Industria: il futuro è elettrico, efficiente e sostenibile. Il percorso ABB “dalla A allo Zero”

In collaborazione con ABB

Uno degli aspetti più critici della transizione ecologica, lo sappiamo, è la decarbonizzazione di alcuni settori, che per caratteristiche specifiche risultano particolarmente complicati da elettrificare. L’industria pesante è probabilmente il principale, che con i suoi oltre 9 miliardi di tonnellate di CO2 prodotti ogni anno contribuisce per quasi il 30% alle emissioni globali di gas serra. Il nuovo rapporto di ABB, con il contributo della prestigiosa Fraunhofer-Gesellschaft, mostra come la decarbonizzazione, anche degli ambiti economici considerati più critici, sia non solo necessaria, ma anche possibile. Un’urgenza ambientale e di mercato, grazie a tecnologie e soluzioni già esistenti e implementabili.

Industria pesante, tutte le criticità

Facciamo un passo indietro: cosa si intende esattamente per industria pesante?

L’heavy industry è uno dei settori più importanti e longevi della nostra società e comprende una serie di attività produttive che impiegano grandi impianti e processi ad alta intensità energetica. Alcuni esempi? La metallurgia, l’industria chimica e del cemento e l’Oil&Gas. Attività di grande impatto economico e ambientale, che hanno subito almeno tre rivoluzioni tecnologiche negli anni, ma che allo stesso tempo offrono una certa riluttanza a trasformarsi davvero.

Motivo? L’inerzia fisiologica, prima di tutto, data dalla grandezza dei processi e degli impianti, e poi la dipendenza dai combustibili fossili, l’elevata intensità energetica, le emissioni di gas serra e la mancanza di infrastrutture idonee. Ma la pressione verso un’elettrificazione green sta aumentando, specie negli ultimi anni, con la decisione di 107 paesi del mondo che hanno fissato l’obiettivo di portare a zero le emissioni nette del settore entro il 2050.

Una spinta che arriva anche dagli stessi stakeholders che – mossi da mercato, azionisti e consumatori – mirano a rivedere le filiere in ottica di risparmio energetico ed economico. Ed è in questo contesto che nasce il white paper pensato da ABB Motion con Fraunhofer, per individuare criticità e possibili soluzioni. E offrire una roadmap ragionata sul futuro della decarbonizzazione industriale.

Il report ABB e Fraunhofer

L’analisi si concentra su grandi aree tematiche come la produzione di ferro e acciaio, l’estrazione di petrolio e gas, con soluzioni che trattano tecnologie come l’elettrificazione dei processi, il calore e la cattura dell’anidride carbonica e l’impiego dell’idrogeno come combustibile e vettore energetico.

“Il percorso verso le zero emissioni nette è più di un obiettivo ambientale: è un’opportunità strategica per il business. La decarbonizzazione spinge all’efficienza, riduce i costi e mantiene le aziende all’avanguardia nell’innovazione sostenibile”, ha dichiarato in occasione del lancio del report Chris Poynter, Presidente della divisione System Drives del gigante svizzero-svedese.

Metallurgia: rifoggiare l’acciaio con l’energia elettrica

Dagli edifici alle infrastrutture, dai trasporti ai principali beni di consumo: con quasi 1,9 miliardi di tonnellate prodotte a livello globale ogni anno, l’acciaio è essenziale per la sussistenza di svariati altri settori economici, anche apparentemente distanti. Il metodo tradizionale di produzione, basato su forni ad alta temperatura per la produzione di coke, la fusione del ferro e la conversione in acciaio grezzo è responsabile di oltre 1,9 tonnellate di CO₂ per tonnellata di materiale prodotto. Non solo: il processo di riduzione del minerale ferro rilascia CO2 come sottoprodotto diretto. E sono proprio gli altoforni a consumare la quota maggiore dell’energia, con il processo a ossigeno basico (BF-BOF) che rappresenta più del 72% della produzione mondiale. Il combustibile fossile è utilizzato in ogni fase.

Il report di ABB propone alternative concrete. L’impiego di forni ad arco elettrico, non più alimentati da combustibili fossili, è la principale, con la filiera che andrebbe in gran parte a rifondere rottami di acciaio, riducendo la quantità di coke da utilizzare e le conseguenti emissioni. Ma con il solo riciclo non si riuscirebbe a soddisfare l’intera domanda globale di acciaio, anche se si potrebbero ridurre di oltre il 70% le emissioni.

Alternative valide alle tecnologie attuali, secondo ABB, prevedono l’impiego di temperature inferiori per la riduzione del ferro e l’utilizzo di idrogeno come combustibile per i forni ad alto calore che ancora sarebbero necessari. E poi l’efficientamento generale dei processi utilizzando i gas di scarto (i gas di cokeria), come combustibile per le fasi successive di produzione.

Come detto, l’anidride carbonica non viene liberata solo nei processi che coinvolgono i combustibili fossili, ma anche durante le reazioni chimiche, come sottoprodotto. Il white paper di ABB individua come valida alternativa la riduzione diretta del minerale di ferro con l’idrogeno. Il taglio delle emissioni con l’impiego di idrogeno verde sarebbe superiore all’80% secondo le più recenti analisi: il sottoprodotto principale sarebbe solamente acqua. In futuro potrebbe essere possibile utilizzare il plasma di idrogeno per la riduzione diretta del ferro, ma non prima del 2040. Un’evoluzione graduale, insomma, ma già in movimento.

Oil&Gas: flaring, venting e molto altro

Altro segmento fondamentale dell’industria pesante è quello petrolifero e del gas. Una domanda in aumento del 6% ogni anno, che ha portato l’intero settore a emettere oltre 5 miliardi di tonnellate di CO2_eq nel 2022, ultimo dato disponibile di IEA. Ma anche nel caso dell’O&G, le emissioni di CO2 sono complesse da abbattere. Gran parte arriva dalla filiera upstream (quella “a monte”, che riguarda l’estrazione) ed è dovuta al flaring, ovvero alla combustione degli eccessi di produzione e al venting, lo sfiato in ambiente.

Questi due fenomeni sono responsabili del 52% delle emissioni complessive: secondo il team di ricerca di ABB, lo sforzo principale deve mirare a evitarli il più possibile. Anche l’elettrificazione è fondamentale, con la transizione verso convertitori di frequenza e motori elettrici per produrre le stesse potenze.

Gli esempi non mancano, specie nel retrofitting di impianti esistenti: un caso emblematico è quello delle sei piattaforme petrolifere nel Mare del Nord alimentate tramite il sistema “Power-from-Shore” fornito da ABB, che ha permesso di sostituire le turbine a gas con energia elettrica trasportata e proveniente da terra, una soluzione tecnicamente matura, economicamente vantaggiosa e capace di ridurre le emissioni fino al 50%.

Anche i processi “midstream” (lavorazione iniziale, conservazione, trasporto e commercializzazione), possono essere migliorati: la sostituzione di alcune turbine a gas per il trasporto con motori elettrici potrebbe contribuire significativamente in ottica green. Le soluzioni di lungo periodo riguarderanno invece il passaggio a materie prime sostenibili nel processo di raffinazione, così come l’integrazione dell’idrogeno nella filiera, sia come fonte energetica per il calore a temperature elevate, che come combustibile per i mezzi di trasporto di petrolio e gas. E poi l’implementazione delle tecnologie CCUS, ovvero di cattura, utilizzo e stoccaggio dell’anidride carbonica per gestire le emissioni di CO2 difficili da eliminare.

Idrogeno: le sfide di un “jolly” energetico

Una delle armi principali per la decarbonizzazione dei sistemi energetici potrebbe essere proprio l’idrogeno, una risorsa “jolly”, perché può essere utilizzato direttamente nei processi e allo stesso tempo convertito in derivati e impiegato come vettore energetico. L’idrogeno può essere prodotto in modi diversi, con impatti ambientali distinti:

• Idrogeno grigio: deriva da combustibili fossili (tipicamente metano) senza cattura della CO₂. È il più diffuso oggi ed emette da 10 a 16 g CO₂eq per grammo di H₂ prodotto;
• Idrogeno blu: anch’esso prodotto da fonti fossili, ma le emissioni sono parzialmente mitigate grazie a tecnologie di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (CCS).
• Idrogeno verde: è il più pulito, prodotto da elettrolisi dell’acqua alimentata da fonti rinnovabili come eolico, solare e idroelettrico.

Sia l’idrogeno blu che quello verde vengono considerati a basse emissioni di anidride carbonica, ma oggi l’H2 verde ha costi di produzione ancora elevati (4–6 $/kg), circa 2-3 volte superiori al blu. Tuttavia, secondo IRENA, la produzione su larga scala e il miglioramento tecnologico potrebbero abbattere i costi dell’idrogeno verde fino all’80%, portandoli a 1–2 $/kg.

Il white paper di ABB sottolinea che per implementare l’H2 nel sistema energetico e produttivo globale saranno necessarie infrastrutture dedicate: gasdotti, compressori, camion cisterna, navi, serbatoi e impianti di liquefazione. Il trasporto comporta consumi energetici importanti, e spesso richiede aggiornamenti delle reti di gas esistenti, con sostituzione di compressori, turbine, motori e condutture.

CCUS, una risorsa per i prossimi anni

E poi c’è la cattura dell’anidride carbonica, nota come CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage), una tecnologia oggi ancora pionieristica, che per molti esperti si rivelerà fondamentale per ridurre le emissioni di CO₂ nei prossimi anni. A testimoniarlo, un mercato in forte ascesa in tutti gli ambiti.

Ma vediamo in dettaglio di cosa si tratta. La CO₂ può essere catturata:

• Pre-combustione, tramite la gassificazione;
• Post-combustione dai gas di scarico dei processi;
• Tramite ossicombustione, bruciando combustibili in ossigeno puro, per semplificare la separazione della CO₂.

L’anidride carbonica così catturata può essere:

• riutilizzata (es. in cementifici, in stabilimenti chimici o per la produzione di combustibili sintetici);
• stoccata permanentemente in formazioni geologiche (giacimenti esauriti, acquiferi salini profondi).

Ed è proprio questa grande versatilità della tecnologia, a rendere la CCUS una soluzione così interessante per la decarbonizzazione. Non mancano esempi di successo, con il progetto Northern Lights in Norvegia , il primo hub europeo per il trasporto e lo stoccaggio aperto di CO₂, operativo dal settembre 2024. In questo contesto, ABB fornisce soluzioni chiave: sistemi elettrici, di automazione e sicurezza per l’operatività remota del terminale di Øygarden, oltre a generatori a magneti permanenti per le navi che trasportano CO₂ liquefatta, migliorando l’efficienza energetica e riducendo le emissioni. L’obiettivo dell’impianto è di stoccare fino a 5 milioni di tonnellate di CO₂ all’anno entro il 2028.

Pompe di calore per la bassa temperatura

Veniamo poi alla generazione del calore di processo a bassa temperatura. Il 35% del calore necessario all’industria, infatti, ha temperature basse, tra i 20 e i 150 °C. Secondo il report di ABB, le pompe di calore rappresentano la soluzione perfetta per l’elettrificazione di questi sistemi, grazie alla loro capacità di generare da tre a sette volte più calore rispetto all’energia elettrica consumata. Particolarmente indicate per incrementi di temperatura tra 30 e 50 °C, la loro versatilità consente impieghi che spaziano dal riscaldamento degli edifici a quello di processo, con modelli in grado di raggiungere temperature fino a 170 °C, e in alcuni casi persino 200 °C.

Un esempio? Il primo progetto su larga scala del Regno Unito, basato su pompe di calore ad ammoniaca ad alta temperatura (80 °C), con una capacità di 2,65 MW ciascuna. Queste macchine serviranno abitazioni, edifici commerciali e ospedali, con una riduzione delle emissioni di CO₂ superiore al 90% rispetto ai sistemi tradizionali a gas. In questo progetto, ABB ha fornito motori elettrici ad alta efficienza e azionamenti a velocità variabile, contribuendo in modo determinante all’aumento dell’efficienza operativa e alla sostenibilità complessiva dell’impianto.

Azionamenti per motori ad elevata efficienza

Altro miglioramento dell’efficienza globale dei processi industriali, su tutte le scale, potrebbe interessare i motori elettrici che alimentano pompe, ventilatori e compressori degli impianti: dotarli di azionamenti a velocità variabile come quelli offerti dall’ampia gamma di ABB potrebbe portare un’ottimizzazione significativa e risparmi considerevoli. “Con l’adozione dell’elettrificazione, dei motori e degli azionamenti ad alta efficienza energetica e delle tecnologie alternative, le industrie possono ridurre le emissioni rafforzando al contempo la competitività operativa”, ha aggiunto Chris Poynter.

Il messaggio della trattazione tecnico-scientifica di ABB e Fraunhofer è chiaro: la decarbonizzazione industriale non è più solo un imperativo ambientale, ma una leva per l’evoluzione tecnologica e il successo economico. “Con questo white paper, aiutiamo le industrie a correre più veloci, più snelle e più pulite”, conclude Chris Poynter.