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On the assessment of the CO2 emissions from the industrial sector : the role of energy and exergy analysis methods, an approach to enhance sustainable strategies

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Arango Miranda, Raul (2019). On the assessment of the CO2 emissions from the industrial sector : the role of energy and exergy analysis methods, an approach to enhance sustainable strategies. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Growing population, rapid urbanization and technological advancements have resulted in increasing energy demand. During the last 50 years, societies around the world have been transforming in a faster and incessant way. The growth of the population has resulted in the generation of mega-cities; at the same time, the economic growth of these areas entails consumption of goods. It is challenging the availability of natural resources; as a result, the relationship of the industrial unit with its urban environment has been changing in the pursuit to create the minimum possible impacts to the landscape.

This constant increase in population, gross domestic product and exports in the last decades has resulted in the growth of the manufacturing industry and the transportation of goods. Globally, the industrial sector remains as one of the three main consumers of fossil fuels; hence, it is one of the prime sources of greenhouse gases (GHG), resulting on environmental and health problems. Particularly in the North American region, the industrial sector embodies about 50% of the total energy consumption and more than 30% of the total carbon dioxide (CO2) emissions.

A simple definition of exergy affirms that exergy is the energy that is available to be used. Some applications of exergy include resource accounting, energy conservations, complex systems analysis and efficiency improvements. The general objective of this research was to validate the suitability of exergy analysis, as a tool to assist decision makers in the design for future energy and environmental policy, both in public and private institutions as an approach to enhance sustainable strategies. To explore the appropriateness of this indicator, a geographical approach was applied to analyze three different geographic levels (global, regional and local). Additionally, analyze the main drivers of CO2 emissions, within the framework of the environmental Kuznets curve (EKC) hypotheses, including exergy indicators.

In order to explore the appropriateness of exergy analysis, new indicators of CO2 emissions (energy-exergy consumption and energy-exergy efficiencies) were introduced, with the goal to be compared to traditional indicators of CO2 emissions (gross domestic product, energy intensity, carbon intensity, trade openness and human development index) to study their suitability as indicators.

Results of these thesis gives recommendations on how to apply exergy analysis on a large scale level (societal sectors) and to provide the tools necessary for exergy analysis, using this data, so as to better be applicable to this particular industrial sector. At global level, the results shows high correlation between CO2, GDP, energy consumption, energy intensity and trade openness; but not statistically significant values for trade openness and energy intensity. At regional level, granger Causality was found from proposed exergy variables in the USA and Mexico to CO2 emissions; also causality was detected in Canada and the US from trade openness to CO2 emissions. Finally, at the local level (study case), poor exergy efficiency is still occurring in the Mexican industrial sector, compared with developed countries.

The outcomes of the applied methodological approach conducted for the three geographical levels proposed in the thesis, confirms the suitability of exergy methods as a tool to assist the design of energy and environmental policy, both in public institutions or private corporations as an approach to enhance sustainable strategies. Particularly, for policymakers of the three NAFTA countries, exergy proves value due the current impasse of negotiations, not only for tackling CO2 emissions, but also for promoting growth in the renewable energy share. The addition of the exergetic indicator provides an interesting insight on energetic and environmental strategies. This thesis showed the need to speed de-carbonization processes; it was demonstrated that the exergy analysis method provides a non-traditional approach in the right to reduce GHGs and contribute to sustainable development.

Titre traduit

Sur l'évaluation des émissions de CO2 du secteur industriel; le rôle des méthodes d'analyse d'énergie et d'exergie, une approche pour renforcer les stratégies durables

Résumé traduit

La croissance démographique, l'urbanisation rapide et les progrès technologiques ont entraîné une augmentation de la demande en énergie. Au cours des 50 dernières années, les sociétés du monde entier se sont transformées de manière plus rapide et incessante. La croissance de la population a entraîné la génération de mégapoles; parallèlement, la croissance économique de ces régions entraîne une grande consommation de biens. Cela défi la disponibilité des ressources naturelles ; en conséquence, la relation de l'unité industrielle avec son environnement urbain a été modifiée dans le but de créer le moins d'impact possible sur le paysage.

L’augmentation de la population, du PIB et des exportations au cours des dernières décennies a entraîné la croissance de l’industrie manufacturière et du transport de marchandises. Globalement, le secteur industriel reste l’un des trois principaux consommateurs de combustibles fossiles; par conséquent, il s'agit de l'une des principales sources de gaz à effet de serre (GES), entraînant des problèmes pour l'environnement et la santé. En Amérique du Nord en particulier, le secteur industriel représente environ 50% de la consommation totale d'énergie et plus de 30% des émissions totales de dioxyde de carbone (CO2).

Une définition simple de l'exergie affirme que l'exergie est l'énergie disponible pour être utilisée. Les applications antérieures d’exergy comprennent la comptabilité des ressources, les économies d’énergie, l’analyse de systèmes complexes et l’amélioration de l’efficacité.

L’objectif général de cette recherche était de valider l’utilité de l’analyse exergétique en tant qu’outil permettant d’aider les décideurs à concevoir des politiques énergétiques et environnementales futures, tant au sein d’institutions publiques que privées, en vue de renforcer les stratégies durables. Pour explorer la pertinence de l’exergy, une approche géographique a été appliquée pour analyser trois niveaux géographiques différents (global, régional et local). Par la suite,, analysez les principaux facteurs d'émissions de CO2, dans le cadre des hypothèses relatives à la courbe de Kuznets dans l'environnement (EKC), y compris les indicateurs d'exergie.

Afin d’examiner la pertinence de l’analyse des exergies, nous avons introduit de nouveaux indicateurs des émissions de CO2 (consommation d’énergie-exergy et efficacité énergétique-exergétique), ainsi que des indicateurs établis des émissions de CO2 (produit intérieur brut, intensité énergétique, intensité carbonique, ouverture commerciale et l’index du développement humain) pour étudier leur pertinence en tant qu’indicateurs.

Nous avons utilisé ces travaux de recherche pour formuler des recommandations sur la manière d’appliquer l’analyse exergétique à grande échelle (secteurs de la société) et de fournir les outils nécessaires pour effectuer une analyse exergétique à l’aide de ces données, afin de mieux s’appliquer à ce secteur industriel particulier.

A l’échelle global, les résultats montrent une forte corrélation entre le CO2, le PIB, la consommation d’énergie, l’intensité énergétique et l’ouverture commerciale est observée, d’autre part, des valeurs statistiquement non significatives concernant l’ouverture des marchés et l’intensité énergétique. À l'échelle régionale, la causalité de Granger a été trouvée dans les variables d'exergie proposées aux États-Unis et au Mexique; L'ouverture commerciale a également montré une causalité au Canada et aux États-Unis. Finalement, au niveau local, le secteur industriel mexicain est encore peu efficace en termes d’efficacité exergétique, par rapport aux pays développés.

Les résultats de l’approche méthodologique appliquée menée pour les trois niveaux géographiques proposés dans la thèse confirment l’adéquation des méthodes exergy en tant qu’outil d’aide à la conception de politiques énergétiques et environnementales, aussi bien au sein d’institutions publiques que de sociétés privées, en tant qu’approche visant à améliorer les stratégies durables. En particulier pour les décideurs des trois pays de l'ALENA l’exergie s’avère utile en raison de l'impasse actuelle des négociations, non seulement pour lutter contre les émissions de CO2, mais aussi pour promouvoir la croissance de la part des énergies renouvelables. L'ajout de l'indicateur exergétique fournit un aperçu intéressant des stratégies énergétiques et environnementales. Cette thèse a montré la nécessité d'accélérer les processus de décarbonatation; il a été démontré que la méthode d'analyse d'exergie offre une approche non traditionnelle du droit de réduire les émissions de gaz à effet de serre et contribue à le développement durable.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 127-149).
Mots-clés libres: analysés d’exergie, analysés d’énergie, secteur industriel, émissions du CO2, soutenabilité, courbe du Kuznets, politique énergétique, politique environnemental
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hausler, Robert
Codirecteur:
Codirecteur
Romero Lopez, Rabindranarth
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 oct. 2019 20:33
Dernière modification: 04 oct. 2019 20:33
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2367

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