Forno elettrico ad arco vs altoforno: emissioni di CO2, costi e futuro della siderurgia
Definizione di forno elettrico ad arco (EAF) e altoforno (BF)
L’altoforno (BF) utilizza minerale di ferro e carbone coke per produrre ghisa fusa, che viene poi convertita in acciaio in un convertitore ad ossigeno (BOF). Il forno elettrico ad arco (EAF) utilizza archi elettrici ad alta tensione per fondere il rottame di acciaio in acciaio liquido. Il processo tramite altoforno emette circa 2,33 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio, mentre quello tramite EAF ne emette circa 0,77. La produzione siderurgica globale è suddivisa approssimativamente al 70% per il ciclo integrale BF-BOF e al 30% per il ciclo EAF, ma questo equilibrio sta cambiando con l’aumentare della pressione verso la decarbonizzazione.
Sommario
- Il ciclo dell’altoforno: dal minerale di ferro all’acciaio
- Il ciclo del forno elettrico ad arco: dal rottame all’acciaio
- Confronto delle emissioni di CO2
- Confronto dei costi: costi di capitale e operativi
- Cosa l’EAF non può produrre: limiti qualitativi dell’acciaio
- Quota globale: perché esiste la suddivisione 70/30
- DRI a idrogeno verde: la terza via
- Implicazioni per il commercio delle commodity
- Domande frequenti
- Punti chiave
Il ciclo dell’altoforno: dal minerale di ferro all’acciaio
L’altoforno è la tecnologia siderurgica dominante da oltre 150 anni. Si tratta di un enorme processo continuo, operativo 24 ore al giorno, ogni giorno, per un periodo che può arrivare a 20 anni tra una revisione importante e l’altra.
Il minerale di ferro — tipicamente in pellet o sinterizzato (un agglomerato cotto di minerale fine) con un contenuto di ferro del 62-65% Fe — viene caricato nella parte superiore dell’altoforno insieme al coke (un materiale carbonioso poroso prodotto cuocendo carbone coke in forni senza ossigeno) e al calcare (un fondente che rimuove le impurità).
L’aria calda (talvolta arricchita con ossigeno) viene soffiata dal basso attraverso ugelli chiamati tuyeres. Il coke brucia e genera temperature superiori a 1.500°C. Il monossido di carbonio derivante dalla combustione del coke riduce l’ossido di ferro presente nel minerale in ferro fuso. Il calcare reagisce con le impurità (silice, allumina) per formare la loppa — un liquido più leggero che galleggia sopra il ferro e viene spillato separatamente.
Il ferro fuso — chiamato ghisa o hot metal — viene spillato dal fondo del forno in carri siluro e trasportato al convertitore ad ossigeno (BOF). Nel BOF, l’ossigeno puro viene soffiato attraverso il metallo fuso ad alta velocità. Questo processo brucia rapidamente il carbonio in eccesso e le altre impurità (in circa 20 minuti), convertendo la ghisa in acciaio fuso.
L’acciaio viene poi colato in bramme, billette o blumi per la laminazione e la lavorazione successiva.
Un singolo grande altoforno può produrre 10.000-12.000 tonnellate di ghisa al giorno. Tra i principali complessi siderurgici integrati (altoforno + BOF) figurano gli impianti di ArcelorMittal in Belgio e Germania, lo stabilimento di Port Talbot (UK) di Tata Steel e le massicce strutture di POSCO e NSSMC in Corea del Sud e Giappone.
Il ciclo del forno elettrico ad arco: dal rottame all’acciaio
Il forno elettrico ad arco (EAF) è fondamentalmente più semplice di un altoforno. Si tratta essenzialmente di un grande recipiente rivestito di mattoni refrattari, dotato di tre grandi elettrodi di grafite. Quando l’elettricità ad alta tensione passa attraverso gli elettrodi, tra questi e la carica metallica si innescano archi elettrici che raggiungono temperature superiori a 3.500°C.
Il materiale di carica principale è il rottame di acciaio — tagliato, triturato e suddiviso per tipologia:
- Rottame pesante (HMS 1&2): grandi strutture in acciaio, attrezzature industriali demolite
- Rottame triturato: auto e grandi elettrodomestici pressati
- Rottame industriale: nuovo scarto proveniente da lavorazioni meccaniche e sfridi di costruzione
- Ferro preridotto (DRI) / ferro bricchettato a caldo (HBI): utilizzato per diluire gli elementi contaminanti (vedi sezione sui limiti sotto)
Il rottame viene caricato nel forno, gli elettrodi vengono abbassati e l’arco riscalda e fonde il materiale in 40-60 minuti. L’ossigeno viene iniettato per bruciare carbonio e impurità. Viene aggiunta calce per formare la loppa. Gli elementi di lega (manganese, silicio, cromo) vengono aggiunti per ottenere la composizione chimica target dell’acciaio.
Il risultato è acciaio liquido spillato in una siviera e ulteriormente lavorato in un forno siviera per la regolazione della temperatura e della chimica prima della colata continua.
Gli EAF sono più piccoli e flessibili degli altiforni. Un tipico EAF produce 200-400 tonnellate di acciaio per colata, con molteplici cicli al giorno. Gli impianti EAF possono essere spenti durante periodi di prezzi elevati dell’elettricità e riavviati — operazione impossibile per un altoforno a ciclo continuo.
Confronto delle emissioni di CO2
È qui che i due percorsi divergono drasticamente.
| Percorso | Intensità di CO2 | Fonti di emissione |
|---|---|---|
| BF-BOF (integrato) | ~2,33 t CO2 per t di acciaio | Combustione carbone coke, riduzione minerale, uso energia |
| EAF (basato su rottame) | ~0,77 t CO2 per t di acciaio | Generazione elettricità (rete), consumo elettrodi, fondenti |
| DRI-EAF (basato su gas) | ~1,0-1,4 t CO2 per t di acciaio | Gas naturale per riduzione DRI, elettricità |
| H2-DRI-EAF (idrogeno verde) | <0,1 t CO2 per t di acciaio | Solo elettricità rinnovabile |
Il percorso BF-BOF emette circa 2,33 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio grezzo, secondo i dati della World Steel Association. La stragrande maggioranza di queste emissioni proviene dal carbone coke — il carbonio è chimicamente necessario nel processo dell’altoforno sia come combustibile che come agente riducente. Non è possibile rimuovere il carbone da un altoforno e continuare a produrre ferro.
Il percorso EAF emette circa 0,77 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio, principalmente attraverso l’elettricità utilizzata per alimentare l’arco. Questo numero dipende in modo critico dall’intensità di carbonio della rete elettrica. Un EAF alimentato al 100% da elettricità rinnovabile emette quasi zero CO2 diretta. Un EAF alimentato da elettricità prodotta a carbone emette di più.
Nel contesto UE: la tariffazione del carbonio EU ETS (attualmente 50-70 €/tonnellata di CO2) significa che la produzione di acciaio integrata BF-BOF comporta oggi un costo del carbonio incorporato di circa 115-165 € per tonnellata di acciaio. Questo rappresenta un significativo svantaggio competitivo rispetto ai produttori EAF o alle importazioni da paesi privi di tariffazione del carbonio — motivo per cui è stato progettato l’EU CBAM (Meccanismo di adeguamento del carbonio alle frontiere).
Confronto dei costi: costi di capitale e operativi
I due percorsi hanno strutture di costo opposte.
Costi di capitale (costruzione dell’impianto):
| Percorso | Costo di capitale tipico | Note |
|---|---|---|
| BF-BOF integrato (nuovo, 3-4 Mtpa) | 2-4 miliardi di $ | Include altoforno, cokerie, BOF, laminatoi |
| Mini-mill EAF (nuovo, 1-2 Mtpa) | 300-600 milioni di $ | Molto inferiore per tonnellata di capacità |
Un altoforno richiede un complesso integrato completo: cokerie, impianti di sinterizzazione, altoforno, treni di laminazione a caldo e tutte le infrastrutture associate. Il costo di capitale per tonnellata di capacità annuale varia tra 600 e 1.000 dollari.
Un mini-mill EAF può essere costruito per 300-400 dollari per tonnellata di capacità annuale. È per questo che la tecnologia EAF ha permesso ai “mini-mill” — aziende come Nucor, Steel Dynamics e Commercial Metals negli Stati Uniti — di costruire impianti siderurgici regionali a costi molto inferiori rispetto ai complessi integrati.
Costi operativi:
Gli impianti BF-BOF hanno costi elevati per le materie prime (minerale di ferro + carbone coke) ma un’economia di scala relativamente prevedibile una volta avviato il forno. Il carbone coke rappresenta solitamente il 30-40% dei costi operativi BF-BOF. L’altoforno non può essere spento e riavviato facilmente — funziona continuamente o non funziona affatto.
Gli impianti EAF hanno costi delle materie prime più bassi (il rottame è più economico del ferro vergine per tonnellata di ferro contenuto) ma sono altamente sensibili ai prezzi dell’elettricità. L’elettricità può rappresentare il 25-35% dei costi operativi dell’EAF. Quando i prezzi dell’elettricità subiscono picchi — come in Europa nel 2022 — gli impianti EAF assorbono il costo o tagliano la produzione. Diversi produttori siderurgici europei EAF hanno ridotto l’output nel 2022 proprio perché i prezzi dell’energia rendevano la siderurgia diseconomica.
L’EAF offre anche flessibilità operativa: gli impianti possono essere messi in stand-by durante i periodi di prezzi elettrici elevati e riavviati. Si tratta di un vantaggio significativo nei mercati dell’energia con alta volatilità dei prezzi.
Cosa l’EAF non può produrre: limiti qualitativi dell’acciaio
Il percorso EAF presenta un limite metallurgico fondamentale: la contaminazione da elementi residui (tramp elements) derivanti dal rottame.
Il rottame di acciaio non è ferro puro. Contiene elementi di lega residui dalla composizione dell’acciaio originale: rame, stagno, nichel, molibdeno, cromo. Questi elementi sopravvivono al processo di fusione e non possono essere rimossi per ossidazione (a differenza del carbonio, del silicio e dello zolfo, che possono essere bruciati). Si accumulano nel fuso.
Il principale responsabile è il rame. Se il rame nell’acciaio supera determinate soglie (tipicamente 0,1-0,2%), degrada la lavorabilità a caldo — la superficie dell’acciaio si incrina durante la laminazione a caldo. Questo fenomeno è chiamato hot shortness. Per i gradi di acciaio comuni (tondini per cemento armato, profili strutturali, vergella), le tolleranze al rame sono ampie e la produzione basata su rottame EAF funziona bene. Per i prodotti piani come le lamiere per carrozzerie automobilistiche, acciai elettrici e acciai per imballaggio stagnati, il rame deve essere bassissimo — spesso inferiore allo 0,04%.
Non esiste un metodo economicamente praticabile per rimuovere il rame dall’acciaio liquido una volta nel fuso. L’unica soluzione è la diluizione — aggiungere unità di ferro vergine (ghisa, DRI o HBI) prive di rame. Gli impianti EAF che producono acciai piani di qualità (come il laminatoio di Nucor a Crawfordsville) fanno esattamente questo, mescolando ghisa acquistata o DRI con rottame.
La conseguenza pratica: i mercati dell’acciaio per l’automotive, gli acciai elettrici e gli acciai piani di alta qualità rimangono ampiamente serviti dai produttori integrati BF-BOF, poiché utilizzano minerale vergine privo di contaminazione da elementi residui. L’EAF eccelle nei prodotti lunghi (tondini, profili, vergella) e nei prodotti piani di grado inferiore.
Questo limite diventerà sempre più importante con l’aumento dei tassi di riciclo dei rottami e il progressivo degrado della loro qualità dovuto all’accumulo di elementi residui.
Quota globale: perché esiste la suddivisione 70/30
La produzione globale di acciaio grezzo è di circa 1.900 milioni di tonnellate all’anno (dati 2023). La suddivisione:
- BF-BOF: circa 70% (~1.330 milioni di tonnellate)
- EAF: circa 29% (~550 milioni di tonnellate)
- Altro (forno Martin, forni a induzione): ~1%
Il motivo del dominio BF-BOF è la Cina. La Cina produce oltre il 50% dell’acciaio mondiale — circa 1.000 milioni di tonnellate all’anno — e circa il 90% della produzione cinese utilizza il percorso BF-BOF. La Cina ha costruito un’enorme base di complessi siderurgici integrati negli ultimi 30 anni e l’offerta di rottame è stata limitata dall’età relativamente giovane dello stock industriale cinese (la maggior parte delle infrastrutture e degli edifici è stata costruita di recente e non ha ancora raggiunto la disponibilità di fine vita come rottame).
Al di fuori della Cina, la quota EAF è molto più alta:
– Stati Uniti: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics e Commercial Metals sono i principali produttori EAF.
– UE: ~40% EAF (varia a seconda del paese — l’Italia è vicina al 70% EAF; la Germania è ancora pesantemente orientata ai BF a causa della domanda automobilistica)
– Turchia: ~70% EAF (grande importatore di rottami che utilizza i flussi del Mediterraneo)
Con l’invecchiamento della base industriale cinese e la crescita della disponibilità di rottami, la quota EAF della Cina dovrebbe salire dal ~10% verso il 20-25% entro il 2035, un cambiamento significativo nelle dinamiche del mercato globale.
DRI a idrogeno verde: la terza via
Lo sviluppo più significativo nella tecnologia siderurgica per il prossimo decennio è la riduzione diretta del ferro a base di idrogeno (H2-DRI), combinata con la siderurgia EAF.
Il Ferro Preridotto (DRI) è ferro prodotto riducendo i pellet di minerale di ferro con un gas riducente (tradizionalmente gas naturale — principalmente metano) a temperature inferiori al punto di fusione (~800-1.100°C). Il minerale rimane solido ma viene chimicamente ridotto da ossido di ferro a ferro metallico. Il risultato è un materiale metallico spugnoso che può essere alimentato direttamente in un EAF come sostituto del rottame.
Il processo DRI convenzionale (usando gas naturale) produce circa 1,0-1,4 tonnellate di CO2 per tonnellata di DRI — meglio dell’altoforno ma non a zero emissioni.
La svolta consiste nel sostituire il gas naturale con l’idrogeno verde — idrogeno prodotto tramite elettrolisi dell’acqua usando elettricità rinnovabile. Quando l’idrogeno riduce il minerale di ferro, l’unico sottoprodotto è l’acqua (H₂O), non la CO2. Combinato con la siderurgia EAF alimentata da energia rinnovabile, l’intero percorso H2-DRI-EAF può produrre acciaio con meno di 0,1 tonnellate di CO2 per tonnellata — una riduzione del ~95% rispetto al BF-BOF.
Due progetti principali guidano questa tecnologia:
HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): Una joint venture tra SSAB (Svezia), LKAB (il più grande produttore di minerale di ferro in Svezia) e Vattenfall (compagnia energetica svedese). HYBRIT ha prodotto il primo acciaio al mondo ridotto con idrogeno consegnato a un cliente (Volvo AB) nel 2021. La produzione su scala commerciale è prevista presso l’impianto di Luleå di SSAB entro il 2026-2030.
H2 Green Steel (ora Stegra): Un nuovo impianto greenfield in costruzione a Boden, in Svezia. L’obiettivo è produrre 5 milioni di tonnellate all’anno di acciaio verde entro il 2030, alimentato da energia idroelettrica ed eolica svedese e utilizzando la tecnologia H2-DRI-EAF.
Altre aziende che perseguono percorsi simili includono ArcelorMittal (impianti DRI basati su MIDREX con transizione all’idrogeno), thyssenkrupp (progetto tkH2Steel a Duisburg) e Salzgitter (programma SALCOS).
La sfida commerciale: l’idrogeno verde costa attualmente 4-8 $/kg, contro un gas naturale a parità di energia di 1-2 $/kg. L’acciaio verde prodotto tramite H2-DRI comporta un premio di costo di 100-300 $/tonnellata rispetto all’acciaio BF-BOF convenzionale. Se tale premio possa essere trasferito agli acquirenti tramite “premi verdi” o assorbito tramite la tariffazione del carbonio è la questione commerciale centrale della decarbonizzazione dell’industria siderurgica.
Implicazioni per il commercio delle commodity
La suddivisione EAF/BF-BOF ha implicazioni dirette sui flussi commerciali delle commodity che supportano ciascun percorso.
Domanda BF-BOF: Minerale di ferro (spedito da Australia, Brasile) e carbone coke (spedito da Australia, USA, Canada, Russia). Si tratta di due dei commerci di rinfuse secche marittime a più alto volume al mondo. Un allontanamento dal BF-BOF riduce direttamente la domanda di carbone coke e pellet di minerale di ferro di alta qualità — un freno a lungo termine per quei mercati delle commodity.
Domanda EAF: Elettricità e rottame di acciaio. Il commercio globale di rottame è significativo — la Turchia è il maggiore importatore di rottami al mondo, con approvvigionamenti da USA, UE e UK. L’aumento della produzione EAF a livello globale significa una crescente domanda di rottame, il che spinge i prezzi del rottame verso l’alto e rende l’approvvigionamento più competitivo.
Domanda H2-DRI: Pellet di minerale di ferro di alta qualità (il DRI richiede un contenuto di ferro più elevato — 67%+ Fe — rispetto al minerale standard per altiforni BF-BOF). Questo crea un mercato premium per i pellet di alta qualità provenienti da LKAB (Svezia), CVRD/Vale (Brasile) e Bahrain Steel. La transizione H2-DRI è rialzista per il minerale di ferro di alta qualità e ribassista per il minerale di grado medio per altiforni.
Domande frequenti
Qual è più economico da gestire, un altoforno o un EAF?
Dipende dal costo delle materie prime in ogni località. Dove il rottame è economico e l’elettricità è accessibile, l’EAF è più economico da gestire. Dove il rottame è scarso e l’elettricità è costosa, il BF-BOF ha il vantaggio. I mini-mill EAF negli Stati Uniti hanno costi costantemente inferiori rispetto ai produttori integrati BF-BOF americani perché il rottame statunitense è abbondante e relativamente economico. I produttori EAF europei sono stati messi sotto pressione nel 2022 quando i prezzi dell’elettricità sono saliti a causa della crisi del gas.
Un forno elettrico ad arco può produrre acciaio per l’automotive?
Alcuni sì, con importanti avvertenze. L’acciaio piano di alta qualità per applicazioni automobilistiche richiede livelli di rame molto bassi (inferiori allo 0,04%) per evitare la rottura a caldo durante la laminazione. Gli impianti EAF che producono acciaio per auto devono diluire il rottame con unità di ferro vergine prive di rame — ghisa, DRI o HBI. I laminatoi di Nucor a Gallatin e Crawfordsville fanno esattamente questo. Tuttavia, il tetto di qualità per l’acciaio piano EAF è inferiore rispetto agli impianti integrati BF-BOF senza una significativa aggiunta di DRI.
Cos’è l’acciaio verde e quanto costa in più?
L’acciaio verde è acciaio prodotto con emissioni di CO2 significativamente inferiori rispetto alla siderurgia convenzionale — tipicamente definito come inferiore a 0,5 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio. Il percorso principale è l’H2-DRI-EAF che utilizza idrogeno verde alimentato da fonti rinnovabili. L’acciaio verde attuale comporta un premio di costo di 100-300 $/tonnellata rispetto all’acciaio convenzionale, a seconda del costo dell’idrogeno verde. Con la diminuzione dei costi dell’energia rinnovabile, si prevede che questo premio si riduca.
Perché la Cina domina il percorso BF-BOF?
La Cina ha costruito gran parte della sua capacità siderurgica negli ultimi 30 anni utilizzando la tecnologia BF-BOF perché era il modo più economico per scalare rapidamente la produzione, perché il carbone coke era disponibile e perché il rottame era scarso in un’economia in rapida industrializzazione. La Cina produce oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio all’anno, per circa il 90% tramite BF-BOF. Con l’invecchiamento della base industriale cinese e l’aumento della disponibilità di rottame, la sua quota EAF sta gradualmente aumentando dall’attuale ~10%.
Cos’è HYBRIT e perché è importante?
HYBRIT è una joint venture tra SSAB, LKAB e Vattenfall volta a produrre acciaio libero da combustibili fossili utilizzando la riduzione diretta con idrogeno. Nel 2021 ha consegnato il primo acciaio libero da fossili al mondo — prodotto senza carbone coke o gas naturale — a Volvo AB. HYBRIT è importante perché dimostra che il percorso H2-DRI-EAF può funzionare commercialmente. Se scalato, potrebbe eliminare circa 2,33 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio in tutta l’industria BF-BOF.
Punti chiave
- Il percorso altoforno-BOF (BF-BOF) utilizza minerale di ferro e carbone coke; il forno elettrico ad arco (EAF) utilizza rottame di acciaio ed elettricità. Si tratta di catene di approvvigionamento di materie prime fondamentalmente diverse.
- Il BF-BOF emette circa 2,33 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio; l’EAF ne emette circa 0,77 — una riduzione del 67%.
- L’EAF ha costi di capitale molto più bassi rispetto al BF-BOF (~300-400 $ per tonnellata di capacità contro 600-1.000 $) e una maggiore flessibilità operativa, ma è sensibile ai prezzi dell’elettricità.
- L’EAF non può produrre facilmente acciai piani di alta purezza per applicazioni automotive senza aggiungere unità di ferro vergine per diluire gli elementi contaminanti — in particolare il rame — che si accumulano dal rottame.
- La siderurgia globale è composta per circa il 70% da BF-BOF e per il 30% da EAF; la quota EAF sta aumentando con la crescita della disponibilità di rottame e l’intensificarsi della pressione verso la decarbonizzazione.
- Il prezzo del carbonio EU ETS (~50-70 €/tonnellata di CO2) aggiunge 115-165 €/tonnellata di costo del carbonio incorporato all’acciaio BF-BOF, creando una pressione competitiva che l’EAF e le importazioni senza tariffazione del carbonio non affrontano allo stesso modo.
- Il DRI a idrogeno verde (H2-DRI-EAF) è il percorso siderurgico a basse emissioni di carbonio, riducendo la CO2 fino al 95% rispetto al BF-BOF; HYBRIT e Stegra in Svezia sono i principali progetti su scala commerciale.
- Il passaggio dal BF-BOF all’EAF/DRI-EAF è ribassista a lungo termine per il carbone coke e il minerale di ferro standard, e rialzista per i pellet di minerale di ferro di alta qualità e il rottame di acciaio.
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