Nella città di Woburn, Massachusetts, un sobborgo appena a nord di Boston, un gruppo di ingegneri e scienziati in camice bianco ha ispezionato una pila ordinata di lingotti d'acciaio grigio canna di fucile delle dimensioni di un mattone su una scrivania all'interno di uno spazio laboratorio illuminato al neon.
Quello che stavano guardando era un lotto di acciaio creato utilizzando un metodo di produzione innovativo, uno che metallo di Boston, una società nata un decennio fa dal MIT, spera di rimodellare drasticamente il modo in cui la lega è stata prodotta per secoli. Utilizzando l'elettricità per separare il ferro dal suo minerale, l'azienda afferma di poter produrre acciaio senza rilasciare anidride carbonica, offrendo un percorso per ripulire una delle peggiori industrie del mondo per le emissioni di gas serra.
Un input essenziale per l'ingegneria e l'edilizia, l'acciaio è uno dei materiali industriali più popolari al mondo, con più di 2 miliardi tonnellate prodotte annualmente. Questa abbondanza, tuttavia, ha un prezzo elevato per il ambiente. La produzione di acciaio conta 7 per cento 11 delle emissioni globali di gas serra, rendendola una delle maggiori fonti industriali di inquinamento atmosferico. E perché la produzione potrebbe salire di un terzo entro il 2050, questo onere ambientale potrebbe aumentare.
Ciò rappresenta una sfida significativa per affrontare la crisi climatica. Le Nazioni Unite dice la riduzione significativa delle emissioni di carbonio industriali è essenziale per mantenere il riscaldamento globale al di sotto del livello di 1.5 gradi Celsius stabilito dall'accordo sul clima di Parigi del 2015. Per fare ciò, le emissioni dell'acciaio e di altre industrie pesanti dovranno diminuire del 93% entro il 2050, secondo stime dall'Agenzia internazionale per l'energia.
Di fronte alla crescente pressione da parte di governi e investitori per ridurre le emissioni, un certo numero di produttori di acciaio, inclusi i principali produttori e startup, stanno sperimentando tecnologie a basse emissioni di carbonio che utilizzano idrogeno o elettricità invece della tradizionale produzione ad alta intensità di carbonio. Alcuni di questi sforzi si stanno avvicinando alla realtà commerciale.
"Quello di cui stiamo parlando è un'industria ad alta intensità di capitale e avversa al rischio in cui le interruzioni sono estremamente rare", ha affermato Chris Bataille, economista energetico presso IDDRI, un think tank di ricerca con sede a Parigi. Pertanto, ha aggiunto, "è eccitante" che ci siano così tante cose da fare tutte in una volta.
Tuttavia, gli esperti concordano sul fatto che la trasformazione di un'industria globale si è capovolta $ 2.5 trilioni nel 2017 e impiega più di 6 milione di persone richiederà uno sforzo enorme. Al di là degli ostacoli pratici all'aumento graduale dei nuovi processi in tempo per raggiungere gli obiettivi climatici globali, ci sono preoccupazioni per la Cina, dove viene prodotto oltre la metà dell'acciaio mondiale e i cui piani per decarbonizzare il settore siderurgico rimangono vaghi.
"Non è certamente una soluzione facile decarbonizzare un settore come questo", ha affermato Bataille. “Ma non c'è scelta. Il futuro del settore, e quello del nostro clima, dipende proprio da questo».
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La moderna produzione dell'acciaio implica diverse fasi di produzione. Più comunemente, il minerale di ferro viene frantumato e trasformato in sinterizzazione (un solido grezzo) o pellet. Separatamente, il carbone viene cotto e convertito in coke. Il minerale e il coke vengono quindi miscelati con il calcare e immessi in un grande altoforno dove dal fondo viene immesso un flusso di aria estremamente calda. A temperature elevate, il coke brucia e la miscela produce ferro liquido, noto come ghisa o ferro d'altoforno. Il materiale fuso va quindi in una fornace ad ossigeno, dove viene sabbiato con ossigeno puro attraverso una lancia raffreddata ad acqua, che spinge via il carbonio per lasciare l'acciaio grezzo come prodotto finale.
Questo metodo, brevettato per la prima volta dall'ingegnere inglese Henry Bessemer negli anni '1850 dell'Ottocento, produce emissioni di anidride carbonica in diversi modi. In primo luogo, le reazioni chimiche nell'altoforno provocano emissioni, poiché il carbonio intrappolato nel coke e nel calcare si lega all'ossigeno nell'aria per creare anidride carbonica come sottoprodotto. Inoltre, i combustibili fossili vengono in genere bruciati per riscaldare l'altoforno e per alimentare gli impianti di sinterizzazione e pellettizzazione, nonché le cokerie, emettendo anidride carbonica nel processo.
Fino al 70 per cento dell'acciaio del mondo viene prodotto in questo modo, generando quasi due tonnellate di anidride carbonica per ogni tonnellata di acciaio prodotta. Il restante 30 percento è quasi tutto realizzato attraverso forni elettrici ad arco, che utilizzano una corrente elettrica per fondere l'acciaio, in gran parte rottami riciclati, e hanno emissioni di CO2 di gran lunga inferiori rispetto agli altiforni.
Ma a causa della limitata offerta di rottami, non tutta la domanda futura può essere soddisfatta in questo modo, ha affermato Jeffrey Rissman, direttore del programma di settore e capo della modellazione presso l'azienda di politica energetica e climatica Energy Innovation con sede a San Francisco. Con le giuste politiche in atto, il riciclaggio potrebbe fornire fino al 45% della domanda globale nel 2050, ha affermato. "Il resto sarà soddisfatto forgiando l'acciaio primario a base di minerali, da cui proviene la maggior parte delle emissioni".
Quindi "se l'industria siderurgica prende sul serio" i suoi impegni sul clima, ha aggiunto, "dovrà rimodellare radicalmente il modo in cui viene prodotto il materiale e farlo abbastanza rapidamente".
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Una tecnologia alternativa in fase di test sostituisce il coke con l'idrogeno. In Svezia, Ibrido—una joint venture tra il produttore siderurgico SSAB, il fornitore di energia Vattenfall, e LKAB, un produttore di minerale di ferro, sta sperimentando un processo che mira a riutilizzare un sistema esistente chiamato ferro ridotto diretto. Il processo utilizza il coke dai combustibili fossili per estrarre ossigeno dai pellet di minerale di ferro, lasciando un pellet di ferro poroso chiamato spugna di ferro.
Il metodo Hybrit estrae invece l'ossigeno utilizzando gas idrogeno privo di fossili. Il gas viene creato attraverso l'elettrolisi, una tecnica che utilizza una corrente elettrica, in questo caso da una fonte di energia priva di fossili, per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno. (Idrogeno purissimo oggi è fatto con metano, che produce CO2 quando viene bruciato.) Il ferro spugnoso risultante va quindi in un forno ad arco elettrico, dove viene infine raffinato in acciaio. Il processo rilascia solo vapore acqueo come sottoprodotto.
"Questa tecnologia è nota da tempo, ma finora è stata utilizzata solo in laboratorio", ha affermato Mikael Nordlander, responsabile della decarbonizzazione del settore presso Vattenfall. "Quello che stiamo facendo qui è vedere se può funzionare a livello industriale".
Lo scorso agosto Hybrit ha raggiunto il suo primo traguardo: SSAB, che produce e vende il prodotto finale, ha consegnato il suo primo lotto di acciaio privo di fossili alla casa automobilistica Volvo, che lo ha utilizzato nei prototipi di veicoli. Sta inoltre pianificando un impianto per la produzione su scala commerciale, che mira a completare entro il 2026.
Un'altra impresa svedese, H2 Green Steel, sta sviluppando un simile impianto di acciaio all'idrogeno su scala commerciale con l'aiuto di 105 milioni di dollari raccolti da investitori privati e aziende tra cui Mercedes-Benz, Scania e IMAS Foundation, un'organizzazione collegata a Ikea. L'azienda piani iniziare la produzione entro il 2024 e produrre 5 milioni di tonnellate di acciaio a emissioni zero entro la fine del decennio. Altre aziende che testano la produzione di acciaio alimentata a idrogeno includono ArcelorMittal, Thyssenkruppe Salzgitter AG in Germania; Posco in Corea del Sud; e voestalpine In Austria.
L'elettricità può anche essere utilizzata per ridurre il minerale di ferro. Boston Metal, ad esempio, ha sviluppato un processo chiamato elettrolisi dell'ossido fuso, in cui una corrente si muove attraverso una cella contenente minerale di ferro. Quando l'elettricità viaggia tra entrambe le estremità della cella e riscalda il minerale, l'ossigeno bolle (e può essere raccolto), mentre il minerale di ferro viene ridotto in ferro liquido che si accumula sul fondo della cella e viene periodicamente spillato. Il ferro purificato viene quindi miscelato con carbone e altri ingredienti.
"Quello che facciamo è fondamentalmente scambiare il carbonio con l'elettricità come agente riducente", ha spiegato Adam Rauwerdink, vicepresidente senior dello sviluppo aziendale dell'azienda. "Questo ci consente di produrre acciaio di altissima qualità utilizzando molta meno energia e in meno passaggi rispetto alla produzione di acciaio convenzionale". Finché l'energia proviene da fonti prive di fossili, ha aggiunto, il processo non genera emissioni di carbonio.
Ha affermato che la società, che attualmente gestisce tre linee pilota nella sua struttura di Woburn, sta lavorando per portare sul mercato il suo concetto di laboratorio, utilizzando 50 milioni di dollari raccolti l'anno scorso da un gruppo di investitori che include Breakthrough Energy Ventures, sostenuto da Bill Gates, e la casa automobilistica tedesca BMW. Un impianto dimostrativo su scala commerciale dovrebbe essere operativo entro il 2025.
"Sento che tutte queste soluzioni hanno il loro posto, a seconda della posizione, della disponibilità delle risorse e del prodotto mirato", ha affermato Sridhar Seetharaman, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Arizona State University. "Comunque non credo che per ora nessuno da solo ti darà una pallottola d'argento per soddisfare la domanda."
"L'idrogeno ha un po' di vantaggio essendo basato su un sistema consolidato ed è anche avanti nella commercializzazione", ha affermato Bataille, l'economista energetico di IDDRI. "Ma il raggiungimento di un'industria siderurgica a zero netto richiederà percorsi più privi di carbonio, quindi penso che alla fine ci sarà abbastanza spazio sul mercato per tutti loro".
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Sebbene i processi di produzione dell'acciaio più ecologici sembrino prendere slancio, rimangono una serie di serie sfide da affrontare. Il principale tra questi è la massiccia espansione delle infrastrutture per l'energia rinnovabile che comporterebbe un passaggio a livello di settore a questi nuovi metodi, ha affermato Thomas Koch Blank, senior principal presso l'organizzazione no profit con sede in Colorado Rocky Mountain Institute. Egli stima che il mondo avrebbe bisogno di fino a tre volte le fonti di energia solare ed eolica attualmente installate per elettrificare la produzione di acciaio primario esistente.
Un altro ostacolo è il costo. Il passaggio all'elettricità o all'idrogeno richiederebbe ingenti spese in conto capitale per erigere nuovi impianti e retrofit di quelli vecchi. Nel caso del metodo dell'idrogeno pulito, il prezzo dell'acciaio aumenterà in gran parte perché i produttori di acciaio si trovano vicino al carbone da coke a basso costo piuttosto che all'idrogeno a basso costo, ha sottolineato Koch Blank. "Questi costi iniziali probabilmente faranno aumentare il prezzo sia dell'acciaio che dei prodotti finali, almeno all'inizio".
Secondo Rissman, l'analista di San Francisco, la legislazione sia sul lato dell'offerta che su quello della domanda potrebbe aiutare a compensare questi costi più elevati e incoraggiare maggiori investimenti in tecnologie più ecologiche. I governi, ha affermato, potrebbero incentivare l'uso di acciaio a basse emissioni di carbonio per l'edilizia e le infrastrutture richiedendo ai progetti finanziati dallo stato di utilizzare versioni a basse emissioni di materiali da costruzione designati. Potrebbero anche applicare politiche che rendano più costoso l'acquisto da paesi in cui le norme sulle emissioni sono meno rigorose. Ciò aiuterà i produttori nazionali a "rimanere competitivi" mentre il mercato dell'acciaio pulito "cresce e nuovi processi di produzione realizzano economie di scala", ha affermato Rissman.
Forse il più grande ostacolo è la Cina, dove circa cento 90 della produzione di acciaio è ottenuto utilizzando altiforni. Nel settembre 2020, il presidente Xi Jinping ha annunciato che il paese mira a diventare carbon neutral entro il 2060. Nel tentativo di ridurre l'inquinamento delle acciaierie domestiche, che rappresentano circa il 15 per cento delle emissioni complessive di carbonio della nazione, anche Pechino si è impegnata a farlo raggiungere il picco delle emissioni di acciaio entro il 2030. Nonostante ciò, solo nei primi sei mesi del 18 in Cina sono stati annunciati 2021 nuovi progetti di altoforno, secondo al gruppo di ricerca con sede a Helsinki Center for Research on Energy and Clean Air.
L'acciaio è una delle industrie più importanti e impegnative da decarbonizzare, ha affermato Rissman, quindi un coordinamento globale su di esso sarebbe di grande aiuto.
Tornato a Boston, Rauwerdink, esaminando le linee di fabbrica della Boston Metal, fu d'accordo. "E' una sfida fantastica contro la quale dobbiamo confrontarci", ha detto. Ma, ha aggiunto, "Stiamo dimostrando che le soluzioni esistono e funzionano".
Questo articolo è stato pubblicato in origine Undark. Leggi il articolo originale.
Immagine di credito: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
