Eco-Targeting – Dekarbonisierung der Schweizer Industrie mittels erweitertem Eco-Targeting basierend auf der Pinch-Analyse

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502465
• Projekttitel Englisch: Eco-Targeting – Decarbonization of Swiss Industry through extended Eco-Targeting based on Pinch Analysis method

Kurzbeschreibung (Deutsch)

In diesem Forschungsprojekt wird eine neuartige Energieoptimierungsmethode auf Basis von Prozessintegrationsmethoden entwickelt, welche die Umsetzung von Energieeffizienzmassnahmen und die Integration von erneuerbaren Energien in der Utility Targeting-Phase beinhaltet. Diese Methode nutzt das Konzept der Pinch-Analyse (PA) zur Steigerung der Energieeffizienz von industriellen Prozessen. Zusätzlich liefert sie Informationen zu den benötigten externen Heiz- und Kühlbedürfnissen(Leistung und Temperaturniveau). Die Arbeit erweitert das im SCCER EIP erarbeitete Eco-Targeting durch den Einbezug einer multi-kriteriellen Optimierung in der Utility-Targeting-Phase. Als Zielfunktionen werden die Jährliche Gesamtkosten sowie die durch die Utilities verursachten direkten und indirekten CO2-Emissionen verwendet. Die Lösungen werden sich einer Pareto-Front annähern und den involvierten Anspruchsgruppen eine rationale Auswahl von Energieeffizienzmassnahmen und/oder erneuerbaren Energiequellen ermöglichen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This research project aims to develop a novel energy optimization methodology based on Process Integration concepts that incorporates implementation of energy efficiency measures and integration of renewables in the utility targeting stage. This methodology uses Pinch Analysis (PA), aimed at increasing energy efficiency in industrial process and providing information (load and level) of the external heating and cooling needed for the process. The work is an extension of the SCCER EIP Ecotargeting by incorporating multi-objective optimization in the utility targeting stage of PA, based on total annual cost and the direct and indirect CO2 embedded emissions of the utilities. The solutions will approximate a Pareto-front, providing stakeholders with choices of possible energy efficiency measures, and/or renewable energy sources for industrial heating and cooling.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Ce projet de recherche vise à développer une nouvelle méthodologie d'optimisation énergétique basée sur des concepts d'intégration de processus qui incorpore la mise en œuvre de mesures d'efficacité énergétique et l'intégration d'énergies renouvelables dans la phase de ciblage des services publics. Cette méthodologie utilise l'analyse Pinch (PA), qui vise à augmenter l'efficacité énergétique dans les processus industriels et à fournir des informations (charge et niveau) sur le chauffage et le refroidissement externes nécessaires au processus. Le travail est une extension du SCCER EIP Ecotargeting en incorporant l'optimisation multi-objectifs dans l'étape de ciblage des services publics de l'AP, basée sur le coût annuel total et les émissions directes et indirectes de CO2 des services publics. Les solutions se rapprocheront d'un front de Pareto, offrant aux parties prenantes un choix de mesures possibles d'efficacité énergétique et/ou de sources d'énergie renouvelables pour le chauffage et le refroidissement industriels.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Integration von Energieeffizienzmaßnahmen, Energiewandlungs- und erneuerbaren Technologien ist ein bewährter Ansatz zur Reduktion von Scope-1-Emissionen. Mit zunehmender Integration steigen jedoch die Scope-2-Emissionen aus dem Betrieb, die Scope-3-Emissionen entlang der Wertschöpfungskette sowie die Gesamtkosten. Da die meisten Unternehmen ihre Treibhausgasemissionen bereits gemäß dem GHG-Protokoll (Scopes 1–3) erfassen, gewinnen Scope 2 und 3 zunehmend an Bedeutung. Dies macht lebenszyklusbasierte Integrationsstrategien unerlässlich und unterstreicht die Notwendigkeit für Unternehmen, Gesamtemissionen und Gesamtkosten im Jahresvergleich auszubalancieren. Aufbauend auf der Rolle der HSLU als Kompetenzzentrum für Pinch-Analyse in der Zentralschweiz wurde in diesem Projekt ein robustes und flexibles Rahmenwerk entwickelt, das Pinch-Analyse (PA), Life Cycle Assessment (LCA) und Multi-Objective Optimization (MOO) in einem einzigen Entscheidungsunterstützungswerkzeug vereint. Das Framework identifiziert technisch machbare Integrationsoptionen, quantifiziert Umweltwirkungen und liefert Pareto-Fronten, die Zielkonflikte zwischen Emissionen und Kosten unter verschiedenen Ressourcenrestriktionen (z. B. Sonneneinstrahlung, Zugang zu sauberem Strom, Verfügbarkeit von Biomasse) sichtbar machen. Die Ergebnisse lassen sich in handlungsorientierte Empfehlungen für die Industrie unter realen Rahmenbedingungen übersetzen. Das Framework wurde in zwei Fallstudien zur Schweizer Milchindustrie (kontinuierlicher und nicht-kontinuierlicher Prozess) getestet. Direkte und indirekte Wärmerückgewinnung bildeten die kostengünstigste Grundlage. Wärmepumpen im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich reduzierten die Scope-1-Emissionen um ca. 30 % bei einer Amortisationszeit von 2,1 Jahren. Solarthermie erwies sich als stark von der Sonneneinstrahlung abhängig, während Biomasse die tiefsten Reduktionen ermöglichte – bis zu 82 % weniger Emissionen, jedoch mit höheren Kosten und einer Amortisationszeit von bis zu 21 Jahren. Die Kombination mehrerer Technologien erwies sich durchgängig als kosteneffizienter als Einzellösungen. Über alle Szenarien hinweg zeigte sich, dass ab einem Integrationsgrad von rund 72 % indirekte Scope-2- und Scope-3-Emissionen dominierten, was die Notwendigkeit lebenszyklusbasierter Planung unterstreicht. Insgesamt zeigt das Projekt, dass Dekarbonisierungsstrategien nicht nur auf direkte CO2-Reduktionen abzielen dürfen, sondern auch vorgelagerte und betriebliche Auswirkungen berücksichtigen müssen. Durch die Kombination von PA, LCA und MOO stellt Eco-Targeting Industrie und Politik ein strukturiertes Instrumentarium zur Verfügung, um optimale Integrationsstrategien zu identifizieren. Künftig kann die Methode auf weitere Sektoren und Technologien ausgeweitet werden und so robuste, kosteneffiziente Pfade zur Klimaneutralität aufzeigen.

Schlussbericht (Englisch)

Integration of energy efficiency measures, energy conversion, and renewable technologies is a proven pathway for reducing Scope 1 emissions. However, as integration increases, Scope 2 emissions from operations, Scope 3 emissions along the value chain, and overall costs also rise. Since most industries already report GHG emissions in line with the GHG Protocol (Scopes 1–3), the relative importance of Scope 2 and 3 is increasing. This makes lifecycle-aware integration strategies essential and highlights the need for companies to balance total annual emissions with total annual costs. Building on HSLU’s role as the competence center for Pinch Analysis in Central Switzerland, this project developed a robust and flexible framework that unites Pinch Analysis (PA), Life Cycle Assessment (LCA), and Multi-objective Optimization (MOO) into a single decision-support tool. The framework identifies technically feasible integration options, quantifies environmental impacts, and derives Pareto fronts that reveal trade-offs between emissions and costs under various resource constraints such as solar irradiance, access to clean electricity, biomass availability, etc. These results can be translated into actionable guidance for industry under real-world resource constraints. The framework was tested in two Swiss dairy case studies (continuous and non-continuous processes). Direct and indirect heat recovery formed the most cost-effective foundation. Heat pumps at low to medium temperatures achieved about 30% Scope 1 emission reduction with a 2.1-year payback. Solar thermal proved highly sensitive to solar irradiance, while biomass offered the deepest cuts, up to 82% reduction in baseline emissions, albeit with higher costs and payback times of up to 21 years. Combining technologies consistently outperformed single-technology solutions in terms of cost-effectiveness. The comparison of direct and indirect emissions across scenarios reveals a threshold integration beyond which the indirect Scope 2–3 emissions became dominant, underscoring the need for lifecycle-aware planning. The threshold was identified at 72% degree of integration for the case study in this work. Overall, the project emphasizes that decarbonization strategies must be evaluated not only on direct CO2 reductions but also on upstream and operational impacts. By combining PA, LCA, and MOO into a flexible framework, Eco-Targeting equips industries and policymakers with a structured approach to identify optimal integration strategies. Going forward, the framework can be extended to additional sectors and technologies, offering a robust tool to design cost-effective pathways toward net-zero.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 4'277 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'intégration de mesures d'efficacité énergétique, de conversion d'énergie et de technologies renouvelables est un moyen éprouvé de réduire les émissions de scope 1. Cependant, à mesure que l'intégration s'intensifie, les émissions de scope 2 provenant des opérations, les émissions de scope 3 tout au long de la chaîne de valeur et les coûts globaux augmentent également. Étant donné que la plupart des industries déclarent déjà leurs émissions de GES conformément au protocole GHG (scopes 1 à 3), l'importance relative des scopes 2 et 3 augmente. Cela rend indispensables les stratégies d'intégration tenant compte du cycle de vie et souligne la nécessité pour les entreprises d'équilibrer les émissions annuelles totales et les coûts annuels totaux. S'appuyant sur le rôle de la HSLU en tant que centre de compétence pour l'analyse Pinch en Suisse centrale, ce projet a développé un cadre robuste et flexible qui réunit l'analyse Pinch (PA), l'analyse du cycle de vie (ACV) et l'optimisation multi-objectifs (MOO) en un seul outil d'aide à la décision. Ce cadre identifie les options d'intégration techniquement réalisables, quantifie les impacts environnementaux et dérive des fronts de Pareto qui révèlent les compromis entre les émissions et les coûts dans le cadre de diverses contraintes en matière de ressources, telles que l'irradiance solaire, l'accès à l'électricité propre, la disponibilité de la biomasse, etc. Ces résultats peuvent être traduits en recommandations concrètes pour l'industrie dans le cadre de contraintes réelles en matière de ressources. Le cadre a été testé dans deux études de cas suisses sur les produits laitiers (procédés continus et non continus). La récupération directe et indirecte de la chaleur a constitué la base la plus rentable. Les pompes à chaleur à basse et moyenne température ont permis de réduire les émissions de scope 1 d'environ 30 % avec un retour sur investissement de 2,1 ans. L'énergie solaire thermique s'est révélée très sensible à l'irradiance solaire, tandis que la biomasse a permis les réductions les plus importantes, jusqu'à 82 % des émissions de référence, mais avec des coûts plus élevés et des délais de retour sur investissement pouvant atteindre 21 ans. La combinaison de plusieurs technologies a systématiquement surpassé les solutions à technologie unique en termes de rentabilité. La comparaison des émissions directes et indirectes dans les différents scénarios révèle un seuil d'intégration au-delà duquel les émissions indirectes de scope 2-3 deviennent dominantes, soulignant la nécessité d'une planification tenant compte du cycle de vie. Ce seuil a été identifié à 72 % de degré d'intégration pour l'étude de cas présentée dans ce travail. Dans l'ensemble, le projet souligne que les stratégies de décarbonisation doivent être évaluées non seulement en fonction des réductions directes de CO2, mais aussi en fonction des impacts en amont et opérationnels. En combinant l'analyse de performance, l'analyse du cycle de vie et l'optimisation multi-objectifs dans un cadre flexible, Eco-Targeting fournit aux industries et aux décideurs politiques une approche structurée pour identifier les stratégies d'intégration optimales. À l'avenir, ce cadre pourra être étendu à d'autres secteurs et technologies, offrant ainsi un outil robuste pour concevoir des voies rentables vers la neutralité carbone.