Acciaio Verde

Le cifre precise delle emissioni annuali della produzione mondiale di acciaio variano tra le fonti a seconda dell'anno e dei confini di sistema considerati. [1] cita il rapporto World Energy Outlook 2023 dell'IEA, secondo cui la produzione di acciaio era responsabile dell'8% delle emissioni di CO₂ e del 6% delle emissioni di GHG nell'anno precedente. [4] stima le emissioni dirette di ferro-e-acciaio in 2,6 GtCO₂ nel 2019, pari al 7% della CO₂ del sistema energetico-globale. [3] colloca il settore a circa il 7-8% delle emissioni di gas-serra antropogenici, usando un confine settoriale più ampio. La cifra dell'8% nello script deriva soprattutto da [1] ma offre anche una sintesi arrotondata di queste stime sovrapposte.

Le emissioni di anidride carbonica prodotte dal settore dei trasporti nel mondo nel 2024 hanno raggiunto una stima di 9 GtCO₂, su un totale stimato di 41,6 GtCO2 (cioè le emissioni antropiche totali di CO₂ dall’uso di combustibili fossili e da LULUCF [uso del suolo, cambiamento di uso del suolo e silvicoltura], considerando il pozzo di carbonatazione del cemento creato dall’uomo) ^[5,6]. L’aviazione (internazionale e nazionale) ha rappresentato un 9,9% dichiarato delle emissioni del settore dei trasporti, pari al 2,14% delle emissioni globali di carbonio (poco meno di un miliardo di tonnellate metriche). Il trasporto marittimo (internazionale, nazionale e pesca) ha rappresentato un 10,67% dichiarato delle emissioni del settore dei trasporti, pari al 2,31% delle emissioni globali di carbonio ^[5,6].

Un confronto precedente alla pandemia, che usa studi dedicati su aviazione e trasporto marittimo rispetto allo stesso totale globale di emissioni di CO₂, offre un utile controllo incrociato di questa stima del 2024 e dà un risultato nel complesso simile. Nel 2018, l’aviazione globale ha emesso circa 1,034 GtCO₂ ^[7], mentre il trasporto marittimo ha emesso circa 1,056 GtCO₂ ^[8]. Le emissioni combinate erano quindi circa 2,090 GtCO₂. Rispetto al totale del Global Carbon Budget di 42,5 GtCO₂ per lo stesso anno ^[6], aviazione e trasporto marittimo insieme hanno rappresentato circa il 4,92%. Una quota dell’8% delle emissioni del settore siderurgico sarebbe quindi circa 3,08 punti percentuali più alta, ovvero 1,63 volte le emissioni combinate aviazione-e-trasporto marittimo. Questo confronto considera solo la CO₂ annuale e non include gli ulteriori effetti di riscaldamento non-CO₂ dell’aviazione.

Al momento della stesura, queste sono le migliori cifre disponibili per confrontare direttamente i settori, attingendo dove possibile a fonti recenti e autorevoli (ad es. le emissioni navali fornite dall’International Maritime Organization). Tuttavia, questi confronti richiedono cautela, perché le stime pubblicate possono coprire tipi o categorie leggermente diversi di gas serra, attività e fonti di emissioni.

Innanzitutto, studi diversi possono riportare solo la CO₂, tutti i gas serra, oppure valori di anidride carbonica equivalente (CO₂eq), che includono gas come metano e protossido di azoto ponderati in base al loro potenziale di riscaldamento globale rispetto a quello della CO₂. Queste metriche non sono intercambiabili né direttamente confrontabili senza una standardizzazione coerente, e presentarne una anziché un’altra può spostare in modo significativo la quota apparente delle emissioni di un settore. Fonti, studi e rapporti di organizzazioni spesso non chiariscono subito quale metrica specifica (/tipo di misura delle emissioni) sia stata usata, e dichiarano regolarmente una cosa quando in realtà ne intendono un’altra (ad es. indicano ‘CO₂’ quando intendono ‘CO₂eq’).

In secondo luogo, conta la scelta del riferimento globale: alcuni confronti vengono fatti solo rispetto alla CO₂ legata all’energia, mentre altri includono tutte le fonti antropiche come uso del suolo, cambiamento di uso del suolo e silvicoltura (LULUCF), che determina il denominatore e quindi la percentuale calcolata del settore.

Le emissioni del trasporto marittimo internazionale in particolare sono difficili da tracciare perché avvengono in gran parte in acque internazionali. Storicamente, i dati arrivavano spesso dalle vendite di carburante bunker anziché dal monitoraggio diretto dell’attività delle navi, introducendo ulteriore incertezza. L’IMO ora combina metodi basati su vendite di carburante, attività delle navi (modellazione AIS) e assegnazione dei viaggi, e le stime possono variare a seconda dei metodi usati. Una storia simile si vede anche nei dati sull’aviazione. Insieme ai problemi già citati nella pubblicazione delle cifre, questo può far variare parecchio le stime globali disponibili delle emissioni, anche quando si basano sullo stesso settore/attività.

Ogni anno vengono prodotte 1,892 Gt di acciaio, di cui il 52% viene usato nell'edilizia (983,84 Mt di acciaio).

[14] indica che l'estensione urbana globale è aumentata di 9.687 km² all'anno tra il 1985 e il 2015. Questo equivale a (9687/365 =) 26,539 km² al giorno.

L'area di Manhattan è di 59,1 km^2 A.: 59,1/26,539 = 2,2 giorni

Vale però la pena notare che l'attuale tasso di crescita potrebbe essere ancora più veloce. La Banca mondiale ^B stima (ad aprile 2023) che entro il 2030 nel mondo verranno aggiunti 1,2 milioni di km² di nuove aree urbane edificate. Questo equivale a un tasso medio annuo di espansione urbana per l'intero decennio degli anni 2020 di circa 120.000 km² all'anno, 328,77 km² al giorno o 13,698 km² all'ora, l'equivalente di costruire un'area grande quanto Manhattan ogni 4 ore.

Si possono fare altri paragoni: Se ogni anno vengono usate 983,84 Mt di acciaio nell'edilizia (vedi sopra), equivalgono a 2,7 Mt al giorno. In confronto, il Golden Gate Bridge di San Francisco, USA, contiene ~75.000 tonnellate metriche di acciaio ^C, quindi con l'acciaio usato ogni giorno nell'edilizia si potrebbero costruire ~36 Golden Gate Bridge. In alternativa, l'Empire State Building contiene ~51.700 tonnellate metriche di acciaio ^D,E, quindi con l'acciaio usato ogni giorno nell'edilizia si potrebbero costruire ~52,2 Empire State Building.

^A Panoramica di New York City | NYMTC

^B Panoramica sullo sviluppo urbano | Gruppo Banca mondiale

^C Dati su progettazione e costruzione | Statistiche e dati | Golden Gate

^D Sezione metropolitana ASCE | Empire State Building

^E Empire State Building | Le torri più alte del mondo

Il 94% del minerale estratto è minerale di ferro e il 98% del minerale di ferro viene usato per l'acciaio. Quindi, il 98% del 94% equivale al 92%. Questa è una stima derivata in base alla massa, non una statistica misurata.

[39] indica una riduzione potenziale massima delle emissioni fino all'85%; tuttavia potrebbe non essere applicabile ovunque, e la fonte non definisce chiaramente un confine di sistema completo per la sua stima. In pratica, il risparmio di emissioni può dipendere molto dalla quota di rottami metallici nel forno elettrico ad arco, dal mix elettrico e dall'ampiezza dei confini del sistema più ampio presi in considerazione. Ciononostante, WorldSteel ^F riporta differenze altrettanto sostanziali tra le filiere di produzione dell'acciaio basate sul minerale e quelle sul riciclo dei rottami: una media globale di 2,34 tCO₂/t di acciaio grezzo per la filiera tradizionale altoforno-forno a ossigeno basico, e 0,69 tCO₂/t per la filiera rottami metallici-forno elettrico ad arco, equivalenti a una riduzione media di circa il 70,5%.

^F Rapporto sugli indicatori di sostenibilità 2025 | World Steel Association

Perdita indica la fuoriuscita di CO₂ dal contenimento previsto - attraverso un pozzo, una faglia, una frattura o la roccia di copertura - con il possibile raggiungimento di un'altra formazione geologica, delle falde acquifere, del fondale marino o dell'atmosfera. Fallimento dello stoccaggio può includere perdite, ma può anche indicare pressione eccessiva, migrazione imprevista o perdita di iniettività che impedisce al sito di operare come previsto senza necessariamente rilasciare CO₂ nell'atmosfera. Nessuno dei due è un esito atteso da un sito scelto e gestito correttamente. Le norme UE richiedono che i siti proposti dimostrino l'assenza di rischi significativi di perdita e mantengano piani di monitoraggio e misure correttive.

Sostituire il ‘carbone nell'altoforno’ significa sostituire la stessa fase convenzionale di riduzione in altoforno a carbone con la riduzione diretta a gas, che di solito avviene in un forno a tino/a riduzione diretta separato; non significa sostituire uno a uno il gas fossile nello stesso altoforno.

Le emissioni di altri metodi di DRI variano molto. [60] suggerisce che il DRI a carbone può ridurre le emissioni del 38% rispetto al tradizionale metodo altoforno-forno a ossigeno basico. Il gas fossile, però, con la sua solita miscela di CH₄, H₂ e CO, riduce le emissioni del 61%. Sostituire del tutto il gas fossile con H₂ può ridurre le emissioni del 97%. Tuttavia, queste non sono stime universali e il risparmio esatto di emissioni dipenderà non solo dal principale riducente usato nel processo, ma anche dal resto della configurazione DRI, dal mix energetico e dai confini del sistema. In particolare, le emissioni del metodo di produzione dell'H₂ prima del suo uso nella produzione dell'acciaio non sono state incluse nelle stime del DRI a idrogeno. L'idrogeno verde usa elettricità a basse emissioni di carbonio, ma le emissioni possono comunque essere incorporate in trasporti & infrastrutture (vedi sotto). Anche se l'uso di gas fossile nel DRI rilascia meno emissioni rispetto al carbone, sono comunque coinvolti combustibili fossili, quindi le emissioni sono inevitabili.

L'idrogeno verde si produce usando elettricità rinnovabile per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno tramite un processo chiamato elettrolisi. Così si eliminano le emissioni della produzione di idrogeno dai combustibili fossili. Quando l'idrogeno entra nel processo siderurgico nella fase di riduzione del ferro per separare il ferro dal minerale, reagisce con gli ossidi di ferro nel minerale e si combina con l'ossigeno producendo vapore acqueo invece di CO₂.

Tuttavia, il processo più ampio può comunque causare alcune emissioni. Queste emissioni indirette e collegate possono derivare dalle infrastrutture usate per produrre, trasportare e stoccare l'idrogeno verde, oppure dall'elettricità presa da una rete il cui mix energetico non è ancora del tutto privo di carbonio. In pratica, quindi, l'idrogeno definito “verde” potrebbe non essere sempre prodotto esclusivamente con elettricità rinnovabile lungo l'intero processo.

L'acciaio da idrogeno verde può quindi avvicinarsi molto alle zero emissioni, senza per forza arrivare a emissioni di carbonio assolutamente zero. In realtà, l'acciaio prodotto con idrogeno rinnovabile genera circa 0,08 kg CO₂ per kg di acciaio ^[67].

L'idrogeno blu e grigio hanno emissioni collegate più definite. L'idrogeno grigio viene in genere prodotto dal gas fossile con un processo chiamato reforming del metano a vapore (SMR), che separa l'idrogeno dal metano nella miscela di gas fossile e rilascia CO₂. Al momento, questo è il modo più comune ed economico per produrre idrogeno. L'idrogeno blu si ottiene con lo stesso processo di base, ma combinato con tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) per evitare che la maggior parte di quelle emissioni di produzione finisca nell'atmosfera. Poiché il processo di cattura tende a non prendere tutto, l'idrogeno blu produce comunque alcune emissioni nell'atmosfera.

Quando una delle due forme di idrogeno viene usata per separare il ferro dal minerale, la reazione di riduzione produce comunque solo acqua invece di CO₂. La differenza principale sta nelle emissioni a monte create prima, quando l'idrogeno viene prodotto inizialmente. Emissioni minori possono rimanere anche in altre parti del processo siderurgico, comprese quelle dell'elettricità e del carbonio usati nel forno elettrico ad arco.

Secondo [67], l'acciaio prodotto con idrogeno blu genera circa 0,22 kg CO₂ per kg di acciaio, ipotizzando che venga catturato l'85% delle emissioni della produzione di idrogeno. Questo si confronta con 1,87 kg CO₂ per l'acciaio convenzionale a carbone e 0,38 kg CO₂ per l'acciaio a carbone dotato di cattura del carbonio, per il quale si ipotizza un tasso di cattura separato dell'80% ^[67].

Oltre il 95% dell'idrogeno usato nel mondo viene prodotto con gas fossile, per lo più senza alcuna forma di cattura del carbonio. Se questo idrogeno grigio convenzionale viene usato nella produzione di acciaio DRI a base di idrogeno, [67] stima emissioni di circa 0,7 kg CO₂ per kg di acciaio ^[67]. È molto meno della produzione convenzionale di acciaio a carbone, ma decisamente più di quello prodotto con idrogeno verde.

In questi calcoli, la maggior parte delle emissioni rimanenti è quella sfuggita al CCS, perché non cattura tutta la CO₂ prodotta durante la produzione convenzionale di acciaio o di idrogeno blu.

Il potenziale risparmio di emissioni di oltre il 95% descrive quindi uno scenario migliore possibile per il percorso DRI con idrogeno verde, piuttosto che un risultato universale valido per ogni forma di acciaio a base di idrogeno ^[60,67]. [67] stima circa 0,08 kg CO₂ per kg di acciaio nel suo caso con idrogeno rinnovabile; rispetto a 1,87 kg CO₂/kg per l'acciaio convenzionale a carbone, equivale a una riduzione del 95,7% ^[67]. In definitiva, il risultato dipende dalla produzione di idrogeno, dall'intensità di carbonio dell'elettricità, dagli input di materie prime e rottami, e dai confini più ampi delle emissioni/del sistema coinvolti.

L'acciaio non è ferro puro: è una lega che di solito contiene una piccola quantità di carbonio, controllata con cura, che gli dà le proprietà necessarie. Di conseguenza, anche quando l'idrogeno sostituisce il carbonio nella prima fase di riduzione del ferro, serve comunque un po' di carbonio quando il ferro viene trasformato in acciaio.

I produttori di acciaio usano il carbonio anche per diversi compiti tecnici dentro un forno elettrico ad arco che non vengono trattati nel dettaglio nel copione. Tra questi ci sono la regolazione del contenuto finale di carbonio (compresa la carburazione), l'aiuto nella rimozione dell'ossigeno residuo (deossidazione) e la formazione delle scorie (Quando l'acciaio fonde, le impurità salgono in superficie e formano uno strato liquido di scarto chiamato scoria. Iniettare carbonio nella miscela reagisce con il minerale di ferro producendo bolle di monossido di carbonio, che fanno espandere la scoria in una schiuma. Questo strato schiumoso di scoria aiuta a proteggere il forno dal calore intenso e ne migliora le prestazioni trattenendo il calore nel metallo fuso, riducendo l'energia necessaria).

Il rottame d'acciaio serve soprattutto come fonte riciclata di ferro e acciaio già pronto (materia prima metallica), più che come sostituto del carbonio aggiunto apposta, anche se il carbonio già presente nel rottame contribuisce al bilancio finale del carbonio nel forno. La produzione di acciaio in un forno EAF può quindi richiedere comunque l'aggiunta di altro carbonio.

I residui di rifiuti biogenici possono potenzialmente fornire un'altra fonte di carbonio, ma prima devono essere trasformati in una forma adatta di biocarbonio o biochar. Anche plastiche di scarto trattate in modo adeguato e pneumatici a fine vita possono agire come agenti riducenti carboniosi o per rendere schiumose le scorie, oppure aiutare a fornire energia, sostituendo in parte il coke o il carbone convenzionali che altrimenti verrebbero usati.

Però, la maggior parte delle plastiche e gran parte del carbonio contenuto negli pneumatici provengono originariamente da combustibili fossili, quindi usarli può comunque rilasciare CO₂ fossile. Il beneficio ambientale dipende quindi dal materiale di scarto usato (composizione della materia prima), da come viene trattato (pretrattamento), da quanto carbonio fossile appena estratto (vergine) sostituisce, dalle prestazioni del forno e da quali parti del ciclo di vita vengono considerate. Usare rifiuti può ridurre la domanda di carbonio fossile convenzionale, ma non rende automaticamente il processo a zero-emissioni di carbonio.

L'acciaio prodotto con il metodo dell'idrogeno è in fase di sperimentazione in vari Paesi:

[76] Germania, [77] Austria, [78] Paesi Bassi, [79,80] Regno Unito, [81] Corea del Sud