Modeling and techno-economic assessment for solid oxide electrolyzer integration in a DRI production plant for steel industry decarbonization

The decarbonization of primary steel production is one of the most complex challenges in meeting climate targets, since the steel sector accounts for about 7% of global greenhouse gas emissions. This thesis analyzes a potential solution for decarbonizing the iron ore reduction stage, that shows the integration of a Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC) into a Direct Reduced Iron (DRI) production plant. Starting from the description of the conventional natural-gas-based MIDREX process, which is the most widely adopted commercial direct reduction technology, an alternative configuration is developed in which the reformer is replaced by an SOEC for hydrogen production. Two detailed models are built in Aspen Plus: the first, validated with literature data, reproduces an existing MIDREX plant and serves as the reference case; the second simulates the innovative hydrogen-based configuration, while maintaining the same operating conditions in the shaft furnace to ensure a consistent comparison. The objective is to evaluate energy consumption, utility demand, and CO2 emissions for each configuration. The results show that SOEC integration can reduce direct CO2 emissions by 95% and drastically decrease natural gas consumption, but it also causes a significant increase in electricity demand, shifting the main energy vector from fossil fuel to electricity. The economic assessment compares the cost competitiveness of the two solutions. Sensitivity analysis and the 2050 scenario identify the market conditions, in terms of energy prices and carbon tax, under which this decarbonization pathway could become economically sustainable. The conclusions highlight the trade-off between environmental performance and production cost, outlining both the advantages and the limitations of the hydrogen-based configuration in the transition toward low-emission steelmaking.

La decarbonizzazione della produzione di acciaio primario rappresenta una delle sfide più complesse per il raggiungimento degli obiettivi climatici, considerando che il settore siderurgico contribuisce per circa il 7% alle emissioni globali di gas serra. In questo lavoro di tesi viene analizzata una possibile soluzione per la decarbonizzazione della fase di riduzione del minerale ferroso, ovvero l'integrazione di un elettrolizzatore ad ossidi solidi (SOEC) in un impianto di produzione di Direct Reduced Iron (DRI). A partire dalla descrizione del processo MIDREX convenzionale a gas naturale, che rappresenta la tecnologia di riduzione diretta più diffusa a livello commerciale, si sviluppa una configurazione alternativa in cui il reformer è sostituito da una SOEC per la produzione di idrogeno. Sono stati costruiti due modelli dettagliati con il software Aspen Plus: il primo, validato con dati di letteratura, riproduce un impianto MIDREX esistente e rappresenta il caso di riferimento; il secondo simula la configurazione innovativa con SOEC, mantenendo le medesime condizioni operative per la fornace al fine di garantire un confronto coerente. L'obiettivo è stato quello di valutare il consumo energetico, il fabbisogno di utenze e le emissioni di CO2 di ciascuna configurazione. I risultati mostrano che l'integrazione della SOEC consente di abbattere le emissioni dirette di CO2 del 95% e ridurre drasticamente il consumo di gas naturale, ma comporta un significativo aumento della domanda di elettricità, spostando il vettore energetico principale dal combustibile fossile all'energia elettrica. L'analisi economica condotta ha permesso di valutare la competitività dei costi e confrontare le due soluzioni. L'analisi di sensitività e lo scenario futuro al 2050 hanno infine identificato le condizioni di mercato, in termini di prezzi dell'energia e carbon tax, che potrebbero rendere economicamente sostenibile questa via di decarbonizzazione. Le conclusioni evidenziano il compromesso tra performance ambientale e costo di produzione, delineando vantaggi e limiti della configurazione con SOEC nel contesto della transizione verso una siderurgia a basse emissioni.