Post-combustion carbon capture in integrated steel mills : the effect of CO2 capture rate on the cost of CO2 avoided

The iron and steel sector is one of the most energy and emission intensive sectors, accounting for almost 8 percent of the global CO2 emissions. In order to rapidly achieve relevant environmental goals, new processes for the production of steel must be developed. However, due to the continue need for virgin steel, Carbon Capture and Sequestration could be an attractive solution to drastically reduce the CO2 emissions while maintaining the current production rates in the short-medium term. Carbon Capture applied to the iron and steel sector has been already analyzed in the scientific literature; nevertheless the different studies greatly differ among each others, due to the fact that various steel production technologies are currently used, each with several emission points. In this Thesis, a techno-economic model was developed, in order to evaluate the costs associated to a retrofitting of a Carbon Capture Plant to a reference European steel mill. Starting from a finite number of well-defined parameters, the model is able to compute the capital and operative costs associated to the implementation of the Carbon Capture Plant, and to evaluate the CO2 Avoidance Cost. In particular, Post Combustion CO2 Capture with chemical absorpion using Monoethanolamine is examined, applied to the integrated iron and steel mills that are based on the Blast Furnace and Basic Oxygen Furnace technology. First, a reference plant without CO2 capture is delineated; subsequently, the steel mill retrofitted with the Carbon Capture Plant is defined and its costs and performances are computed, considering different levels of capture integration and making use of electrical heat generators such as electric boilers and heat pumps. Results show a CO2 avoidance cost between 47.63 and 68.51 e/t of CO2 avoided, depending on capture percentage and technology selected for steam generation. Finally, a series of sensitivity analyses are performed by varying: heat provided to the Capture Plant, capture efficiency, specific reboiler duty, discount rate, number of operating years and number of hours of operation, interconnection costs, electricity price, heat pump COP and emission intensity for electricity generation.

L’industria siderurgica è uno dei settori industriali più inquinanti e con il più alto consumo energetico, responsabile di quasi l’8% delle emissioni di CO2 globali. La necessità di raggiungere rapidamente gli obiettivi di sosenibilità ambientale richiede lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di acciaio. Tuttavia, a causa della continua domanda di acciaio, la cattura e sequestro della CO2 può essere una soluzione interessante per ridurre drasticamente le emissioni di CO2 e allo stesso tempo mantenere costanti i ritmi produttivi nel breve-medio termine. Lo studio della cattura della CO2 applicata al settore siderurgico è già presente nella letteratura sceintifica, ma i diversi studi differiscono sotto molti aspetti a causa dell’intrinseca complessità degli impianti di produzione, che si basano su diverse tecnologie e hanno diversi punti di emissione. In questo lavoro di Tesi è stato sviluppato un modello tecno-economico per il calcolo dei costi associati al retrofitting di impianti di cattura della CO2 ad acciaierie Europee. Il modello è in grado di calcolare i costi capitali e operativi associati all’utilizzo della cattura partendo da un set di parametri ben definiti, e di ottenere il costo della CO2 evitata. In particolare è stata analizzata la cattura post-combustione attraverso l’utilizzo di Monoetanolammine, applicata ad una acciaieria che utilizza la tecnologia dell’altoforno e della fornace a Ossigeno. Inizialmente, è stato definito un impianto di riferimento senza cattura. Successivamente, diversi livelli di integrazione della cattura di CO2 sono stati analizzati utilizzando tecnologie elettrificate per la generazione di calore, come pompe di calore e boiler elettrici. I risultati mostrano un costo della CO2 evitata compreso tra 47.63 e 68.51 e/t di CO2 evitata, a seconda della percentuale di cattura e della tecnologia selezionata per la produzione di vapore. Infine, una serie di analisi di sensitività sono state condotte andando a variare: la quantità di calore fornito all’impianto di cattura, l’efficienza di cattura, la richiesta di calore specifica al reboiler, il tasso di annualizzazione, l’età media dell’impianto e il numero annuo di ore di utilizzo, i costi di interconnessione, il prezzo dell’elettricità, il COP della pompa di calore e l’emissione indiretta associata alla produzione di elettricità.