Long-term energy planning analyses for empresa siderurgica del Mutùn : natural gas, renewables and small modular reactor

This thesis investigates the decarbonization pathways for Empresa Siderúrgica del Mutún, a greenfield steel plant located in the Mutún region (Bolivia), by developing an energy- system modeling framework that consistently represents steelmaking pathways. The ref- erence (baseline) case assumes a conventional energy supply in which natural gas provides the full energy input to the plant. Alternative scenarios are assessed against this baseline through two main levers. First, the study evaluates the integration of hydrogen in the Direct Reduced Iron (DRI) route, which intrinsically reduces process-related CO2 emissions by partially or fully sub- stituting fossil-based reducing agents. Second, the work explores different portfolios of electricity supply to produce low-carbon hydrogen and meet the electrical demand of the plant. These portfolios combine renewable energy sources and/or a Small Modular Reac- tor (SMR) as firm low-carbon generation. In line with the scope of the work, the analysis focuses on the electrical domain, while thermal demands are assumed to remain outside the decarbonization options considered. The modeling approach enables a consistent comparison of technological configurations and operational strategies, quantifying their implications in terms of energy balances and emissions performance relative to the baseline based on natural-gas. The results support strategic decision-making for the Mutún project by clarifying the role of hydrogen-based DRI and the potential contribution of renewables and SMRs to deep decarbonization of the steel supply chain.

Questa tesi ha l’obiettivo di analizzare diversi percorsi di decarbonizzazione per la Empresa Siderúrgica del Mutún, un impianto siderurgico situato nella regione del Mutún, in Bolivia. L’analisi si basa su un approccio di energy system modelling finalizzato alla valutazione di scenari alternativi, con lo scopo di individuare le configurazioni in grado di garantire le minori emissioni di CO2 compatibilmente con le caratteristiche dell’impianto. Il caso di riferimento (baseline) assume l’utilizzo del gas naturale come unica fonte di ap- provvigionamento energetico per soddisfare l’intera domanda dell’impianto. A partire da questo scenario, vengono analizzate configurazioni alternative articolate su due principali livelli di intervento. In primo luogo, lo studio valuta l’integrazione dell’idrogeno nel processo di Direct Reduced Iron (DRI), che consente una riduzione delle emissioni di CO2 attraverso la sostituzione parziale o totale degli agenti riducenti di origine fossile. In secondo luogo, vengono esam- inate soluzioni a minore impatto ambientale per la copertura della domanda energetica elettrica dell’impianto, che possono al contempo costituire una risorsa per la produzione di idrogeno. In questo contesto, vengono considerate sia l’integrazione di fonti energetiche rinnovabili (Renewable Energy Sources, RES) sia la possibilità di installare uno Small Modular Reactor (SMR) in prossimità del sito industriale. L’approccio modellistico adottato consente di confrontare in modo coerente le diverse tec- nologie e strategie operative, valutandone le prestazioni in termini di bilancio energetico ed emissioni rispetto al caso di riferimento basato sul gas naturale. I risultati ottenuti for- niscono un supporto al processo decisionale per Empresa Siderúrgica del Mutún, chiarendo il ruolo dell’idrogeno nel processo DRI e il potenziale contributo delle fonti rinnovabili e dell’energia nucleare nella decarbonizzazione della filiera produttiva dell’acciaio.