Modelling and techno economic assessment of a DRI technology with and without co2 capture for steelmaking decarbonisation

Acknowledging its responsibility in fighting climate change, the European Union aims to achieve carbon neutrality by 2050. Iron and steel production releases seven per cent of the global greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, significant changes in primary steel manufacturing are needed to meet the goals. In this work, possible future decarbonisation solutions for the steelmaking industry are analysed. First, State-of-the-art commercial steelmaking technologies are presented and compared in terms of energy demand and emissions. An overview of the already employed decarbonisation solutions is presented, but they are not sufficient to achieve the emission reduction target. Therefore, the thesis indicates the Direct Reduced Iron (DRI) technology coupled with carbon capture (CC) or fueled with hydrogen (H2) as the best options in terms of technology readiness level and reduction in CO2 emissions. The thesis proposes four models built within the Aspen Plus software. A new model, which simulates an existing plant operating with the MIDREX technology, is used as a reference case, and it is validated with literature and plant data. Three more models include CC technology, while the last one investigates a DRI furnace fueled with 100% H2 produced from an on-site electrolyser. The aim of the models is to assess the energy demand and the CO2 emission of each configuration proposed. A preliminary economic analysis is developed in order to assess the cost competitiveness of the plants. The conclusions present the advantages and disadvantages of the different plant configurations.

Riconoscendo la propria responsabilità nella lotta al cambiamento climatico, l'Unione Europea mira a raggiungere la neutralità del carbonio entro il 2050. La produzione di ferro e acciaio rilascia il sette per cento delle emissioni globali di gas serra (GHG). Pertanto, per raggiungere gli obiettivi prefissati, sono necessari cambiamenti significativi nella produzione primaria di acciaio. In questo lavoro vengono analizzate le possibili future soluzioni per la decarbonizzazione dell'industria siderurgica. In primo luogo, vengono presentate le tecnologie siderurgiche commerciali e confrontate in termini di domanda energetica ed emissioni. In seguito, viene presentata una panoramica delle soluzioni per la decarbonizzazione già in utilizzo, che però non sono sufficienti per il raggiungimento degli obiettivi di riduzione delle emissioni. Pertanto, la tesi indica la tecnologia del Direct Reduced Iron (DRI) accoppiata alla cattura del carbonio (CC) o alimentata con idrogeno (H2) come la migliore soluzione in termini di livello di maturita’ tecnologica e riduzione delle emissioni di CO2. La tesi propone quattro modelli costruiti con il software Aspen Plus. Un nuovo modello costruito ad hoc, che simula un impianto esistente funzionante con la tecnologia MIDREX, è utilizzato come caso di riferimento ed è validato con dati di letteratura e dell'impianto. Altri tre modelli includono la tecnologia di CC, mentre l'ultimo esamina una fornace DRI alimentata con il 100% di H2 prodotto da un elettrolizzatore in loco. L'obiettivo dei modelli è valutare la domanda di energia e le emissioni di CO2 di ciascuna configurazione proposta. Viene sviluppata un'analisi economica preliminare per valutare la competitività dei costi degli impianti. Le conclusioni presentano i vantaggi e gli svantaggi delle diverse configurazioni di impianto.