Carbon2Chem è un progetto di Thyssenkrupp che mira a utilizzare le emissioni della produzione di acciaio come materia prima per la sintesi di prodotti chimici. Il processo prevede l’utilizzo dell’energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili. Pertanto il progetto offre un contributo essenziale alla protezione del clima e alla transizione energetica, anche se ci vorranno circa 15 anni prima che il concetto sia applicabile su scala industriale.
Da sempre grande importanza è attribuita al recupero di materia e al riciclo nell’industria siderurgica: si pensi che il gas di altoforno è stato utilizzato per la prima volta per generare energia per l’acciaieria alla fine del 19° secolo. Ora, per la prima volta, il progetto Carbon2Chem utilizza i gas del processo di produzione dell’acciaio come materia prima per la produzione di sostanze chimiche.
L’idea alla base di Carbon2Chem non è solo utilizzare i gas delle acciaierie per generare elettricità, ma anche per produrre sostanze chimiche preziose a partire da elementi di scarto. Il vantaggio è che la quota di gas d’altoforno utilizzata per produrre sostanze chimiche non viene più bruciata, generando meno anidride carbonica. Il carbonio, compresa la CO2, viene utilizzato per la seconda volta nella produzione chimica.
Tra le altre cose, il gas dell’acciaieria contiene idrogeno e azoto. In questo mix sono incluse anche grandi quantità di carbonio sotto forma di monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2) e metano (CH4). Carbonio, idrogeno e azoto costituiscono la base per numerosi prodotti chimici. Il gas dell’acciaieria è composto dal 44% di azoto, dal 23% di monossido di carbonio, dal 21% di anidride carbonica, dal 10% di idrogeno e dal 2% di metano.
L’azoto e l’idrogeno possono essere usati per produrre ammoniaca (NH4). A sua volta, l'ammoniaca può essere utilizzata per produrre fertilizzanti minerali, il prerequisito per nutrire la maggior parte della popolazione mondiale. Il cosiddetto processo Haber-Bosch utilizzato per questo è stato sviluppato nel 1910. La reazione chimica avviene a una pressione da 200 a 300 bar e una temperatura da 350 a 450 gradi Celsius. Un catalizzatore accelera la conversione. Il carbonio è un materiale di base per la chimica. Lo stesso vale per l’anidride carbonica. Si può utilizzare una grande quantità di CO2 catturata dal ciclo di produzione dell’acciaio nella sintesi chimica, con l’obiettivo di portare a zero la bilancia di emessioni.
Uso multiplo del carbonio
Gli altiforni di ultima generazione lavorano al cosiddetto limite termodinamico, il che significa che non è possibile un’ulteriore riduzione della quantità di carbonio utilizzata nella produzione di ghisa senza cambiamenti tecnologici radicali. Ecco perché oggi si cercano soluzioni come quella ideata per il progetto Carbon2Chem per lo sviluppo di una strategia che consenta l’uso multiplo del carbonio. Dopotutto, il carbonio – e quindi anche la CO2 – non è solo l’elemento fondamentale di tutta la vita sulla terra, è anche la materia prima più importante nella chimica organica. Motivo per cui è fondamentale riciclare la CO2 nella produzione di ammoniaca e metanolo. Questo differenzia Carbon2Chem dalle pratiche di cattura in cui la CO2 viene separata e quindi immagazzinata. Il vantaggio è che non si richiedono strutture di stoccaggio per la CO2. Nei processi di sintesi sviluppati nel progetto Carbon2Chem è necessario idrogeno per i processi chimici coinvolti nella produzione di ammoniaca e metanolo. Mentre l’idrogeno già presente nei gas dell’acciaieria è sufficiente per la sintesi dell’ammoniaca, occorre produrre ulteriore idrogeno per ottenere metanolo.
Elettrolisi dell’acqua con elettricità verde
La produzione di idrogeno è un processo ad alta intensità energetica. L’idrogeno è prodotto dall’elettrolisi dell’acqua, che utilizza l’elettricità per spezzare il legame tra ossigeno e idrogeno. Il progetto della Thyssenkrupp si pone l’obiettivo di ottenere l’elettricità necessaria dai picchi delle energie rinnovabili che ogni volta si presenti un’eccedenza, favoriscono l'acquisto dell’elettricità verde a costi particolarmente bassi.
Una sfida della transizione verso le energie rinnovabili è la disponibilità fortemente fluttuante di elettricità da energia eolica e solare a fronte della necessità di un approvvigionamento energetico affidabile. Utilizzando l’elettricità in eccesso per il processo Carbon2Chem l’altro obiettivo è contribuire a mantenere in equilibrio la fornitura di elettricità.
Le eccedenze di elettricità rappresentano ancora una sfida per il nostro sistema energetico. L’elettricità in eccesso spesso deve essere deviata verso i paesi vicini a pagamento. Carbon2Chem offre l’opportunità di utilizzare impianti industriali su larga scala come acciaierie e impianti chimici come riserve energetiche. È lì che si attiva la produzione chimica quando sono disponibili grandi quantità di energia a prezzi bassi. In questa situazione i flussi di gas dell'acciaieria sono suddivisi in modo tale che una parte sia disponibile per le esigenze di produzione dell'acciaio e una parte per la produzione di prodotti chimici utilizzando fonti rinnovabili. Una buona pratica che aiuta a stabilizzare la rete elettrica e contribuisce alla transizione energetica.
Le sfide tecniche
Tuttavia questo progetto non sfugge dalle sfide tecniche e dai limiti delle attuali tecnologie. Sebbene i processi chimici per la produzione di ammoniaca e metanolo siano ben consolidati, gli impianti che utilizzano questi processi sono progettati per un funzionamento continuo 24 ore su 24, 365 giorni all’anno. Le fluttuazioni nelle operazioni e le variazioni di temperatura e pressione danneggiano i componenti principali di questi impianti. Soprattutto i catalizzatori, che sono sensibili ai cambiamenti nelle condizioni operative e nella composizione del gas. Quindi uno dei compiti di sviluppo centrali per Carbon2Chem è trovare catalizzatori in grado di far fronte alle fluttuazioni operative senza alcun impatto sulle prestazioni.
Il progetto coinvolge partner delle industrie chimiche, energetiche e siderurgiche, creando una collaborazione completamente nuova tra le principali industrie nazionali. Le industrie chimiche, siderurgiche ed elettriche impiegano più di mezzo milione di persone in Germania e generano un fatturato totale di circa 264 miliardi di euro. Il settore siderurgico è di grande importanza per le catene del valore, a confermarlo sarebbero le numerose innovazioni di questo ramo dell’industria e la sua stretta integrazione con altri settori che contribuiscono al successo ad esempio del settore automotive e meccanico.
