Elettrificare il 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 difficilmente avrà una narrazione a esso associata. Nessuno prevede che la domanda di ferro triplicherà nel prossimo decennio a causa della domanda di batterie, della produzione di pannelli solari, di un boom aerospaziale nel contesto di una corsa allo spazio, o dei crescenti rischi di conflitto globale.

Ma questo può anche essere un punto di forza. Aprossimativamente il 90% di tutti i metalli raffinati al giorno d’oggi è ferro.

Il ferro e l’acciaio (composto per il 97% da 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: automobili, treni, navi.
• Usi industriali: tubi e condotte, 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, apparecchi, caminetti, ecc.

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

Sono stati fatti alcuni tentativi di sostituire il carbone di coke con idrogeno verde, ma solo minerali di ferro di altissima qualità possono essere utilizzati con l’idrogeno. Sarebbe necessario un minerale più economico con contenuto di ferro più basso per compensare i costi più elevati dell’idrogeno rispetto al carbone.

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

Ricercatori dell’Università dell’Oregon stanno indagando una possibilità ancora più intrigante: eliminare le alte temperature e raffinare i minerali di ferro usando solo elettricità. Sarebbe un enorme passo avanti per il mondo, poiché l’elettricità verde potrebbe essere utilizzata direttamente, senza la costosa conversione in idrogeno, riducendo complessivamente le emissioni di carbonio a livello globale in modo significativo.

Hanno pubblicato questa ricerca su ACS Energy Letters¹, con il titolo “Percorsi per la Produzione Elettrochimica di Ferro su Scala tramite la Riduzione Diretta di Fe2O3”.

Minerale di Ferro al Metallo di Ferro

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

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

Un’altra opzione è fornire all’ossido di ferro sufficiente energia affinché l’atomo di ossigeno si separi e formi ossigeno gassoso (O2). Questa è l’idea alla base della produzione elettrochimica di ferro. Si tratta di una reazione elettrochimica che funziona al meglio in condizioni alcaline (l’opposto dell’acido).

Fonte: ACS Energy Letters

Va notato che questo processo deve anche essere molto scalabile, poiché la produzione globale annuale di ferro è dell’ordine di milioni di tonnellate.

Elettroreduzione del Ferro

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

Fonte: ACS Energy Letters

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

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

Hanno scoperto che, sebbene il processo funzionasse bene con particelle di ferro di prova usando minerale naturale con particelle irregolari, dense e impurità, il processo non era sufficientemente selettivo ed efficiente.

Trovare le Condizioni Giuste

Un evento strano durante i test iniziali è stato che alcune particelle si trasformavano in ferro metallico meglio di altre, senza alcuna correlazione con la loro dimensione, contrariamente alle aspettative. Così i ricercatori hanno iniziato a testare se la struttura nanoscopica delle particelle potesse essere un fattore più importante.

Sono state testate particelle di ossido di ferro di dimensioni micrometriche con impurità di carbonio e bario, ma non si sono ridotte sufficientemente.

In alternativa, particelle sciolte con maggiore porosità, e quindi maggiore area superficiale, hanno facilitato una produzione elettrochimica di ferro più efficiente, rispetto a quelle che imitano l’ematite naturale meno porosa.

Fonte: ACS Energy Letters

Ciò potrebbe indicare che solo alcune forme di ferro sarebbero adatte 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 presso l’Università dell’Oregon

Rendere Competitiva l’Elettroreduzione del Ferro

Nonostante questa limitazione, l’elettroreduzione del ferro potrebbe comunque funzionare dal punto di vista economico. Questo perché il metodo utilizza molto meno energia e temperature più basse, riducendo il costo complessivo della produzione di ferro.

Con questa procedura, la produzione di ferro costerebbe circa 600 $/ton. Questo è relativamente economico, ma non perfetto rispetto al costo livellato dell’acciaio prodotto nel processo di altoforno/forno a ossigeno basico, recentemente stimato intorno a 400 $/ton.

Un ulteriore passo per aumentare la redditività potrebbe essere combinare la riduzione del ferro con la produzione chimica. Le celle elettrodi di produzione del ferro potrebbero essere combinate con celle di produzione di cloro per formare un’unità di produzione cloro-ferro, che potrebbe essere installata in serie per creare un impianto di produzione completo.

Fonte: ACS Energy Letters

Tenendo conto della produzione di Cl2, un prodotto chimico molto utile impiegato in grandi quantità dall’industria chimica, l’economia delle operazioni appare migliore, avvicinandola notevolmente ai costi dell’altoforno.

Ulteriori Miglioramenti

Il problema del dipendere solo da minerali con le strutture nanoscalari corrette è che potrebbe limitare gravemente il potenziale di adozione diffusa di questa tecnologia, anche se l’economia è favorevole. In generale, è improbabile che la riprogettazione dell’intera industria estrattiva del ferro, che produce molta ematite a bassa porosità, sia realistica.

Un’alternativa potrebbe essere l’adozione di nuove tecniche per rendere i materie prime di ossido di ferro più porose, potenzialmente tramite l’uso di elettricità o shock termico.

Compagnia Mineraria del Ferro

Una diminuzione dei costi di fusione del ferro e delle emissioni di carbonio potrebbe rendere l’acciaio un materiale ancora più popolare di quanto non sia oggi. Per quanto riguarda l’estrazione, scala e buona geologia sono tutto, con costi di produzione bassi che consentono maggiori profitti e sicurezza durante le recessioni, inevitabili nei mercati delle materie prime.

La società brasiliana Vale è il più grande produttore mondiale di ferro e nichel, con un totale di 323‑330 milioni di tonnellate prodotte nel 2024.

L’azienda è anche produttrice di metalli rilevanti per la transizione energetica, come il rame. Sebbene questi metalli possano diventare più importanti in futuro, per ora il ferro è il fulcro dell’azienda.

L’azienda era in passato più diversificata, ma negli ultimi anni si è concentrata nuovamente sul ferro, avendo disinvestito 2 miliardi di dollari in varie altre miniere di metalli e altre commodities come l’olio di palma.

Fonte: Vale

Grande Base di Attività

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

Produce anche molta energia propria, poiché opera in regioni remote e non può dipendere dal governo brasiliano per svolgere correttamente il proprio lavoro, soprattutto considerando i suoi enormi fabbisogni energetici.

Ciò avveniva comunemente con l’energia idroelettrica, poiché l’attività mineraria non è così diversa dalla costruzione di impianti idroelettrici (scavi, perforazione di roccia con esplosivi, enormi quantità di cemento, macchinari pesanti, mega progetti di costruzione, gestione delle piogge, ecc.).

Queste infrastrutture sono integrate dal centro R&D dell’azienda, laboratori, centinaia di geologi, centri di formazione, ecc.

Superare le Passate Responsabilità

Un grande rischio per una compagnia mineraria di tale dimensione come Vale è un incidente catastrofico che provoca danni ingenti.

Questo è ciò che è accaduto nel 2015, con una catastrofe enorme dopo il crollo di una diga costruita da Vale. E poi un incidente simile nel 2019.

L’alluvione ha causato la peggiore catastrofe ambientale della storia del Brasile, uccidendo 19 persone e colpendo 39 comuni in due stati, seppellendoli nei rifiuti minerari.

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 modificato il proprio operato, investendo 2,5 miliardi di dollari in quattro impianti di filtrazione per creare scorie secche (roccia frantumata, polvere e fango) invece di scorie umide che richiedono dighe. Così, in futuro, l’attività mineraria del ferro non produrrà più il tipo di rifiuti che richiedono dighe.

L’azienda sta anche lavorando attivamente per riparare la sua immagine, sottolineando come la sua attività mineraria abbia creato una grande riserva naturale finanziata dall’azienda, che è un importante contributo alla conservazione della foresta pluviale brasiliana, con il resto della regione trasformato in pascolo negli ultimi decenni.

Fonte: Vale

Nel complesso, Vale sta superando i suoi problemi passati legati a disastri ecologici e sta diventando uno dei beni più preziosi del Brasile e un fornitore centrale di ferro al mondo, in particolare alla Cina, un paese con cui il Brasile sta consolidando legami più stretti attraverso la rete commerciale dei BRICS e nel contesto di crescenti dazi e tensioni con gli USA.

Ultime Notizie su Vale

Studi Citati:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Percorsi per la Produzione Elettrochimica di Ferro su Scala tramite la Riduzione Diretta di Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}