Siderurgia, tecnologie emergenti per decarbonizzazione ed efficienza energetica

L'industria siderurgica è uno dei pilastri della società moderna, ma attualmente è responsabile di circa il 7% delle emissioni di CO2 a livello mondiale e del 5% di quelle dell'Ue.  Pur dovendo affrontare la concorrenza globale e un ambiente commerciale difficile, il settore siderurgico dell'UE è chiamata ad ottimizzare i propri processi produttivi per contribuire in modo attivo e concreto al raggiungimento degli ambiziosi obiettivi climatici dell'UE per il 2030 e il 2050.

Per farlo, il settore può - e deve - sfruttare al massimo le tecnologie emergenti per la decarbonizzazione e l'efficienza energetica.

Il contesto politico e di mercato

L'industria siderurgica è un settore strategico dell'economia dell'UE, in quanto produce un materiale fondamentale per la maggior parte degli ecosistemi industriali. Secondo i dati Eurostat, nel 2018 il settore ha impiegato direttamente circa 330.000 persone e ha creato circa 29 miliardi di euro di valore aggiunto diretto (Eurostat, 2021). Tenendo conto dell'impatto indiretto dell'industria attraverso le attività sostenute dalle catene di approvvigionamento dell'UE, il settore siderurgico può essere collegato ad altri 1,6 milioni di posti di lavoro e 82 miliardi di euro di valore aggiunto (secondo i dati di Eurofer, 2019-2020).

L'acciaio è un materiale particolarmente importante in quanto è un elemento costitutivo di molti settori strategici dell'economia dell'UE, che si tratti di edilizia, trasporti, energia o industria manifatturiera e di altro tipo. Tant'è vero che l'UE rappresenta, come «blocco geografico», il secondo produttore di acciaio al mondo.

Entro i confini europei, la produzione di acciaio è dominata da una manciata di Paesi: Germania (che ha prodotto il 26% di tutto l'acciaio dell'UE nel 2020), seguita da Italia (15%), Francia (8%) e Spagna (8%). Nel settore dell'acciaio, in Italia, la provincia di Brescia detiene il primato per produzione, fatturato ed esportazione. È chiaro, dunque, che le aziende della provincia siano chiamate a «fare la loro parte» di fronte alle nuove sfide di sostenibilità richieste dall'Ue.

L'urgenza climatica ed ambientale

Come accennato, l'industria siderurgica è responsabile di una percentuale significativa di emissioni nocive che impattano negativamente sul clima e l'ambiente. L'UE ha fissato obiettivi chiari e ambiziosi per la decarbonizzazione, primi fra tutti ridurre le emissioni del 55% entro il 2030 e diventare il primo continente neutrale dal punto di vista climatico entro il 2050.

Obiettivi per nulla facili da raggiungere, considerando che l'industria siderurgica dipende attualmente da grandi quantità di carbone per produrre nuovo acciaio e opera all'interno di catene del valore complesse e globalizzate.

In passato, le politiche dell'UE e le condizioni quadro del settore non sono state sufficienti a incentivare una profonda decarbonizzazione dell'industria. Tuttavia, il recente impulso politico nell'UE ha puntato i riflettori sul settore siderurgico per stimolare gli operatori dell'industria ad adottare tecnologie innovative a bassa emissione di CO2. Nell'UE-27, il 5% delle emissioni totali, circa 190 Mt di CO2, proviene dalla sola produzione di acciaio. Tra tutte le industrie ad alta intensità energetica, il settore siderurgico è quello con le più alte emissioni totali di CO2. Queste emissioni dipendono per lo più dal modo in cui l'acciaio viene prodotto, a causa prevalentemente dell'uso di coke e carbone negli altiforni (il processo della loro trasformazione in acciaio è responsabile del rilascio di CO2).

La ricerca di ottimizzazioni ed efficienze in questi processi produttivi, anche in ottica di efficienza energetica, è già stata compiuta e, ad oggi, quasi tutte le aziende del settore vantano processi ottimizzati ed efficienti. È chiaro, dunque, che la transizione energetica in ottica di sostenibilità ambientale debba guardare verso altre direzioni con nuovi investimenti in tecnologie emergenti.

Tecnologie emergenti per la decarbonizzazione, un quadro complesso 

Il nuovo rapporto «Technologies to decarbonise the EU steel industry» pubblicato dal JRC, il Joint Research Centre (JRC) della Commissione europea, dimostra che «L'industria siderurgica dell'UE si sta concentrando principalmente sulla produzione di acciaio a base di idrogeno come strategia di decarbonizzazione».

Il piano è sostituire completamente i processi esistenti con tecnologie innovative che si basano sull'idrogeno o sull'elettricità per ridurre il minerale di ferro, consentendo la produzione di acciaio con poche o nessuna emissione di CO2. Un obiettivo tanto facile da scrivere e dire quanto complesso da realizzare. L'impiego di queste tecnologie richiede la completa sostituzione dei processi siderurgici esistenti con ingenti investimenti economici.

La produzione di acciaio attraverso l'elettrolisi del minerale di ferro, utilizzando solo l'elettricità, potrebbe rappresentare un potenziale cambiamento della situazione, ma la tecnologia è ancora in una fase iniziale di sviluppo ed è improbabile che sia pronta per il mercato prima del 2040-2050. Non solo, nel breve periodo la produzione di acciaio a bassa emissione di CO2 sarà probabilmente più costosa dell'attuale produzione di acciaio, ed i costi futuri sono altamente incerti.

Tecniche di intelligenza artificiale per l'aumento dell'efficienza energetica

In uno scenario di cambiamento così complesso, le azioni nel breve periodo mirano ancora all'efficienza energetica, puntando su altre tecnologie emergenti, come quelle basate su tecniche di intelligenza artificiale e i cosiddetti digital twins (i gemelli digitali).

Un esempio «nostrano» per capire di che tecnologie stiamo parlando. Nello stabilimento di Lonato del gruppo Feralpi è attivo un modello avanzato di controllo dell'intero ciclo produttivo che consente di controllare (ma anche stimare in modo preventivo) posizione e temperature delle siviere nonché fare previsioni su fenomeni finora poco misurabili, come la composizione dell'acciaio che arriva al colaggio.

Il tutto attraverso i digital twins, gemelli digitali per la simulazione di fenomeni fisici e sistemi di Machine Learning (ossia apprendimento automatico, una delle più avanzate tecniche di intelligenza artificiale). Il sistema implementato in Feralpi, infatti, apprende della produzione passata ed aggiorna i dati delle analisi tenendo sempre conto delle variazioni delle condizioni, come per esempio il cambio della stima di variazioni nei rottami e nella perdita di energia dell'acciaio.

Dal punto di vista dell'efficienza energetica e della sostenibilità ambientale, la possibilità di fare analisi predittive sulle temperature lungo tutte le fasi del processo produttivo e l'autoapprendimento sulle variazioni delle condizioni consentono di correggere i trattamenti in corso nel ciclo produttivo, con la possibilità di raggiungere minori consumi energetici (nell'ordine del 5%), nonché ottenere una riduzione delle emissioni di CO2 (nell'ordine del 10%) e un miglioramento della resa metallica.

In attesa che le tecnologie per la decarbonizzazione maturino e diventino più sostenibili dal punto di vista degli investimenti per le aziende, è evidente che per raggiungere gli obiettivi climatici dell'UE per il 2030 e il 2050 qualcosa si possa già fare, sfruttando soluzioni basate su intelligenza artificiale per ridurre i consumi energetici e le emissioni di CO2.