The iron and steelmaking industry represents one of the most challenging and difficult hard-to-abate sectors, responsible for approximately 8% of global anthropogenic emissions, 7% of the world industrial energy demand, and based for the majority of its production on the use of high-emitting furnaces that demand both fossil carbon sources and iron ore. Accordingly, together with the technological advancements in the exploitation of hydrogen as a gaseous stream and the retrofitting of plants with carbon capture systems, the utilization of biogenic carbon sources, considered as carbon neutral, represents a major driver in the quest for effective and sustainable iron and steel production. The objective of this research was to delineate the most optimal pathways for the integration of diverse quality-grade biogenic carbon sources into the Italian iron and steel production framework. Building upon a technological assessment conducted between 2022 and 2050, which encompassed the sector production, emissions, energy demands, and material flows (e.g., clean iron sources and iron ore), three distinct applicability scenarios were explored: 1. The potential use of gaseous biogenic carbon sources (biomethane) as a substitute for natural gas in iron and steel production furnaces as well as direct reduction processes. 2. The potential of use solid biogenic carbon sources (e.g., biochar and hydrochar) as reductants for iron oxide-bearing residues and by-products (e.g., mill scale and Waelz slag) following their agglomeration to produce clean iron. 3. The potential use of solid biogenic carbon sources (e.g., biochar and hydrochar) in direct carbon fuel cells as a supplementary renewable energy source for iron and steel production furnaces as well as direct reduction processes. Prior to their application, the biogenic carbon sources underwent comprehensive characterization in terms of pyrolysis yield, proximate analysis, carbon content, mineralogical composition, and activation energy. Consequently, in each scenario, the potential for emissions mitigation and the achievable savings in energy and material flows were evaluated. Furthermore, the specific demand of biogenic carbon sources for each pathway was assessed and compared to the current and prospective availability of these sources in Italy. The comparison of the obtained results with either industrial benchmarks or literature studies based on fossil carbon sources highlighted the feasibility of using biogenic carbon sources not only as a direct substitute for fossil carbon sources (Scenarios 1 and 2), but also as a renewable energy source (Scenario 3). Thereby confirming the crucial role of their application in achieving a sustainable Italian iron and steel industry in the coming decades.

L'industria siderurgica rappresenta uno dei settori più impegnativi e difficili da abbattere, essendo responsabile di circa l'8% delle emissioni antropiche, del 7% della domanda mondiale di energia industriale e con una produzione basata per la maggior parte sull'utilizzo di processi ad alte emissioni ed elevata richiesta di fonti di carbonio fossile e minerale di ferro. Di conseguenza, insieme ai progressi tecnologici nell’utilizzo dell'idrogeno come agente riducente ed all’installazione di sistemi di cattura e stoccaggio del diossido di carbonio, l'utilizzo di fonti di carbonio biogenico, considerate neutrali dal punto di vista ambientale, rappresenta uno dei cardini della ricerca di una produzione di ferro e acciaio sostenibile. L'obiettivo di questa ricerca è stato quindi quello di delineare i percorsi ottimali per l'integrazione di diverse qualità di fonti di carbonio biogenico nel quadro della produzione siderurgica italiana. Sulla base di una valutazione tecnologica condotta tra il 2022 e il 2050, la quale ha incluso la capacità produttiva del settore, le emissioni, la domanda di energia e i flussi di materiali (i.e., import di fonti di ferro pulito e minerali), sono stati esplorati tre distinti scenari di applicabilità: 1. L'uso potenziale di fonti gassose di carbonio biogenico (biometano) come sostituto del gas naturale nei processi produttivi di ferro e acciaio e nei processi di riduzione diretta. 2. L'uso potenziale di fonti di carbonio biogenico solide (i.e., biochar e hydrochar) come agente riducente per i residui e i sottoprodotti contenenti ossido di ferro (i.e., scaglie di laminazione e scorie Waelz) dopo la loro agglomerazione per la produzione ferro pulito. 3. L'uso potenziale di fonti solide di carbonio biogenico (i.e., biochar e hydrochar) in celle a combustibile a carbonio diretto come fonte di energia rinnovabile supplementare per i processi produttivi di ferro e acciaio e nei processi di riduzione diretta. Prima della loro applicazione, le fonti di carbonio biogenico sono state sottoposte a una caratterizzazione completa in termini di resa di pirolisi, analisi prossimale, contenuto di carbonio, composizione mineralogica ed energia di attivazione. Di conseguenza, in ogni scenario è stato valutato la potenziale mitigazione delle emissioni ed i risparmi in termini di domanda energetica ed import di materiali vergini. Inoltre, è stata valutata la domanda specifica di fonti di carbonio biogenico in ogni scenario analizzato e confrontata con la disponibilità attuale e futura di tali fonti sul suolo italiano. Il confronto dei risultati ottenuti dallo studio con i benchmark industriali e studi di letteratura basati sulle fonti di carbonio fossile ha evidenziato la fattibilità dell'utilizzo delle fonti di carbonio biogenico non solo come sostituto diretto delle fonti di carbonio fossile (Scenario 1 e 2), ma anche come fonte di energia rinnovabile (Scenario 3), confermando di conseguenza il ruolo cruciale che, nei prossimi decenni, svolgeranno nel raggiungimento di un'industria siderurgica italiana più sostenibile.

Prospective and applicability of biogenic carbon sources in the iron and steelmaking sector

Dall'OSTO, GIANLUCA
2024/2025

Abstract

The iron and steelmaking industry represents one of the most challenging and difficult hard-to-abate sectors, responsible for approximately 8% of global anthropogenic emissions, 7% of the world industrial energy demand, and based for the majority of its production on the use of high-emitting furnaces that demand both fossil carbon sources and iron ore. Accordingly, together with the technological advancements in the exploitation of hydrogen as a gaseous stream and the retrofitting of plants with carbon capture systems, the utilization of biogenic carbon sources, considered as carbon neutral, represents a major driver in the quest for effective and sustainable iron and steel production. The objective of this research was to delineate the most optimal pathways for the integration of diverse quality-grade biogenic carbon sources into the Italian iron and steel production framework. Building upon a technological assessment conducted between 2022 and 2050, which encompassed the sector production, emissions, energy demands, and material flows (e.g., clean iron sources and iron ore), three distinct applicability scenarios were explored: 1. The potential use of gaseous biogenic carbon sources (biomethane) as a substitute for natural gas in iron and steel production furnaces as well as direct reduction processes. 2. The potential of use solid biogenic carbon sources (e.g., biochar and hydrochar) as reductants for iron oxide-bearing residues and by-products (e.g., mill scale and Waelz slag) following their agglomeration to produce clean iron. 3. The potential use of solid biogenic carbon sources (e.g., biochar and hydrochar) in direct carbon fuel cells as a supplementary renewable energy source for iron and steel production furnaces as well as direct reduction processes. Prior to their application, the biogenic carbon sources underwent comprehensive characterization in terms of pyrolysis yield, proximate analysis, carbon content, mineralogical composition, and activation energy. Consequently, in each scenario, the potential for emissions mitigation and the achievable savings in energy and material flows were evaluated. Furthermore, the specific demand of biogenic carbon sources for each pathway was assessed and compared to the current and prospective availability of these sources in Italy. The comparison of the obtained results with either industrial benchmarks or literature studies based on fossil carbon sources highlighted the feasibility of using biogenic carbon sources not only as a direct substitute for fossil carbon sources (Scenarios 1 and 2), but also as a renewable energy source (Scenario 3). Thereby confirming the crucial role of their application in achieving a sustainable Italian iron and steel industry in the coming decades.
BERNASCONI, ANDREA
CORRADI, ROBERTO
BARELLA, SILVIA
5-dic-2024
L'industria siderurgica rappresenta uno dei settori più impegnativi e difficili da abbattere, essendo responsabile di circa l'8% delle emissioni antropiche, del 7% della domanda mondiale di energia industriale e con una produzione basata per la maggior parte sull'utilizzo di processi ad alte emissioni ed elevata richiesta di fonti di carbonio fossile e minerale di ferro. Di conseguenza, insieme ai progressi tecnologici nell’utilizzo dell'idrogeno come agente riducente ed all’installazione di sistemi di cattura e stoccaggio del diossido di carbonio, l'utilizzo di fonti di carbonio biogenico, considerate neutrali dal punto di vista ambientale, rappresenta uno dei cardini della ricerca di una produzione di ferro e acciaio sostenibile. L'obiettivo di questa ricerca è stato quindi quello di delineare i percorsi ottimali per l'integrazione di diverse qualità di fonti di carbonio biogenico nel quadro della produzione siderurgica italiana. Sulla base di una valutazione tecnologica condotta tra il 2022 e il 2050, la quale ha incluso la capacità produttiva del settore, le emissioni, la domanda di energia e i flussi di materiali (i.e., import di fonti di ferro pulito e minerali), sono stati esplorati tre distinti scenari di applicabilità: 1. L'uso potenziale di fonti gassose di carbonio biogenico (biometano) come sostituto del gas naturale nei processi produttivi di ferro e acciaio e nei processi di riduzione diretta. 2. L'uso potenziale di fonti di carbonio biogenico solide (i.e., biochar e hydrochar) come agente riducente per i residui e i sottoprodotti contenenti ossido di ferro (i.e., scaglie di laminazione e scorie Waelz) dopo la loro agglomerazione per la produzione ferro pulito. 3. L'uso potenziale di fonti solide di carbonio biogenico (i.e., biochar e hydrochar) in celle a combustibile a carbonio diretto come fonte di energia rinnovabile supplementare per i processi produttivi di ferro e acciaio e nei processi di riduzione diretta. Prima della loro applicazione, le fonti di carbonio biogenico sono state sottoposte a una caratterizzazione completa in termini di resa di pirolisi, analisi prossimale, contenuto di carbonio, composizione mineralogica ed energia di attivazione. Di conseguenza, in ogni scenario è stato valutato la potenziale mitigazione delle emissioni ed i risparmi in termini di domanda energetica ed import di materiali vergini. Inoltre, è stata valutata la domanda specifica di fonti di carbonio biogenico in ogni scenario analizzato e confrontata con la disponibilità attuale e futura di tali fonti sul suolo italiano. Il confronto dei risultati ottenuti dallo studio con i benchmark industriali e studi di letteratura basati sulle fonti di carbonio fossile ha evidenziato la fattibilità dell'utilizzo delle fonti di carbonio biogenico non solo come sostituto diretto delle fonti di carbonio fossile (Scenario 1 e 2), ma anche come fonte di energia rinnovabile (Scenario 3), confermando di conseguenza il ruolo cruciale che, nei prossimi decenni, svolgeranno nel raggiungimento di un'industria siderurgica italiana più sostenibile.
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