Decarbonizing the steelmaking industry : hydrogen pathways and sector integration in the country-wide energy system

Acknowledging its responsibility in fighting climate change, the European Union aims at achieving Carbon neutrality by 2050, involving all the energy and industrial sectors into the fight. This thesis work analyzes future perspectives for the decarbonization of industrial sectors, focusing on steelmaking and ammonia production. First, State-of-the-art commercial technologies and soon-to-market technologies for the production processes are presented and compared, looking at emissions, raw materials, and energy vectors required. Then, scenarios for the development of steel and ammonia production in Italy are developed starting from the current situation and the disclosed industrial plans, on both a 2030 and a 2050 perspective. Hydrogen and energy needs are computed and analyzed, assessing the potential impact on the local energy demand. Following, a preliminary economic analysis is held to assess the economic performances of each production process considered. Then, given the possible limitation on green hydrogen availability and the expected advantages of sector coupling, the integration with the Italian energy system is investigated. This is achieved by reconfiguring an existing multi-node model that simulates the Italian energy system solving energy balances hour by hour for each energy vector, employing the spatial resolution defined by the Italian electric market zone division, and taking into account the geographic distribution of industrial activities, electricity generation, and demand for energy vectors throughout the country. This work focuses on improving the modeling of industrial activities, representing them through the demand of final product- or service- and treating as a variable the share of each technology employed to fulfill it. Furthermore, a “repeated weeks” computational method is implemented, wich allows for a relevant reduction of computational efforts involved, while implying a lower precision in the results, which mostly impact on the storage capacity installed. The steelmaking production scenarios obtained in the first activity are imposed, while RES power generation capacity is assigned on the basis of forecasts that look beyond the existing plans (e.g., National Energy and Climate Plan for 2030). Employing a minimum-cost optimization procedure which accounts for the total cost of the system, the model computes the installed capacity of each steelmaking technologies and each energy storage system. Results evidence how the foreseen scenario of installed RES power generation capacity constrains the availability of hydrogen at the country scale and this, combined with the high expected electric energy needs, undermines the competitiveness of technologies with the highest potential for emission reduction.

Riconoscendo le proprie responsabilità nella lotta al cambiamento climatico, l’Unione Europea si è posta l’obbiettivo di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, coinvolgendo tutti i settori energetici ed industriali. In questo lavoro di tesi si analizzano le prospettive future per la decarbonizzazione del settore siderurgico e della produzione di ammoniaca. Per prima cosa, si articola un’analisi delle tecnologie e dei processi produttivi attualmente impiegati e presenti in letteratura con un grado di maturità più elevato, evidenziando per ciascuna tecnologia emissioni, materie prime utilizzate e domanda di ciascun vettore energetico.Si sviluppano poi degli scenari relativi alla produzione di acciaio e ammoniaca sul suolo italiano, partendo dal contesto industriale attuale e dai piani industriali noti, guardando in particolare al 2030 e al 2050, e ne viene quantificata la domanda di idrogeno e di energia elettrica, per valutarne l’impatto. Successivamente, tramite un’analisi economica preliminare, si discute la competitività economica degli impianti considerati. Considerando i possibili limiti della disponibilità di idrogeno e le possibili sinergie riscontrabili tramite un’analisi integrata dei settori, si studia l’integrazione dei processi produttivi nel sistema energetico italiano. Per fare ciò si riconfigura un modello multinodale esistente, che simula il sistema energetico nazionale risolvendo bilanci di energia su base oraria per ciascuna vettore energetico, impiegando la risoluzione spaziale fornita dalle zone di mercato elettrico e considerando la distribuzione geografica della generazione di energia e della domanda di ciascun vettore energetico. In particolare, il lavoro aumenta il dettaglio di descrizione delle attività industriali, rappresentandole tramite la domanda di prodotto finale e ponendo come variabile la scelta delle tecnologie più opportune. Viene inoltre implementata una metodologia di calcolo “a settimane ripetute” che consente di ridurre notevolmente i tempi di calcolo, a fronte di una minore precisione che si riflette soprattutto nella stima delle capacità di accumulo necessarie. Vengono imposti al modello gli scenari relativi alla produzione siderurgica precedentemente ottenuti, mentre la generazione di potenza da FER è assegnata sulla base di previsioni a medio-lungo termine (i.e., Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima). Tramite una procedura di ottimizzazione dei costi totali, il modello calcola la capacità installata di ciascuna tecnologia siderurgica e dei sistemi di accumulo energetico. I risultati ottenuti mostrano come gli scenari considerati per l’installazione di FER non garantiscano la disponibilità di idrogeno su scala nazionale, e ciò, considerata anche la maggiore domanda di elettricità, compromette la competitività economica delle tecnologie impiegabili per una maggiore riduzione delle emissioni.