Integrating bio-hydrogen production for optimal hydrogen supply in Stegra's fossil-free iron and steelmaking

The iron and steel sector accounts for a significant share of global greenhouse gas emissions, largely due to fossil-based reduction routes. Achieving deep decarbonization requires alternative solutions, and renewable hydrogen has emerged as a crucial pathway. This thesis, developed in collaboration with Stegra, KTH Royal Institute of Technology, Luleå University of Technology, and Politecnico di Milano, investigates the role of biomass gasification as a complementary pathway to electrolysis for renewable hydrogen production in fossil-free steelmaking. The work takes Stegra’s large-scale Direct Reduced Iron (DRI) facility under construction in Boden, Sweden, as a reference case. A complete plant design was developed, consisting of a circulating fluidized bed gasifier integrated with partial oxidation, water-gas shift, and pressure swing adsorption units. Based on process simulation, the system achieves a hydrogen yield of 40.5 kg per ton of biomass and a thermal efficiency of 58%, supplying up to 17% of the hydrogen demand from the DRI plant. Economic analysis highlights the strong sensitivity of the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) to biomass price, steam generation strategy, and CO2 capture. In its most favorable configuration, the process can deliver hydrogen at 3.6 €/kg, making it competitive with electrolysis. At the same time, it offers clear advantages: the chance to reach negative emissions with CO2 capture, the use of renewable feedstock, and the integration with electrolytic oxygen that enhances overall efficiency. The study also considers innovative technologies such as SATS for H2S splitting, which could further boost total hydrogen production while improving process efficiency. Overall, the results show that biohydrogen can play a practical and scalable role in decarbonized steel production. By combining cost-effectiveness, flexibility, and synergies with existing technologies, biomass gasification strengthens the resilience and sustainability of hydrogen supply in the transition toward fossil-free steel.

Il settore siderurgico è tra le principali fonti globali di emissioni di gas serra, per la forte dipendenza da processi di riduzione fossili. La decarbonizzazione richiede soluzioni alternative, e l’idrogeno rinnovabile si è affermato come soluzione chiave. Questa tesi, sviluppata in collaborazione con Stegra, KTH Royal Institute of Technology, Luleå University of Technology e Politecnico di Milano, analizza il ruolo della gassificazione della biomassa come percorso complementare all’elettrolisi per la produzione di idrogeno destinato alla siderurgia fossile-free. Il lavoro prende a riferimento la domanda di idrogeno del nuovo impianto DRI di Stegra, in costruzione a Boden, Svezia. È stato sviluppato il design completo dell’impianto, comprendente un gassificatore a letto fluido circolante integrato con ossidazione parziale, water-gas shift e pressure swing adsorption. Le simulazioni mostrano una produzione di 40,5 kg di idrogeno per tonnellata di biomassa, con un rendimento termico del 58%, in grado di coprire fino al 17% della domanda di idrogeno del DRI. L’analisi economica evidenzia come il costo livellato dell’idrogeno (LCOH) dipenda soprattutto dal prezzo della biomassa, dalla generazione del vapore e dall’adozione di sistemi di cattura della CO2. Nella configurazione più favorevole, il processo può fornire idrogeno a 3,6 €/kg, risultando competitivo con l’elettrolisi. Al contempo, offre vantaggi significativi: possibilità di emissioni negative con cattura della CO2, utilizzo di biomassa rinnovabile e integrazione con l’ossigeno da elettrolisi per migliorare l’efficienza. Lo studio considera anche tecnologie innovative come il processo SATS per la scissione dell’H2S, in grado di aumentare la produzione totale di idrogeno e migliorare le prestazioni del sistema. Nel complesso, i risultati mostrano come il bioidrogeno possa avere un ruolo concreto e scalabile nella produzione di acciaio decarbonizzato. Grazie a competitività economica, flessibilità e sinergie con tecnologie esistenti, la gassificazione della biomassa rafforza la resilienza e la sostenibilità della fornitura di idrogeno nella transizione verso una siderurgia fossile-free.