Idrogeno verde globale
Nature Communications volume 14, numero articolo: 2578 (2023) Citare questo articolo
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Il settore dell’acciaio rappresenta attualmente il 7% delle emissioni globali di CO2 legate all’energia e richiede riforme profonde per disconnettersi dai combustibili fossili. Qui, indaghiamo la competitività di mercato di uno dei percorsi di decarbonizzazione ampiamente considerati per la produzione primaria di acciaio: la riduzione diretta del minerale di ferro basata sull’idrogeno verde seguita dalla produzione dell’acciaio con forni ad arco elettrico. Analizzando oltre 300 località mediante l'uso combinato di ottimizzazione e apprendimento automatico, dimostriamo che la produzione competitiva di acciaio basata su fonti rinnovabili si trova vicino al tropico del Capricorno e del Cancro, caratterizzato da un'energia solare superiore con eolico onshore supplementare, oltre a minerale di ferro di alta qualità e bassi salari dei lavoratori dell'acciaio. Se i prezzi del carbone da coke rimangono elevati, l’acciaio privo di fossili potrebbe raggiungere competitività in aree favorevoli a partire dal 2030, migliorando ulteriormente verso il 2050. L’implementazione su larga scala richiede attenzione all’abbondanza di minerale di ferro idoneo e ad altre risorse come terra e acqua, alle sfide tecniche associate con riduzione diretta e futura configurazione della catena di fornitura.
Attualmente, i combustibili fossili rappresentano il flusso sanguigno del settore siderurgico: 27 EJ (1018 J) di carbone, 3 EJ di gas e 5 EJ (1400 TWh) di elettricità vengono consumati ogni anno per la produzione del metallo più diffuso sulla terra1, emettendo un'energia una media di 2 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio e che causa il 7% delle emissioni globali di CO2 legate all’energia2. Nel 20213 sono state prodotte 1,95 miliardi di tonnellate di acciaio, con una previsione di aumento fino a 2,19 miliardi di tonnellate entro il 2050 data la convergenza della domanda globale a 250 kg pro capite nel 20804. Attualmente, il 22% della produzione di acciaio avviene tramite il sistema elettrico secondario (basato su rottami) il percorso dei forni ad arco (EAF), che è destinato ad aumentare fino al 50% della domanda entro il 2050, come previsto da Pauliuk, et al.5, a condizione che venga sostenuta un'efficace raccolta dei rottami, il controllo dei contaminanti e il commercio. Misure esaustive sull’efficienza dei materiali dei prodotti contenenti acciaio, tra cui una maggiore durabilità, riutilizzabilità e design minimalista, potrebbero ridurre la domanda di acciaio primario (basato su minerali), potenzialmente fino al 40%6. Il progresso economico globale e la crescita demografica, tuttavia, contrastano con le prospettive di riduzione della domanda di acciaio; le previsioni sulle emissioni richiedono misure urgenti e congiunte di mitigazione dal lato della domanda e dell’offerta7. Un ampio segmento della futura domanda di acciaio dovrà probabilmente essere soddisfatto dall’acciaio primario, durante il quale si verificherebbe una riduzione del minerale di ferro a base di carbonio ad alta intensità di emissioni se si continuasse l’uso della tecnologia attuale.
In risposta alla pressione sulla decarbonizzazione, misure incrementali come il miglioramento dell’efficienza energetica e il passaggio parziale al combustibile (biomassa o idrogeno) delle operazioni basate sui fossili saranno insufficienti per rispettare gli impegni climatici del settore siderurgico; l'altoforno deve essere dotato di tecnologie di cattura del carbonio oppure eliminato gradualmente8. D’altro canto, la tecnologia della decarbonizzazione profonda è emersa su vari livelli di riduzione delle emissioni, fattibilità tecnica, fattibilità economica e maturità dello sviluppo. Sebbene i forni elettrici per la produzione dell’acciaio possano essere facilmente decarbonizzati attraverso l’energia rinnovabile, le opzioni più promettenti per decarbonizzare la produzione del ferro sono: (i) la riduzione diretta del ferro (DRI) basata sull’idrogeno verde (H2), (ii) la DRI basata sul gas naturale (NG) con cattura, utilizzo e/o stoccaggio del carbonio (CCUS), (iii) altoforno tradizionale (BF) o riduzione della fusione (SR) con sostituzione parziale del carbone con biomassa e CCUS e (iv) elettrolisi diretta del minerale di ferro9,10,11 . Le soluzioni per la cattura della CO2 hanno avuto finora un successo molto limitato nel settore dell’acciaio; solo un impianto DR basato su NG opera con CCUS12. L'adeguamento degli impianti BF esistenti con CCUS, nonostante sia auspicabile a causa dell'utilizzo delle risorse esistenti, non è stato ancora sperimentato, né costituisce un metodo efficace di abbattimento delle emissioni, data la pluralità di punti di emissione e la variabilità nella concentrazione di CO2 dei gas di combustione13. Rappresentando una direzione completamente diversa, sia l’H2-DRI che l’elettroestrazione sono soluzioni basate sull’energia rinnovabile in cui il carbonio come agente riducente è completamente sostituito rispettivamente da idrogeno o elettricità. Essendo una tecnologia rivoluzionaria, l’elettroestrazione ha attualmente costi proibitivi e si prevede che raggiungerà la disponibilità commerciale nel lungo termine (dopo il 2040)14. In confronto, l’H2-DRI combinato con il forno elettrico ad arco (EAF) (denominato H2-DRI-EAF) è stato ampiamente considerato come un’opzione leader nella decarbonizzazione profonda nonostante una serie di questioni da affrontare15, grazie all’intensificazione degli investimenti industriali16, al successo pilota da parte dei precursori svedesi17 e produzione commerciale prevista entro il 202518.
Up to this point, our global assessments have been made based on steel production facilities with 1 Mtpa capacity, allowing an ‘apples to apples’ cost comparison. However, significant growth in green H2-DRI-EAF steel manufacturing in certain regions could be hindered by resource constraints and industrial development status. To assess the production system feasibility at scale, national green H2-DRI-EAF steel industries were sized according to the hypothetical utilisation of extracted ore given the following rates of technology diffusion (i.e. H2-DRI-EAF steel output of total steelmaking potential): 30% in 2030, 50% in 2040 and 60% in 2050. Using our optimisation modelling results (with 25% scrap charge to EAF), an indicative picture of resource requirements is provided in Table 1 for 2050 (with complete analysis given in Supplementary Data). Land intensity rates of 45 MW/km2 and 8 MW/km2 for solar panels and onshore wind turbines, respectively, were assumed41, alongside a water demand rate of 12 L/kg H2 for electrolysis (considering 33% losses and 9 L/kg stoichiometric minimum) and water recycling rate of 9 L/kg H2 during DRI. Land availability for RE infrastructure was determined within the regions where iron ore mines exist (rather than the entire country) and constrained by 50% of the available shrubland, herbaceous vegetation and sparse vegetation given by the Copernicus Global Land Cover Map(2020)." href="/articles/s41467-023-38123-2#ref-CR42" id="ref-link-section-d238605590e1022"42./p>