Economia circolare delle materie prime, la strada per l’elettrificazione sostenibile

L’elettrificazione pulita è la strada maestra per raggiungere gli obiettivi climatici indicati dalle Nazioni Unite. Ma per una transizione energetica sostenibile non è sufficiente solo generare l’elettricità da fonti rinnovabili: occorre anche assicurare la resilienza e sostenibilità dell’approvvigionamento della vasta gamma di materie prime che permettono di generare quell’energia e poi distribuirla o immagazzinarla per renderla disponibile quando e dove serve. 

Questi materiali hanno caratteristiche molto diverse tra di loro ma sono accomunati da una previsione: il loro utilizzo crescerà nei prossimi decenni. Ed è per questo che dobbiamo adottare sempre più rapidamente un approccio di economia circolare lungo tutta la catena del valore per far sì che la transizione energetica sia pienamente competitiva e sostenibile.

La crescita esponenziale di fonti rinnovabili ed elettrificazione dei consumi che si attende per i prossimi decenni porta enormi vantaggi ambientali ed economici ma anche una crescita della domanda di alcuni minerali che l’International Energy Agency (IEA) stima del 400% entro il 2040. Per esempio, un impianto fotovoltaico con moduli tradizionali usa circa due tonnellate di rame per MW e quasi due di silicio, mentre un’auto elettrica contiene mediamente oltre 50 kg di rame, 40 di nickel, 60 di grafite, importanti quantità di manganese, cobalto e litio.

Nell’era della transizione energetica, questi e altri materiali sono destinati a sostituire petrolio, gas e carbone come risorse fondamentali su cui si reggerà la nostra economia. Oltre a contribuire a ridurre le emissioni, questi materiali hanno un altro vantaggio fondamentale rispetto ai combustibili fossili: non vengono bruciati e quindi possono essere utilizzati indefinitamente nel ciclo produttivo, grazie all’approccio dell’economia circolare.

I materiali critici e strategici

La lista di materiali importanti per le energie pulite è molto lunga, e comprende minerali, metalli, leghe con caratteristiche profondamente diverse. Molti di essi rientrano in una lista di materie prime considerate critiche o strategiche dall’Unione Europea, per fattori come la concentrazione geografica al di fuori dell’Unione, che in prospettiva potrebbero mettere a rischio il loro approvvigionamento, e perché cruciali per lo sviluppo economico della UE. 

Tra i più noti c’è sicuramente il litio, definito dalle Nazioni Unite “il pilastro di un’economia senza combustibili fossili”. Il suo uso principe è nelle batterie dette appunto a ioni di litio. La sua estrazione si concentra in Australia, Argentina e Cile. 

Tra i materiali più usati nel settore elettrico è presente il rame: per ogni MW di nuova potenza rinnovabile installata, ne servono circa due tonnellate, quando tutti gli altri materiali assieme assommano a circa quattro tonnellate (fonte: IEA). L’eccellente capacità di condurre calore e corrente, seconda solo a quella dell’argento, lo rende essenziale per tutti i componenti al cui interno deve scorrere elettricità. Si estrae soprattutto in Cile, Perù e Cina. La Cina, il Cile e il Giappone ospitano una quota importante della lavorazione, che nel complesso è abbastanza distribuita a livello globale. 

Il silicio, fondamentale per le celle fotovoltaiche, è estremamente abbondante sulla crosta terrestre in forma di minerali silicati come la quarzite, e non pone alcun problema di scarsità. Ma per utilizzarlo nei pannelli fotovoltaici, così come nei chip, occorre lavorarlo e trasformarlo in silicio a elevato livello di purezza e questa lavorazione è attualmente concentrata per oltre l’80% in Cina. 

Altro materiale fondamentale per il fotovoltaico è l’alluminio, usato per la parte strutturale. Ma questo metallo entra anche nelle reti elettriche, nelle batterie, e in misura minore in tutte le tecnologie rinnovabili. Secondo la Banca Mondiale, la domanda potrebbe raddoppiare entro il 2050. Ad oggi, la Cina controlla oltre il 50% della produzione mondiale. In compenso è già un buon esempio di processo di riciclo: secondo l'European Alluminium, nel settore automobilistico e dell’edilizia il tasso di riciclo è oltre il 90%, mentre in quello delle lattine per bevande è del 75%.

Anche il nickel viene usato per gli elettrodi delle batterie al litio, soprattutto per usi automobilistici, ma ha un ruolo importante anche nel settore eolico, dove viene aggiunto all’acciaio per aumentare durezza e resistenza delle leghe usate nelle turbine. L’estrazione si concentra in Indonesia, seguita da Filippine e Russia. Oltre il 30% della lavorazione avviene in Cina. Facilmente riciclabile, è oggi recuperato per circa il 60%. 

Ci sono poi le cosiddette terre rare, un insieme di 17 metalli tra cui Lantanio, Cerio, Neodimio, Scandio, usati nei motori elettrici, nelle turbine eoliche prevalentemente offshore, e in misura minore nelle celle a combustibile e in alcuni tipi di batterie (non le moderne batterie basate su ioni di litio). La produzione è altamente concentrata in Cina, e nel complesso la IEA prevede che la domanda per questi materiali salga, entro il 2040, di 7 volte rispetto ai livelli del 2020. 

Innovazione circolare

A differenza del petrolio che viene continuamente bruciato, i minerali e i metalli possono essere riutilizzati e riciclati in modo continuo con le giuste infrastrutture e tecnologie e soprattutto se asset e prodotti sono opportunamente progettati. Come nota la stessa IEA, rispetto ai combustibili fossili “disponiamo quindi di più strade per assicurare una stabile fornitura di questi materiali, semplicemente mantenendoli in circolazione più a lungo possibile”. 

Recuperare e reintrodurre i materiali nel ciclo produttivo, usarli in modo più efficiente nei prodotti, allungare il ciclo di vita di veicoli, batterie, componenti elettrici, sono tutte strade praticabili e già attivamente esplorate per ridurre la domanda primaria di minerali critici, ovvero ridurre la quantità che deve essere estratta per soddisfare il fabbisogno crescente. Anzi, lo stimolo a una maggiore efficienza nel loro uso può diventare un elemento importante nella creazione di una economia circolare e più sostenibile. McKinsey calcola, per esempio, che una politica di circolarità possa ridurre del 56% le emissioni di CO₂ attualmente legate alle catene di fornitura dei materiali.

Il rame, usato nelle reti elettriche, già oggi viene recuperato per circa il 60%, sopra la media complessiva del recupero di rame in tutte le altre applicazioni. La IEA stima però che il potenziale reale di recupero sia dell’85%, e che una volta raggiunto consentirebbe di ridurre il fabbisogno mondiale di oltre nove milioni di tonnellate all’anno. Discorso simile per l’alluminio, la cui domanda primaria, grazie al recupero, potrebbe calare di 32,5 milioni di tonnellate rispetto ai livelli attuali. Nel settore delle batterie, sempre la IEA calcola che entro il 2040 il riutilizzo e riciclo possa ridurre del 12% il fabbisogno complessivo di minerali che le compongono. 

L’Europa è già leader mondiale in fatto di circolarità dei materiali, e oltre il 50% dei metalli di base usati nella UE (categoria in cui ricadono rame e alluminio) provengono dal riciclo. Estendere questo approccio ad altri minerali critici è l’obiettivo del recente Critical Raw Materials Act, che fissa l’obiettivo di arrivare entro il 2030 a soddisfare internamente, in riferimento al fabbisogno europeo di materie prime, almeno il 15% da riciclo, almeno il 10% da estrazione (materiali come il litio sono presenti in grandi quantità anche in Europa) e internalizzare almeno il 40% della catena produttiva. 

Anche la collaborazione internazionale gioca un ruolo importante. Stati Uniti, Canada, Australia, Giappone hanno tutti varato politiche volte ad assicurarsi una fornitura stabile e sostenibile di minerali critici, che comprendono la collaborazione – tra di loro e con l’Unione Europea – per la gestione circolare dei materiali. 

La leva fondamentale per sviluppare un approccio circolare e su cui si concentrano gli sforzi di aziende e Governi è l’innovazione, che consente di ridurre l’intensità d’uso di alcuni minerali o sostituirli con altri meno critici. Nel settore dei pannelli fotovoltaici, per esempio, la riduzione dello spessore dei wafer usati per produrre le celle ha consentito dal 2008 a oggi di dimezzare l’intensità d’uso del silicio, mentre miglioramenti nei processi produttivi hanno ridotto dell’80% il fabbisogno di argento. E questo trend verso l’efficienza continua, come vedremo più sotto parlando anche della nostra esperienza. 

La ricerca lavora senza sosta anche nel settore delle batterie, per esempio per sostituire, nelle batterie per usi automobilistici, il cobalto – la cui produzione è oggi concentrata nella Repubblica Democratica del Congo – con i meno problematici nickel e manganese; o per arrivare alle batterie a stato solido che potrebbero cambiare le regole del gioco nella mobilità elettrica, immagazzinando molta più energia a parità di peso e riducendo drasticamente il fabbisogno di grafite o cobalto. Per usi stazionari, le batterie maggiormente adoperate, quelle litio-ferro-fosfato (LFP) risolvono il problema a monte, in quanto il cobalto è naturalmente assente. Un’altra opzione promettente è la sostituzione dei motori elettrici a magneti permanenti con altri, come quelli a rotore avvolto, che non richiedono terre rare ma solo rame. 

Innovazione per la Circolarità delle materie prime, la nostra strategia

Coerentemente con una strategia che ha fatto di Enel il primo operatore privato al mondo nel settore delle rinnovabili, abbiamo messo la circolarità al centro delle nostre strategie sui materiali, per rendere la catena di fornitura sempre più resiliente e sostenibile. 

Tutti i nostri processi produttivi adottano principi di circolarità come: l’uso prioritario di input rinnovabili o recuperati da cicli di vita precedenti, l’estensione della vita utile dei prodotti, la promozione di modelli di condivisione delle risorse e di product-as-a-service che riduce il numero di prodotti in circolazione a parità di servizi offerti e, di conseguenza, la richiesta di materiali. Siamo stati la prima utility ad aderire, nel 2021, alla European Raw Material Alliance, un’associazione di soggetti pubblici e privati, promossa dalla Commissione Europea, che lavora per superare le barriere all’approvvigionamento di materiali critici in Europa. 

In assoluto, le nostre attività sono poco dipendenti dai materiali critici e strategici che costituiscono una quota limitata del nostro approvvigionamento complessivo e il cui fabbisogno è quasi totalmente rappresentato da rame e silicio. Ciononostante, lavoriamo costantemente su innovazione e sperimentazione per favorire il recupero di tutti i materiali e ridurne l’intensità d’uso, a beneficio di tutto il settore energetico. 

Per quanto riguarda il polisilicio, che rappresenta la gran parte delle materie prime critiche di cui ci approvvigioniamo, il progetto della 3Sun Gigafactory di Catania, che porterà alla creazione di un centro di produzione di pannelli solari da 3 GW all’anno, va proprio nella direzione di una maggiore indipendenza per la filiera del fotovoltaico, non solo portando sul suolo europeo la produzione di celle e pannelli fotovoltaici, ma anche usando l’innovazione per ridurre l’intensità d’uso del silicio e puntando a costruire una supply chain diversificata e sostenibile. Il nuovo tipo di pannello ad alta efficienza HJT, dal 2024, utilizzerà un minor quantitativo di silicio grazie a una dimensione superficiale delle celle maggiore e con uno spessore ridotto del 20%. L’innovazione nelle griglie e contatti dei pannelli ridurrà l’uso di argento di almeno il 60%, e in futuro si arriverà ad aumentare ulteriormente del 15-20% l’efficienza rispetto all’attuale, producendo, quindi, maggiore energia a parità di quantità di materiale utilizzato nei moduli installati.

Sul litio, lavoriamo a un progetto pilota per estrarlo in abbinamento alle attività di produzione di energia elettrica geotermica, in un sito a pochi chilometri da Roma. Grazie all’uso dell’energia di origine geotermica e a un innovativo processo di separazione, questo renderebbe l’estrazione del litio anche più sostenibile dal punto di vista ambientale. Lavoriamo a soluzioni per estendere la vita utile delle batterie, compresi strumenti di intelligenza artificiale per la previsione di guasti, anomalie e per la modellizzazione della degradazione delle batterie agli ioni di litio. Inoltre abbiamo sviluppato a Melilla, Spagna, un impianto di stoccaggio dell’elettricità che riutilizza le batterie dismesse dalle vetture elettriche, e ne stiamo ultimando un altro con Aeroporti di Roma. In Spagna stiamo creando un impianto pilota per lo smantellamento delle batterie, la frantumazione e selezione dei materiali – a cominciare dal litio – e la reintroduzione nei cicli di produzione, puntando a riciclare 8.000 tonnellate di batterie all’anno. 

Quanto a metalli come acciaio, rame e alluminio, che non presentano scarsità e per cui il riciclo raggiunge già percentuali importanti, i nostri sforzi si concentrano sulla riduzione delle emissioni associate alla loro catena di fornitura, con l’obiettivo di alimentare sempre più la loro estrazione, lavorazione e trasporto con energie verdi. 

Le tre filiere dell’elettrificazione “circolare”

Se questo è il quadro generale del ruolo dei materiali nelle filiere dell’energia pulita, ogni settore tecnologico ha le sue specificità in fatto di materiali utilizzati, prospettive di sviluppo, opzioni tecniche e opzioni logistiche per assicurarne al meglio la gestione circolare. 

In una serie di approfondimenti, vedremo come innovazione e circolarità stanno rendendo più resiliente e sostenibile l’approvvigionamento di materiali in particolare per il settore eolico, solare e per i sistemi di stoccaggio dell’energia. 

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