the electricity of the reference plant, while partially electrified alternatives increase the electricity demand between 4.5 – 7.0 times that of the reference, depending on the electrified unit operation. When powered by low-carbon electricity and combined with biogenic alternative fuels, partially electrified configurations can achieve direct emissions avoidance rates exceeding 100%. Oxyfuel consistently emerged as the most economically attractive option, achieving the lowest ∆COC, at 75 €/tclk in the short-term. Although, electrified cases might become competitive under the appropriate conditions. A fully electrified plant (eC–pK) exhibited the highest sensitivity to electricity prices, being most competitive below 18 €/MWh. The feasibility of electrification is highly sensitive to the energy supply context; the introduction of operational flexibility through intermediate calcined material storage in the eC–afK plant resulted in a significant 37–48% reduction in the Levelized Cost of Renewable Electricity (LCORE), enhancing its competitiveness. Ultimately, the widespread feasibility of electrification is constrained by systemic factors, including the availability of low-carbon electricity (which diverges considerably across future scenarios) and access to CO2 Transport and Storage (T&S) infrastructure. Achieving competitiveness requires stringent policy support, particularly a predictable CO2 price signal of at least 150 €/tCO2 and financial mechanisms to accelerate cost reduction and de-risk early investments, especially in developing economies. The results underscore the necessity of integrated industrial and energy system planning to ensure that industrial electrification aligns effectively with broader net-zero transition goals.

L’imperativo globale di rispettare gli obiettivi dell’Accordo di Parigi richiede la rapida decarbonizzazione dei settori industriali hard-to-abate, tra cui la produzione di cemento. Le emissioni di CO₂ di processo, intrinseche alla produzione di clinker, rendono indispensabile l’implementazione delle tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS). L’elettrificazione emerge come una strategia promettente, ma ancora poco esplorata, complementare al CCS/CCU, in grado di eliminare le emissioni da combustione, concentrare il flusso di CO₂ e migliorare l’efficienza di cattura, trasporto e stoccaggio grazie alla riduzione dei volumi gassosi. La presente tesi di dottorato affronta la carenza di caratterizzazione tecnico-economica dei percorsi di elettrificazione nel settore cementiero rispetto agli approcci convenzionali basati sul CCS. Il lavoro propone una valutazione completa delle configurazioni di cementifici elettrificati, analizzandone le prestazioni e la competitività in diversi contesti geografici, scenari di costo e livelli di integrazione con sistemi a Fonti Rinnovabili Variabili (VRE). Gli obiettivi principali sono stati: (i) sviluppare modelli di processo dettagliati di cementifici elettrificati integrati con tecnologie di cattura della CO₂ (inclusi scenari totalmente e parzialmente elettrificati); (ii) confrontarne le prestazioni tecnico-economiche con quelle di opzioni CCS consolidate (Ossicombustione e cattura post-combustione con solventi); (iii) valutare l’impatto dell’alimentazione VRE tramite un modello di Programmazione Lineare Intera Mista (MILP), capace di ottimizzare generazione e stoccaggio, includendo un design flessibile con accumulo intermedio di farina calcinata; e (iv) posizionare l’industria cementiera elettrificata nel panorama competitivo europeo confrontando la sua Willingness-to-Pay (WTP) per l’elettricità con quella di altri settori decarbonizzati. La metodologia si è basata sullo sviluppo di modelli di processo rigorosi in Aspen Plus per bilanci di massa ed energia. Il confronto tecnico-economico si è fondato su indicatori chiave di prestazione (KPI), quali il costo incrementale del clinker (∆COC) e il Costo della CO₂ Evitata (CAC). Un risultato rilevante è che un processo cementiero totalmente elettrificato consuma circa dieci volte l’elettricità dell’impianto di riferimento, mentre le alternative parzialmente elettrificate aumentano il fabbisogno elettrico tra 4,5 e 7,0 volte, a seconda dell’unità di processo elettrificata. Quando alimentate con elettricità a basse emissioni di carbonio e abbinate a combustibili alternativi biogenici, le configurazioni parzialmente elettrificate possono raggiungere tassi di abbattimento delle emissioni dirette superiori al 100%. L’ossicombustione si è confermata come l’opzione economicamente più attrattiva, con il ∆COC minimo pari a 75 €/tclk nel breve termine, sebbene i casi elettrificati possano diventare competitivi in condizioni adeguate. Un impianto completamente elettrificato (eC–pK) ha mostrato la massima sensibilità ai prezzi dell’elettricità, risultando competitivo al di sotto dei 18 €/MWh. La fattibilità dell’elettrificazione dipende fortemente dal contesto di approvvigionamento energetico; l’introduzione di flessibilità operativa tramite lo stoccaggio intermedio di materiale calcinato nell’impianto eC–afK ha determinato una significativa riduzione del 37–48% del Costo Livellato dell’Elettricità Rinnovabile (LCORE), migliorandone la competitività di lungo termine. In definitiva, l’adozione diffusa dell’elettrificazione è limitata da fattori sistemici, tra cui la disponibilità di elettricità a basse emissioni di carbonio (che varia considerevolmente nei diversi scenari futuri) e l’accesso a infrastrutture di Trasporto e Stoccaggio (T&S) della CO₂. Raggiungere la competitività richiede un solido supporto politico, in particolare un segnale di prezzo della CO₂ prevedibile di almeno 150 €/tCO₂ e strumenti finanziari per accelerare la riduzione dei costi e mitigare i rischi degli investimenti iniziali, specialmente nelle economie in via di sviluppo. I risultati evidenziano la necessità di una pianificazione integrata dei sistemi industriali ed energetici, affinché l’elettrificazione industriale si allinei efficacemente agli obiettivi più ampi di transizione verso la neutralità climatica.