Decarbonizzazione del calore industriale: Il settore siderurgico

Titoli

• L'attuale produzione primaria di acciaio è altamente integrata; i miglioramenti incrementali dell'efficienza possono ridurre ulteriormente le emissioni solo di circa il 10%. L'analisi degli scenari pubblicati recentemente da varie fonti mostra che:
• Raggiungere una profonda decarbonizzazione entro il 2050 è possibile solo attraverso nuovi processi produttivi.
• La domanda di elettricità del settore potrebbe aumentare di tre volte entro il 2050, da un passaggio all'acciaio prodotto per riduzione di idrogeno o elettrolisi diretta.
• Entro il 2050, la produzione di acciaio da rottami riciclati aumenterà di un range da +30% a +70% rispetto al 2018, che si traduce in una quota potenziale dal 50% al 77% della produzione totale di acciaio entro il 2050.

Raccomandazioni politiche

• Aumento del supporto RD&D per le tecnologie compatibili con la decarbonizzazione profonda del settore (H-DRI, elettrolisi, CCS/U).
• Monitorare e migliorare l'impatto delle politiche volte a massimizzare il riutilizzo dei rottami d'acciaio.
• Stabilire politiche di richiamo della domanda per creare un mercato dell'"acciaio verde", come gli appalti pubblici verdi per le infrastrutture finanziate con fondi pubblici.

Panoramica del settore siderurgico

La produzione di ferro e acciaio è uno dei principali responsabili delle emissioni di gas serra nell'UE. Il settore ha rappresentato il 4% di tutte le emissioni dell'UE nel 2017, e il 23% dell'industria manifatturiera. La produzione di acciaio grezzo nell'UE è stata costante dal 2010, a circa 170Mt all'anno, ed entro il 2050 varia tra 153Mt e 172Mt negli scenari del modello FORECAST, che ha alimentato l'analisi industriale della visione strategica a lungo termine della Commissione europea. Ci sono due percorsi principali di produzione dell'acciaio nell'UE:

• Il 60% dell'acciaio viene prodotto attraverso il percorso integrato, che produce acciaio vergine dal minerale di ferro. Il ferro, sotto forma di sinterizzazione, viene ridotto in presenza di coke in un altoforno (BF), e poi convertito in acciaio grezzo in un forno ad ossigeno basico (BOF).
• Il 40% dell'acciaio viene prodotto attraverso la via del riciclaggio, dove i rottami d'acciaio vengono ripresi

Panoramica sul calore di processo

Circa il 95% della domanda di calore di processo nella produzione di ferro e acciaio avviene a temperature molto alte (>500oC), e il carbone/coke è il principale input energetico nel processo, servendo sia come fonte di carburante che come materia prima sotto forma di coke.

Mentre sia la via integrata che quella del riciclaggio richiedono processi ad alta temperatura, le loro intensità di emissioni ed energia differiscono in modo significativo:

• Il percorso integrato si basa sulla produzione di coke come materia prima per ridurre il ferro nell'altoforno, e il minerale di ferro stesso deve essere convertito in sinterizzazione prima di essere alimentato nell'altoforno. Sia la cokizzazione che la sinterizzazione avvengono nell'impianto di produzione dell'acciaio e richiedono temperature superiori ai 1000oC. Questi materiali sono alimentati in un altoforno, dove l'aria calda a più di 1000oC forma gas riducenti dal coke, che reagiscono con il minerale per formare ferro ridotto; le emissioni di CO2 da questo processo sono un prodotto inevitabile della riduzione chimica del minerale di ferro. Con 1,2tCO2 emesse per tonnellata di acciaio, l'altoforno è responsabile di oltre il 60% delle emissioni di CO2 nel percorso integrato. La cokeria emette ~15%, l'impianto di sinterizzazione poco più del 10% e gli altri processi (forno ad ossigeno di base, impianto di pellet) ~10% delle emissioni totali di CO2 (stima propria, basata sui dati di emissione di).
• Attribuire le emissioni a processi specifici, tuttavia, non è semplice. I gas di scarico della cokeria e dell'altoforno vengono recuperati per fornire calore e anche per alimentare le centrali elettriche in loco, in un circuito altamente ottimizzato. Eliminare o sostituire qualsiasi emissione di gas di scarico con processi alternativi significherebbe sconvolgere l'intero percorso di produzione dell'acciaio.
• La domanda di calore nel percorso di riciclaggio è quasi completamente elettrificata. Un arco elettrico a 1600oC fonde direttamente il rottame per produrre acciaio liquido. All'attuale intensità media di CO2 dell'elettricità nell'UE, il percorso EAF emette da 0,2 a 0,3 tCO2 per tonnellata di acciaio, o l'80% in meno del percorso integrato.

Potenziale di miglioramento limitato

Gli impianti siderurgici integrati hanno ottimizzato i loro flussi di materiali ed energia nel corso degli anni, e i migliori operatori dell'UE stanno già operando a livelli quasi ottimali. Si stima che l'implementazione di ulteriori miglioramenti incrementali dell'efficienza e delle migliori pratiche possa ridurre ulteriormente le emissioni di CO2 solo di circa il 10% (stima propria, basata sui dati delle emissioni). Per raggiungere le ambizioni della Commissione europea di emissioni nette di gas serra pari a zero entro il 2050, è necessario prendere in considerazione nuove tecnologie rivoluzionarie, CCS/U (cattura e stoccaggio/utilizzazione del carbonio) e un aumento dell'acciaio riciclato.

Scenari di decarbonizzazione al 2050

Per esplorare i possibili percorsi per raggiungere una profonda decarbonizzazione del settore entro il 2050, vengono confrontati otto scenari tratti da quattro pubblicazioni (Figura 2). Mentre la domanda finale di energia nel 2050 diminuisce in tutti gli scenari, tra circa -10% (ECF, Carbon Capture) e -50% (ECF, Circular Economy e ICF, Mix80 e Mix95), la domanda di acciaio varia ampiamente, da -17% (ECF, Circular Economy) a +10% (ECF, New Processes and Carbon Capture) rispetto al 2015.

Nuovi processi di produzione dell'acciaio

Le nuove tecnologie di produzione dell'acciaio a idrogeno attualmente in fase di ricerca mirano a sostituire il gas naturale utilizzato nella riduzione diretta del ferro (DRI), un processo esistente, con l'idrogeno verde (H-DRI). Se l'elettricità rinnovabile è usata sia dall'impianto di idrogeno che dall'EAF, che trasforma ulteriormente il ferro in acciaio, questo processo potrebbe emettere fino al 95% in meno di CO2 rispetto all'attuale percorso integrato. Quattro progetti europei, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (che studia la riduzione della fusione al plasma di idrogeno) e ThyssenKrupp, stanno sviluppando l'intera catena del valore per la produzione di acciaio a idrogeno; il primo progetto dimostrativo non dovrebbe iniziare prima del 2025.

L'elettrolisi diretta del minerale di ferro, o "electrowinning", per produrre acciaio grezzo è sviluppato dal progetto SIDERWIN. Utilizzando solo elettricità rinnovabile, la produzione di acciaio potrebbe emettere fino all'87% in meno di CO2 rispetto all'attuale percorso integrato. È ancora in una fase iniziale di sviluppo ed è stato provato solo su scala di laboratorio.

Entro il 2050, l'acciaieria a idrogeno e l'elettrofilatura sono utilizzati in 7 scenari su 8; rappresentano fino al 35% (65Mt) della produzione totale di acciaio (ECF, New Processes). Includendo la produzione di idrogeno, la domanda annuale di elettricità del settore potrebbe crescere fino a 3 volte la domanda attuale, a 360TWh nel 2050 (ECF, New Processes e EC, 1.5TECH). Questa quantità è equivalente al 35% dell'attuale produzione di elettricità rinnovabile dell'UE. Altre sfide chiave saranno lo scale-up dell'infrastruttura dell'idrogeno e gli investimenti necessari per estese conversioni brownfield o implementazioni greenfield.

Utilizzo della cattura e dello stoccaggio del carbonio

Due progetti europei, Steelanol e Carbon2Chem, stanno esplorando la valorizzazione dei gas di scarto dell'altoforno per produrre bioetanolo e materie prime chimiche. Anche se in una fase più avanzata di sviluppo - l'impianto dimostrativo Steelanol è attualmente in costruzione in Belgio - le riduzioni massime delle emissioni da questi processi sono più limitate (fino al 65% se completamente implementato) e dipenderanno dal fatto che il carbonio venga rilasciato nuovamente alla fine del ciclo di vita dei prodotti chimici risultanti.

Le nuove tecnologie di fusione combinate con CCS, come il processo HIsarna, generano gas di scarto ricchi di CO2 per facilitare la cattura del carbonio. Rispetto al percorso attuale, le emissioni potrebbero essere ridotte fino all'80%. L'implementazione di queste tecnologie, tuttavia, richiederebbe profondi cambiamenti ai processi di produzione dell'acciaio, di una scala simile a quella delle tecnologie rivoluzionarie dell'idrogeno o dell'elettrolisi.

Le tecnologie di cattura del carbonio sono molto diffuse in 2 degli 8 scenari di decarbonizzazione (IEA, B2DS e ECF, Cattura del carbonio) con fino al 30% (54Mt) della produzione totale di acciaio nel 2050 proveniente da impianti dotati di CCS/U (ECF, Cattura del carbonio).

Aumento della quota di acciaio riciclato

Entro il 2050, in 7 scenari su 8 la produzione di acciaio riciclato diventa una via più importante, con un aumento della produzione che va dal +30% (91Mt) al +70% (118Mt) rispetto al 2018 (70Mt) (scenari ECF, Carbon Capture e ICF, Mix95 rispettivamente). Questo corrisponde a una quota dal 50% al 77% della produzione totale di acciaio grezzo in questi scenari (contro il 42% nel 2018).

Le sfide chiave per raggiungere una maggiore produzione di acciaio secondario si basano sull'aumento del tasso di riciclaggio dell'acciaio (che attualmente è già tra il 70%-95%, a seconda dell'uso finale) e sul miglioramento della qualità del rottame. Il rottame riciclato è spesso contaminato da altri elementi di scarto, di cui il rame è il più importante. La contaminazione da rame limita l'uso dell'acciaio alle applicazioni che tollerano l'acciaio di qualità inferiore, come l'armatura nell'edilizia. Mentre il settore delle costruzioni ha utilizzato il 34% (54Mt) della domanda totale di acciaio finito nel 2018, è probabile che la domanda di acciaio di qualità superiore (in particolare nel settore automobilistico) aumenti più rapidamente in futuro. La qualità del rottame può essere aumentata a valle, migliorando lo smontaggio e la selezione dei prodotti a fine vita. A monte, i cambiamenti di progettazione per ridurre l'uso del rame o per facilitare lo smontaggio dei prodotti a fine vita, possono ridurre la necessità di interventi a valle. I responsabili politici dell'UE possono contribuire ad affrontare queste sfide monitorando e migliorando l'impatto delle politiche volte a massimizzare il riutilizzo dei rottami di acciaio.

Contatti:

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