Elettrificazione del Ferro: Il Futuro della Produzione di Acciaio Verde

L’Importanza del Ferro

Il ferro è spesso considerato un metallo noioso dagli investitori. Segue principalmente i cicli economici globali e non ha alcuna narrazione legata ad esso. Nessuno si aspetta che la domanda di ferro triplichi nel prossimo decennio a causa della domanda di batterie, della produzione di pannelli solari, di un boom aerospaziale in mezzo a una corsa allo spazio, o dei rischi crescenti di conflitto globale.

Ma questo può anche essere una qualità. Circa il 90% di tutti i metalli raffinati oggi è ferro.

Il ferro e l’acciaio (composto dal 97% di ferro) sono assolutamente onnipresenti in tutto ciò che utilizziamo quotidianamente nel mondo moderno:

• Infrastrutture: ponti, ferrovie, porti.
• Costruzione: calcestruzzo armato, travi, coperture, chiodi e viti, ecc.
• Trasporto: auto, treni, navi.
• Uso industriale: tubi e condutture, serbatoi di stoccaggio, macchinari pesanti,
• Difesa: navi da guerra, carri armati, proiettili d’artiglieria, pistole, proiettili, ecc.
• Energia: forni, turbine, pilastri di turbine eoliche, telai di pannelli solari, ecc.
• Sanità: letti, strumenti chirurgici, ecc.
• Beni di consumo: elettrodomestici da cucina, elettrodomestici, camini, ecc.

Tuttavia, la produzione di ferro è purtroppo un processo molto intensivo in termini di carbonio, principalmente basato su un tipo speciale di carbone: il carbone coke.

Sono stati fatti alcuni tentativi per sostituire il carbone coke con idrogeno verde, ma solo il minerale di ferro di alta qualità può essere utilizzato con l’idrogeno. Il minerale di ferro più economico con basso tenore di ferro sarebbe necessario per compensare i costi più elevati dell’idrogeno rispetto al carbone.

Abbiamo discusso in precedenza che la procedura tradizionale del forno a blast potrebbe essere sostituita da un nuovo processo chiamato fusionamento rapido del ferro, più simile a un’esplosione che a una lenta fusione del minerale.

I ricercatori dell’Università dell’Oregon stanno indagando su una possibilità ancora più intrigante: eliminare le alte temperature e raffinare i minerali di ferro con solo elettricità. Ciò sarebbe un enorme progresso per il mondo, poiché l’elettricità verde potrebbe essere utilizzata direttamente, senza la costosa conversione in idrogeno, e ridurrebbe globalmente le emissioni di carbonio in modo significativo.

Hanno pubblicato questa ricerca in ACS Energy Letters¹, con il titolo “Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3”.

Minerale di Ferro a Metallo di Ferro

Il ferro si trova in natura in forma ossidata, in particolare ematite (Fe2O3). Per essere utile come metallo industriale, gli atomi di ossigeno devono essere rimossi.

Normalmente, ciò avviene aggiungendo carbone, con il carbonio che si trasforma in CO2. In alternativa, il ferro verde utilizza idrogeno che si trasforma in acqua (H2O).

Un’altra opzione è fornire al minerale di ferro sufficiente energia per separare l’atomo di ossigeno e formare ossigeno gassoso (O2). Questa è l’idea dietro la produzione elettrochimica del ferro. Questa è una reazione elettrochimica che funziona meglio in condizioni alcaline (il contrario di acide).

Source: ACS Energy Letters

È importante notare che questo processo deve anche essere molto scalabile, poiché la produzione annuale globale di ferro è dell’ordine delle milioni di tonnellate all’anno.

Riduzione Elettrochimica del Ferro

Per testare come rendere questa reazione più efficiente, i ricercatori hanno progettato un sistema personalizzato che funziona un po’ come una batteria, operando a soli 82°C (180°F).

Source: ACS Energy Letters

In questo setup, le particelle di ferro sono sospese in una soluzione di idrossido di sodio (NaOH), ma è anche possibile utilizzare sale fuso (NaCl) che può produrre cloro (Cl2) come sottoprodotto.

I densi ossidi di ferro sono stati ridotti, o convertiti in ferro elementare, più selettivamente a una densità di corrente di 50 milliamperes per centimetro quadrato, simile alla rapida ricarica di batterie al litio.

Hanno scoperto che mentre il processo funzionava bene con particelle di ferro di prova quando si utilizzava minerale naturale con particelle dense e irregolarmente dimensionate e impurità, il processo non era selettivo ed efficiente enough.

Trovare le Condizioni Giuste

Un evento strano durante i test iniziali è stato che alcune particelle sarebbero state trasformate in metallo ferro meglio di altre, senza alcuna correlazione con le loro dimensioni, contrariamente alle aspettative. Quindi i ricercatori hanno iniziato a testare se la struttura nanoscopica delle particelle potrebbe essere un fattore più importante.

Particelle di ossido di ferro larghe un micrometro con impurità di carbonio e bario sono state testate e non si sono ridotte abbastanza.

In alternativa, particelle libere con maggiore porosità e quindi maggiore area superficiale hanno facilitato una produzione elettrochimica del ferro più efficiente, rispetto a quelle progettate per somigliare al minerale di ferro naturale ematite meno porosa.

Source: ACS Energy Letters

Ciò potrebbe indicare che solo una forma di ferro sarebbe adatta a questo processo.

“Identificare gli ossidi che possono essere convertiti in ferro metallico a basse temperature è un passo importante nello sviluppo di processi completamente elettrificati per la produzione di acciaio.”

Paul Kempler – Ricercatore principale allUniversità dell’Oregon

Rendere la Riduzione Elettrochimica del Ferro Competitiva

Nonostante questa limitazione, la riduzione elettrochimica del ferro potrebbe ancora funzionare da un punto di vista economico. Ciò è perché il metodo utilizza molta meno potenza e temperature più basse, riducendo il costo complessivo della produzione del ferro.

Con questo procedimento, la produzione di ferro costerebbe intorno a 600 dollari/tonnellata. Ciò è relativamente economico, ma non perfetto rispetto al costo livellato dell’acciaio prodotto nel processo forno a blast/forno ad ossigeno, recentemente stimato intorno a 400 dollari/tonnellata.

Un ulteriore passo per una maggiore redditività potrebbe essere combinare la riduzione del ferro con la produzione chimica. Le celle elettrochimiche per la produzione del ferro potrebbero essere combinate con celle per la produzione del cloro per formare un’unità di produzione cloro-ferro, che potrebbe essere installata in serie per creare un’intera fabbrica di produzione.

Source: ACS Energy Letters

Quando si tiene conto della produzione di Cl2, un chimico molto utile utilizzato in grandi quantità dall’industria chimica, l’economia dell’operazione migliora, probabilmente portandola molto più vicina ai costi del forno a blast.

Ulteriori Miglioramenti

Il problema di dipendere solo da minerale con le giuste strutture nanometriche è che potrebbe limitare gravemente la potenziale adozione di questa tecnologia, anche se l’economia è favorevole. In generale, è improbabile che ridisegnare l’intera industria del ferro, che produce molti ematiti a bassa porosità, sia realistico.

Un’alternativa potrebbe essere nuove tecniche per rendere il minerale di ferro più poroso, potenzialmente attraverso l’uso di elettricità o shock termico.

Azienda Mineraria di Ferro

Vale

Una riduzione dei costi di fusione del ferro e delle emissioni di carbonio potrebbe rendere l’acciaio un materiale ancora più popolare di quanto non lo sia già. Quando si tratta di mining, la scala e la buona geologia sono tutto, con bassi costi di produzione che consentono profitti più alti e sicurezza durante i periodi di recessione, che sono inevitabili nei mercati delle commodity.

L’azienda brasiliana Vale è il più grande produttore di ferro e nichel del mondo, con un totale di 323-330 milioni di tonnellate prodotte nel 2024.

L’azienda è anche un produttore di metalli rilevanti per la transizione energetica come il rame. Mentre questi metalli potrebbero diventare più importanti in futuro, per ora il ferro è il core dell’azienda.

L’azienda era più diversificata in passato, ma si è recentemente concentrata sul ferro, avendo ceduto 2 miliardi di dollari di varie miniere di metalli e altre commodity come l’olio di palma.

Source: Vale

Grande Base di Asset

Vale si qualifica come un’azienda di servizi pubblici di medie dimensioni, operando la propria ferrovia, treni, porti e navi per trasportare il minerale dall’estrazione alla consegna ai clienti.

L’azienda produce anche molta della propria energia, poiché opera in aree remote e non può fare affidamento sul governo brasiliano per fare il suo lavoro, specialmente considerando le sue enormi esigenze di potenza.

Ciò è stato fatto comunemente con l’energia idroelettrica, poiché l’attività di mining non è così diversa dalla costruzione di centrali idroelettriche (lavori di terra, scavi di roccia con esplosivi, grandi quantità di cemento, macchinari pesanti, progetti di costruzione su larga scala, gestione della pioggia, ecc.).

Queste infrastrutture sono complementate dal centro di ricerca e sviluppo dell’azienda, laboratori, centinaia di geologi, centri di formazione, ecc.

Superare le Passate Passività

Un grande rischio per un’azienda mineraria come Vale è un grande incidente che causi danni enormi.

Ciò è accaduto nel 2015, con un disastro enorme che si è verificato dopo che una diga costruita da Vale è crollata. E poi un incidente simile nel 2019.

L’alluvione ha causato il peggior disastro ambientale del Brasile fino ad oggi, uccidendo 19 persone e colpendo 39 comuni in due stati, seppellendoli in prodotti di rifiuto minerario.

Da allora, molte dighe simili sono state riparate e/o migliorate per evitare un’altra catastrofe durante la stagione delle piogge.

L’azienda ha anche cambiato il modo in cui opera, avendo investito 2,5 miliardi di dollari in quattro impianti di filtrazione per creare residui secchi (la roccia frantumata, la polvere e il fango) invece di residui umidi che richiedono dighe. Quindi, in futuro, l’attività di mining del ferro non creerà più il tipo di rifiuto che richiede dighe.

L’azienda sta anche attivamente riparando la sua immagine, insistendo su come la sua attività di mining abbia creato una grande riserva naturale finanziata dall’azienda, che è un grande contributore alla conservazione della foresta pluviale brasiliana, con il resto della regione trasformato in pascolo negli ultimi decenni.

Source: Vale

Nel complesso, Vale sta superando i suoi passati problemi con disastri ecologici e sta diventando una delle risorse più preziose del Brasile e un fornitore centrale di ferro per il mondo, e la Cina in particolare, un paese con cui il Brasile sta stringendo legami più profondi attraverso la rete commerciale BRICS e nel contesto di dazi e tensioni in aumento con gli Stati Uniti.

Ultimi Sviluppi su Vale

Studi di Riferimento:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}