Steelmaking decarbonization through hydrogen : business model proposal tailored to the Italian market and regulatory framework

The research aims at providing insights to trigger steelmaking decarbonization through hydrogen at industrial scale with specific reference to the Italian marker and regulatory framework. Steelmaking indeed suffers severe emissions and scarce decarbonization options. Iron direct reduction in shaft furnaces (SF) is the most promising decarbonization route, given the potential to completely replace natural gas (NG-SF) with renewable hydrogen (H2-SF). The research is thus based on an industrial scale hydrogen production plant design integrated upstream with RES and downstream with a 1 Mt/y capacity SF, corresponding to 54’120 tH2)/y demand. An Excel numerical model simulates H2-SF operations determining capacities, energy flows and costs associated in terms of LCOH, total cost and cost differential compared to NG-SF. Costs optimization options are assessed while maintaining decarbonization benefits and accounting for regulatory constraints: indeed, the European Renewable Energy Directive (RED II) and related delegated act sets rules for renewable hydrogen production. The optimized H2-SF design proposes to loosen such constraints so that costs savings compared to stricter-RED II design are much relevant: LCOH reduces by 1.15 €/kgH2 to 8.69 €/kgH2; project total costs reduce by 581 m€ to 4.3 bn€; cost differential versus NG-SF design reduces by 957 m€ to 1.6 bn€. Decarbonization benefits instead are maintained in terms of RES capacity to be installed, NG and emission savings, accounting for 646 MW, 5.2 bn scm, and 12.5 m tCO2eq respectively. Results scaled at Italian steel market level (25 Mt steel/y) simulate the whole sector decarbonization. Systemic implications follow: the national electricity grid flexibility shall improve, offering benefits to all users on the long term, including industrial projects as the one discussed; to ensure its profitability, a CfD incentive system guaranteed by the state is proposed. Overall, the elements of novelty granted by the present research are: relevance of regulatory factors is demonstrated and critically assessed; H2-SF operations are simulated at industrial scale; a systemic sector-wide perspective is provided.

La ricerca vuole fornire spunti utili per promuovere la decarbonizzazione dell’acciaio tramite idrogeno su scala industriale e con specifico riferimento al mercato e contesto normativo italiano. La produzione di acciaio soffre infatti forti emissioni e scarse opzioni di decarbonizzazione. La riduzione diretta del ferro in shaft furnaces (SF) è l’opzione più promettente poiché il gas naturale (NG-SF) può essere completamente sostituito da idrogeno rinnovabile (H2-SF). La ricerca si basa quindi sulla simulazione di un impianto di produzione di idrogeno su scala industriale integrato a monte con FER e a valle con SF della capacità di 1 Mt/y, equivalente a 54'120 tH2/y. La simulazione Excel determina quindi capacità, flussi energetici e costi del sistema (LCOH, costo totale, costo differenziale vs. NG-SF). Opzioni di ottimizzazione dei costi sono valutate mantenendo i vantaggi di decarbonizzazione e tenendo conto dei vincoli normativi: infatti la Renewable Energy Directive (RED II) e relativo atto delegato fissano regole per la produzione di idrogeno rinnovabile. Il design ottimizzato propone di allentare tali vincoli cosicché i costi si riducono notevolmente fino a: 8.69 €/kgH2 LCOH (-1,15 €/kgH2); 4.3 mld€ costo totale di progetto (-581 m€); 1.6 mld€ costo differenziale vs. NG-SF (-957 m€). I benefici di decarbonizzazione in termini di capacità FER da installare, risparmio di NG ed emissioni, sono inalterati, pari rispettivamente a 646 MW, 5.2 mld smc e 12.5 mln tCO2eq. Infine, i risultati scalati a livello di mercato italiano (25 Mt steel/y) simulano la decarbonizzare dell'intero settore acciaio. Ne conseguono implicazioni sistemiche: la flessibilità della rete elettrica nazionale deve migliorare a favore di tutti gli utenti sul lungo periodo, compresi progetti industriali come quello discusso; per assicurarne la redditività, si propone poi un sistema di incentivo CfD garantito dallo stato. Complessivamente, gli elementi di novità portati dalla presente ricerca sono: la rilevanza dei fattori normativi è dimostrata e valutata criticamente; un sistema H2-SF è simulato su scala industriale; viene fornita una prospettiva sistemica a livello di settore.