High temperature industrial processes and mapping of their potential for solarization

Climate change is already affecting human society on several aspects, however CO2 concentration in the atmosphere is continuously increasing. To achieve a carbon-neutral society, emissions from energy production of any form have to be cut. This thesis examines the potential of concentrated solar thermal energy (CST) concentrated solar power (CST) as a technology to provide heat to high temperature industrial processes, like metals manufacturing. These processes are relevant in the most important sectors both for economy and society development. A detailed look at the production of some commodities with a thermal energy demand above 600 °C shows their cost- and emission-composition. A possible replacing of fossil fuels with solar energy is evaluated in 25 countries around the world that have an abundant solar resource in terms of Direct Normal Irradiance (DNI), namely: Argentina, Australia, Bolivia, Chile, Egypt, Mexico, Morocco, Portugal, Peru, South Africa, Spain, USA, Angola, Botswana, Brazil, Iran, Israel, Madagascar, Namibia, Saudi Arabia, Tanzania, UAE, Turkey, Zambia and Zimbabwe. The impact of carbon taxes is taken into consideration as several governments are implementing them more and more in order to encourage cleaner processes. A comparison between the CST option and a PV implementation is also calculated to assess which is more attractive based on the location. Results show that CST can be a competitive source of industrial heat in most of the countries that have been analysed. In particular, the CST option appears to be the most cost-efficient path for production in some areas like Spain, Portugal, Israel and Chile where for example the recycling of a tonne of aluminium costs 1235 EUR/t using coal and 1228 EUR/t using a solar technology. Therefore, CST proves to be an important player in the decarbonization path of industry.

Gli effetti del cambiamento climatico sono già visibili nella società sotto vari aspetti, nonostante questo la concentrazione di CO2 nell’atmosfera è in continuo aumento. Per raggiungere una società carbon-neutral, è necessario ridurre le emissioni derivanti dalla produzione di energia sotto qualsiasi sua forma. Questa tesi esamina il potenziale dell'energia solare a concentrazione (CST) come tecnologia per fornire calore ai processi industriali ad alta temperatura, i quali rientrano nei settori più importanti sia per l'economia che per lo sviluppo della società, come la produzione di metalli. Uno sguardo dettagliato alla produzione di alcuni materiali al di sopra di 600 °C mostra la loro composizione in termini di costi e di emissioni, e viene valutata la possibilità di sostituire i combustibili fossili con l'energia solare in 25 Paesi del mondo che presentano un’abbondante risorsa solare: Argentina, Australia, Bolivia, Cile, Egitto, Messico, Marocco, Portogallo, Perù, Sud Africa, Spagna, USA, Angola, Botswana, Brasile, Iran, Israele, Madagascar, Namibia, Arabia Saudita, Tanzania, Emirati Arabi Uniti, Turchia, Zambia e Zimbabwe. Viene preso in considerazione l'impatto delle tasse sulle emissioni di anidride carbonica che diversi governi stanno introducendo in misura sempre maggiore per incoraggiare processi più puliti. Viene inoltre effettuato un confronto tra l'opzione CST e un'implementazione fotovoltaica per valutare quale sia più conveniente in base alla località. I risultati mostrano che il CST può essere una fonte competitiva di calore industriale in molti Paesi analizzati. In particolare, l’opzione CST risulta essere l’opzione più efficiente in termini di costi in aree come la Spagna, il Portogallo, Israele e il Cile dove per esempio il riciclo di una tonnellata di alluminio costa 1235 EUR/t usando carbone e 1228 EUR/t usando la tecnologia solare. Pertanto, il CST si rivela essere un attore importante nel percorso di decarbonizzazione dell'industria.