Techno-economic study of chimneyless electric arc furnace plants for the coproduction of steel and of electricity, hydrogen, or methanol

The scope of this work is to perform a techno-economic study of different plant configurations realizing the novel concept of chimneyless electric arc furnace plants fed either by scrap or direct reduced iron (DRI) for not only producing steel but also, alternatively, electricity, hydrogen, or methanol. First, 11 plant configurations are conceived based on the review of state of the art electric arc furnaces and reasoning on the best strategies to make the furnace plant chimneyless. Secondly, a method to retrieve exhaust gas flow rate and thermodynamic conditions is developed to account for decreased air leakages in the system. Thirdly, a numerical model is implemented in Aspen Plus to simulate the behavior of the system in the different proposed case studies, and Aspen Custom Modeler is used to calibrate a detailed in-house model of the most significant unit in terms of costs, i.e. the solid oxide electrolyzer. Then, green power plants, i.e. wind, solar and nuclear, are designed for electricity production. Finally, an economic analysis is performed. Overall, the feasibility study of the plant leads to promising results in all the case studies analyzed. In terms of energy balances, the net electric power input ranges from 235 to 991 kWh per ton of steel with DRI-fed furnace configurations less energy intensive. Renewable energies allow reductions of carbon dioxide emissions up to 60 t/h. In terms of economic viability, the 11 configurations are characterized by highly variable internal rate of returns. DRI-fed configurations are more viable than scrap-fed ones due to both the more efficient methanol synthesis and absence of carbon capture costs. Electrolysis (when present) represents the highest fraction of the costs. The effect of electricity price on the viability of the case study is significant. Alkaline electrolysis technology results are comparable with the solid oxide technology ones with the latter more viable due to the lower electric energy consumptions especially when the electricity cost is high. Analyzing all the case studies and power sources, the levelized cost of methanol ranges from negative values to a maximum of 742 €/t. The levelized cost of hydrogen ranges from negative values to a maximum of 4.7 €/kg. Being the scrap- and DRI-fed furnaces located in different countries, the solar and wind plant will be affected by the weather conditions and by the costs of electricity production. Then, the net present value analysis shows that applying a relatively low steel premium, e.g. 6%, it is possible to increase significantly the competitiveness of the novel proposed plant configurations even for high electricity cost scenarios. In conclusion, the novel chimneyless electric arc furnaces result to be feasible on a technical and economic point of view. Generally, the configurations of DRI-fed furnaces allow to obtain more viable results with respect to scrap-fed furnaces, and the competitiveness of sole electricity, hydrogen or methanol production configurations depends on the case study analyzed, the power source and, especially, on future trends of market prices.

Lo scopo di questo lavoro è quello di eseguire uno studio tecno-economico di diverse configurazioni impiantistiche realizzando il nuovo concetto di impianti di forni elettrici ad arco senza camino alimentati da rottame o da 'direct reduced iron' (DRI) per la produzione non solo di acciaio ma anche, alternativamente, di elettricità, idrogeno o metanolo. Innanzitutto, 11 configurazioni impiantistiche sono state concepite sulla base della revisione dello stato dell'arte dei forni elettrici ad arco ragionando sulle migliori strategie per rendere l'impianto privo di camino. In secondo luogo, è stato sviluppato un metodo per determinare la portata e le condizioni termodinamiche dei gas di scarico tenendo conto della diminuzione degli ingressi d'aria nel sistema. In terzo luogo, un modello numerico in Aspen Plus è stato implementato per simulare il comportamento del sistema nei diversi casi studio proposti, e un modello preesistente in Aspen Custom Modeler è stato calibrato per simulare l'unità più significativa in termini di costi, ovvero l'elettrolizzatore ad ossidi solidi. In seguito, impianti eolici, solari e nucleari sono stati progettati per la produzione di energia elettrica rinnovabile. Infine, è stata eseguita un'analisi economica. Nel complesso, lo studio di fattibilità dell'impianto porta a risultati promettenti in tutti i casi studio analizzati. In termini di bilanci energetici, la potenza elettrica netta assorbita varia da 235 a 991 kWh per tonnellata di acciaio, con le configurazioni di forni alimentati a DRI meno energivore. Gli impianti rinnovabili consentono di ridurre le emissioni di anidride carbonica fino a 60 t/h. In termini di redditività economica, le 11 configurazioni sono caratterizzate da un tasso interno di rendimento molto variabile. Le configurazioni alimentate a DRI sono più competitive di quelle alimentate a rottame grazie sia alla sintesi più efficiente del metanolo che all'assenza dei costi di cattura del carbonio. L'elettrolisi (quando presente) rappresenta la frazione più alta dei costi. L'effetto del prezzo dell'energia elettrica sulla fattibilità dei casi studio è significativo. I risultati ottenuti con l'utilizzo degli elettrolizzatori alcalini sono paragonabili a quelli ottenuti con gli elettrolizzatori ad ossidi solidi, con questi ultimi più competitivi grazie ai minori consumi di energia elettrica soprattutto quando il costo dell'elettricità è elevato. Analizzando tutti i casi studio e le fonti di energia, il costo livellato del metanolo varia tra valori negativi ad un massimo di 742 €/t. Il costo livellato dell'idrogeno varia tra valori negativi ad un massimo di 4.7 €/kg. Trattandosi di forni alimentati a rottame e DRI situati in paesi diversi, gli impianti solare ed eolico sono influenzati dalle condizioni meteorologiche e dai costi di produzione dell'energia elettrica. Infine, l'analisi del valore attuale netto mostra che applicando un incremento di prezzo di vendita dell'acciaio relativamente basso, ad esempio pari al 6%, è possibile aumentare significativamente la competitività delle nuove configurazioni impiantistiche proposte anche per costi elevati dell'energia elettrica. In conclusione, i nuovi forni elettrici ad arco senza camino risultano fattibili dal punto di vista tecnico ed economico. Generalmente, le configurazioni dei forni alimentati a DRI consentono di ottenere risultati più competitivi rispetto ai forni alimentati a rottame, e la competitività delle configurazioni di produzione di sola energia elettrica, idrogeno o metanolo dipende dal caso studio analizzato, dalla fonte di energia elettrica e, soprattutto, dall'andamento futuro dei prezzi di mercato.