ACCIAIO “VERDE”? INNOVAZIONE SOSTENIBILE

di Livio Lazzeri

L’acciaio verde è possibile?

I progressi nella produzione dell’acciaio senza emissioni di CO2

Secondo stime recenti, l’industria siderurgica è responsabile di circa l’8% del totale delle emissioni di CO2 nel mondo. La Cina è di gran lunga il più grande produttore mondiale di acciaio, con più di 900 milioni di ton/anno; l’Italia, con i suoi 23 milioni di ton/anno è il secondo produttore in EU, dopo la Germania. Quindi il problema di rendere ecologicamente sostenibile la produzione di acciaio riguarda anche noi.

L’acciaio è una lega ferro-carbonio, con il carbonio in una percentuale inferiore al 2%; quando il carbonio supera il 2% si ha la ghisa. Il carbonio rende il ferro più resistente ma meno malleabile. La ghisa infatti, dove la percentuale di carbonio è alta (può arrivare al 6%) è molto resistente ma anche fragile. L’acciaio è un ottimo compromesso, essendo resistente e malleabile.

Il ferro non si trova in natura allo stato puro, ma combinato con l’ossigeno. I minerali usati per produrre l’acciaio sono l’ematite (Fe2O3), dal caratteristico colore rossastro, e la magnetite (Fe3O4), di colore grigio scuro. Per ottenere l’acciaio bisogna quindi togliere l’ossigeno (con un processo detto riduzione) e aggiungere carbonio (carburazione). Entrambi questi obiettivi si raggiungono nell’altoforno, per mezzo del coke.

Il coke è un carbone artificiale costituito da carbonio puro al 90%. Si ottiene distillando il carbon fossile in impianti detti cokerie, di solito abbinate alle acciaierie.

Il minerale ferroso viene immesso in un altoforno, dove brucia il coke. La combustione del coke di per se già produce molta CO2. Qui il carbonio del coke svolge un duplice ruolo: 1) elimina l’ossigeno dai minerali combinandosi con esso e dando luogo a CO2, e 2) si lega al ferro in buona quantità, dando luogo alla ghisa. La ghisa viene poi trasformata in acciaio diminuendo il carbonio in essa contenuto; a tale scopo essa viene fatta fluire in un apposito forno detto convertitore dove viene insufflato ossigeno: in tal modo parte del carbonio della ghisa si combina con l’ossigeno e viene eliminato come ulteriore CO2.

Nel 2017 è stato avviato in Svezia il progetto Hybrit, avente lo scopo di realizzare un prototipo di acciaieria a zero emissioni di CO2. Il progetto è finanziato da un consorzio di aziende svedesi, con il contributo della UE. Il procedimento che è stato adottato è diviso nettamente in due fasi: prima si toglie l’ossigeno dai minerali ferrosi (riduzione), e poi si aggiunge carbonio (carburazione). Per la riduzione si impiega idrogeno verde, ovvero quel tipo di idrogeno che si ottiene per elettrolisi dell’acqua utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili. Il minerale ferroso viene messo in un forno elettrico dove viene insufflato idrogeno verde; questo si combina con l’ossigeno del minerale che viene così eliminato come acqua. Il ferro puro che si ottiene, detto Direct Reduced Iron (DRI) è spugnoso e può avere la forma sia di lingotti che di pellet. Nella seconda fase il DRI è messo in un altro forno elettrico insieme a della grafite (carbonio puro), in assenza di aria: in tal modo il carbonio si lega al ferro nella percentuale voluta, senza produrre CO2.

Questo prototipo ha messo però in evidenza un grosso problema: l’enorme quantità di energia elettrica (ovviamente verde) necessaria per il suo funzionamento. Per una acciaieria medio-piccola che produce 2 milioni di ton/anno (l’Ilva di Taranto ne produce in media 8 milioni) ci vogliono la bellezza di 8,8 TeraWatt/h (sic!), il che porta ad una stima di un parco eolico da qualche centinaio di turbine dedicato all’acciaieria. Da notare che il grosso dell’energia elettrica (circa il 60%) serve per produrre idrogeno con l’elettrolizzatore; il rimanente serve per alimentare i due forni elettrici, quello per la riduzione e quello per la carburazione.

Un altro grosso problema è la grande quantità di idrogeno necessaria. Per la solita acciaieria medio-piccola da 2 ton/anno, servono ben 72.000 ton/anno di idrogeno, il che implica l’impiego di più elettrolizzatori e di un deposito per lo stoccaggio dell’idrogeno. E un deposito per lo stoccaggio dell’idrogeno non è cosa semplice da realizzare. Come noto infatti, l’idrogeno ha una densità bassissima (90 g/m³) e servirebbero depositi giganteschi per immagazzinarlo se non si facesse ricorso a tecniche quali la compressione, la liquefazione o la combinazione con altri elementi. Il problema è di carattere generale, perché molti sono i settori nei quali si punta sull’uso dell’idrogeno, in primis l’autotrazione.

Il successo della produzione di acciaio verde tramite idrogeno dipende fortemente dai costi dell’idrogeno verde. Attualmente esso costa più del doppio dell’idrogeno grigio, quello cioè che si ottiene dal metano (CH4) con produzione di CO2 (un processo molto inquinante); si prevede però un continuo calo del prezzo dell’idrogeno verde, che verso il 2030 dovrebbe costare quanto quello grigio, per poi costare addirittura meno. Questa previsione ottimistica è dovuta a due fattori: 1) la diminuzione del costo dell’energia elettrica rinnovabile, e 2) la diminuzione del costo degli elettrolizzatori ed il loro efficientamento. Infatti la costruzione di elettrolizzatori industriali è appena agli inizi, ed è lecito quindi attendersi grandi progressi; inoltre l’idrogeno grigio sarà sempre più gravato di tasse.

Recentemente è stata costituita in Svezia una multinazionale denominata H2 Green Steel (H2GS), con sede a Boden-Lulea, che, a partire dai risultati di Hybrit, punta a mettere in funzione nel 2024 un’acciaieria interamente alimentata ad idrogeno verde. L’obiettivo è arrivare a produrre 5 milioni di ton/anno di acciaio entro il 2030. Tra i soci di H2GS ci sono il gruppo Marcegaglia ed Exor, insieme ad altri noti gruppi quali Mercedes, Scania, Ikea, etc. L’acciaieria darà lavoro a 1.500 persone.

Se l’acciaio all’idrogeno rappresenta la soluzione definitiva futura, già oggi si possono conseguire notevoli riduzioni delle emissioni di CO2. La strada è quella di abbandonare gli altoforni e il coke, e sostituirli con una coppia di forni elettrici, uno per la riduzione ed uno per la carburazione, come nel prototipo Hybrit. Per la riduzione però, anziché idrogeno verde, si usa il metano, eventualmente arricchito anche con idrogeno, che può essere verde; l’ossigeno estratto dai minerali ferrosi fuoriesce come CO2 e acqua. In tal modo, per ogni tonnellata di acciaio, la CO2 prodotta scende da 2 ton. a 0,7 ton.; inoltre la CO2 può essere facilmente catturata ed utilizzata per altri processi chimici. L’impianto, senza essere modificato, può in un futuro produrre acciaio verde semplicemente sostituendo al metano l’idrogeno verde ed utilizzando solo energia elettrica verde. Danieli, leader italiano per la produzione di impianti siderurgici, ha presentato, insieme a Saipem e Leonardo, un progetto per la riconversione dell’Ilva di Taranto utilizzando questa tecnologia. Tempo necessario: 3 anni dall’ordine. La partita è ancora aperta.

Per l’UE l’acciaio all’idrogeno resta l’obiettivo finale cui puntare. Tuttavia, poiché questo obiettivo è piuttosto lontano nel tempo, anche il ricorso ad altre tecnologie è incentivato.

Infine è importante osservare che sta divenendo sempre più rilevante la produzione di acciaio da riciclaggio di rottami ferrosi. Questa produzione è doppiamente virtuosa perché: 1) diminuisce i rifiuti, e 2) i rottami ferrosi, a differenza dei minerali grezzi, non contengono ossigeno e quindi non è necessario il processo di riduzione, che è quello più dispendioso ed inquinante. E’ sufficiente la carburazione, che avviene in un forno elettrico (Electric-Arc Furnace, EF o EAF) alimentato da rottami cui si aggiunge un 10% di DRI. In Europa la produzione di acciaio da rottami è già il 40% del totale (Spagna 70%, Italia 80%, Germania 30%), ma in Asia siamo solo al 17% (Cina 10%).

[ Livio Lazzeri: ingegnere elettronico Ex dirigente IBM ed ex dirigente Sysdat.]

(Photo credit: industry-647399_1920 Pixabay)