Destinazione sostenibilità: Magazine

L'energia entra nel mondo dei materiali

Si parla molto di materiali perché uno dei grandi problemi da risolvere è quello di utilizzare meglio le risorse che abbiamo e soprattutto consumarne meno. Un problema sentito in un paese come l’Italia, privo di materie prime, che storicamente, anche per questo, lavora molto su riciclo e chimica bio. Basta pensare a Enimont e a Novamont e all’eccellenza mondiale del Mater Bi: un brevetto lungimirante e un’idea, quella della plastica bio, che ha anticipato i tempi e che oggi riscuote grande successo.

L’energia è l’altro grande asset su cui si sta lavorando, non solo per riuscire a produrla verde (decarbonizzazione è la parola d’ordine) e in grande quantità, ma anche per conservarla o risparmiarla. Su questo intervengono i nuovi materiali sempre più utili e critici e, soprattutto, sempre più richiesti, in
concorrenza con gli storici settori di difesa, automotive e ICT. Anche qui una grande esperienza nella ricerca costituisce un substrato culturale davvero importante.

Il trend macro-economico

Un esempio, apparentemente assurdo e fuori contesto, ma che evidenzia quanto si stia lavorando proprio sul confine, è Microlith: il progetto che RINA ha coordinato, su finanziamento di ESA, per studiare se sia possibile sfruttare
materiali già presenti sulla Luna (regolite) per facilitare la realizzazione di installazioni lunari per la vita umana, nonché per l’installazione di attrezzature. Si sta lavorando in infinite direzioni, questo lo dimostra anche il fatto che non mancano studi e startup (tra le tante, la bolognese Nautilus)
impegnate a capire come raggiungere satelliti ricchi di materie prime per utilizzarle direttamente nello spazio o addirittura portarle sulla Terra, e a definire rotte extra lunari per i futuri viaggi privati.

Quella verso lo spazio è una tensione naturale, ma anche uno sbocco considerato interessante per tutte quelle imprese della metalmeccanica che si stanno riconvertendo dal settore automotive. Sono abituate a lavorare con i nuovi materiali, lottano per alleggerire continuamente i mezzi mantenendo la sicurezza e sono vicine al mondo del racing. Non è un caso che le regioni più coinvolte siano quelle più legate al settore dell’automobile: Piemonte, Lombardia, Emilia-Romagna e Campania.

Materiali a cambio di fase

Tornando sulla Terra e a progetti già sul mercato, dopo anni di ricerca nel mondo accademico Michele Santovito e Noemi Muscarà hanno deciso di investire nelle loro competenze e, in particolare, sui materiali a cambio di fase. Per far questo hanno fondato, insieme a Roberto Semino, i-TES – dove TES
sta per Thermal Energy Storage.

Alcuni dei problemi legati all’energia e in particolare al calore sono riuscire a non disperderlo, cioè recuperarlo evitando gli sprechi, e ottimizzarne la produzione. i-TES coglie queste esigenze decidendo di lavorare con materiali
che, messi a contatto con una fonte di calore, fondono dallo stato solido raccogliendo un’energia potenziale che sono in grado di liberare successivamente, una volta entrati in contatto con un fluido freddo. Materiali, quelli a cambiamento di fase, che sono il cuore pulsante di quelle batterie termiche che, integrate a sistemi più convenzionali, riescono a dare una flessibilità strutturale molto importante. Infatti la capacità di produrre picchi
di energia delle batterie termiche permette di progettare le caldaie tradizionali tarandole su picchi di potenza minori con maggior efficienza,
by design.

Inoltre, se integrate con le pompe di calore, le batterie termiche riescono a riprodurre anche in ambito industriale i benefici che portano in ambito
residenziale. Convertendo il consumo di gas metano in energia elettrica, consentono a molte imprese di disinnescare il meccanismo, molto oneroso, dell’ETS (Emission Trading System) short trading, ovvero il pagamento delle quote di CO2 emesse. Come ci ha ben spiegato Michele Santovito, i materiali a cambio di fase non solo conservano l’energia (fondendosi), ma sono in grado di restituirla offrendo ottime prestazioni in termini di potenza di carica e di scarica di energia, il tutto utilizzando fonti rinnovabili. Raggiunti questi risultati il team non finisce di studiare, infatti, in virtù dell’aumento di capitale recentemente effettuato, i-TES sta lavorando a diversi upgrade connessi
all’utilizzo di materiali termochimici da cui il team si aspetta prestazioni ancora migliori.

Il settore siderurgico è responsabile del 5% del totale di emissioni di CO₂ a livello globale

Per arrivare a questo obiettivo sarà necessario un ammodernamento delle tecnologie, e in attesa di questi balzi in avanti, a cui potrà contribuire la produzione da idrogeno, una strada che è stata identificata consiste nel passaggio da una produzione da altoforno a una quota sempre maggiore di produzione a forno elettrico, che genera circa un decimo delle emissioni rispetto al primo.

Ma, ovviamente, il forno elettrico è molto più suscettibile ai costi energetici. La prospettiva quindi è che il processo sia posticipato, o che si riesca a ridurre le emissioni riducendo la produzione.

Supercap

Un altro esempio che coniuga ricerca, nuovi materiali ed energia è la start-up emiliana Novac, invitata anche a Huston, Texas, per la prima edizione di Space it Up, il programma di accelerazione creato da ICE, l’Agenzia per la promozione all’estero e l’internazionalizzazione delle imprese italiane, e da
ASI (Agenzia Spaziale Italiana) in collaborazione con la Space Foundation, una delle principali associazioni americane che riuniscono vari stakeholder del settore aerospaziale. Novac ha progettato dei supercondensatori solidi, malleabili e quindi in grado di ricoprire le parti funzionali dei veicoli elettrici integrando le batterie e garantendo boost di potenza.

I supercondensatori tipicamente danno un boost di energia o aiutano le batterie, ma occupano spazio e sono delicati perché hanno una parte liquida che li espone al rischio di sversamento, esplosione, evaporazione o congelamento. Caratteristiche che li rendono difficilmente utilizzabili, se non con molte precauzioni, su automobili, scooter, motorini, ma anche droni o
satelliti.

I supercap di Novac, invece, sono completamente solidi e possono lavorare in un ampio range di temperature. Dal punto di vista del volume sono addirittura modellabili, come già scritto, potendosi adattare alle linee dell’ospite e diventandone una parte strutturale. Tra l’altro, i materiali con cui sono progettati sono facilmente reperibili e non sono tossici, peculiarità essenziale non solamente per motivi economici, ma anche per la possibilità di inserirli in oggetti usati e maneggiati nella quotidianità (dagli scooter, ai monopattini, ai droni). Se nello spazio il supercap solido non corre il rischio di congelarsi,
nell’automotive porta vantaggi altrettanto interessanti: per esempio, rende più facile il superamento dei test di sicurezza.

Eliminando gli elettroliti liquidi, si integra nel veicolo funzionalizzando parti preesistenti (evitando di dovere inserire nuovi “congegni” o nuovo peso all’interno dell’auto) e in virtù dell’elevata densità di potenza riduce drasticamente i tempi di ricarica. Tutte caratteristiche utili anche per scooter
o monopattini elettrici dove, oltretutto, i supercap contribuiscono ad allungare la vita delle batterie. Nelle presentazioni della start-up non è stato inserito il caso magazzini, ma anche i carrelli elevatori sono dei potenziali utilizzatori con il vantaggio di poter contenere più livelli di supercap sovrapposti, visto che il peso rappresenta un elemento funzionale chiave.

Il riciclo della fibra di carbonio

Materie prime ed energia, un connubio che si presenta sotto forme sempre diverse. Abbattere l’impronta della propria produzione vuol dire anche approvvigionarsi da fornitori che possano certificare il proprio impatto ambientale, sempre tenendo conto dei costi di produzione. Lavora in questa direzione la start-up varesotta ReCarbon che si occupa di dare nuova vita agli scarti di fibre di carbonio, trasformandoli in prodotti intermedi che designer e ingegneri possono riutilizzare.

In termini di CO2 il riuso garantisce un risparmio importante dal momento che il processo di riciclo inquina 5 volte meno rispetto alla creazione di fibra di carbonio vergine, senza contare la forte riduzione dei costi a fronte di prestazioni del tutto simili. Il mercato costituisce inoltre un elemento importante perché abbassando i prezzi e mantenendo inalterate le prestazioni, la fibra di carbonio diventa appetibile anche per componenti attualmente realizzate con altri materiali. Fibra di vetro, legno o sandwich possono infatti essere sostituiti con un materiale più performante (soprattutto nel rapporto resistenza/peso) e meno impattante. Dal punto di vista del reperimento della materia prima basta pensare che il 30% della fibra prodotta
diventa scarto e che ad oggi se ne recupera solo il 10%. ReCarbon, inoltre, punta anche sulla produzione di pannelli e sandwich con l’inserimento di altre basi riciclate o di resine bio, diventando così fornitore diretto e accorciando la filiera. Nel complesso rappresenta la dimostrazione che se la cultura di un’economia circolare si accompagna all’uso di materiali più economici e performanti la transizione ecologica non può che essere più facile e vicina.

Le decisioni politiche potrebbero intervenire sui trend, a tutela della manifattura europea e italiana

Discariche: miniere del futuro?

L’impressione è che rifiuti e scarti, quando e se ben gestiti, diventeranno ben presto delle importanti miniere. Oggi siamo ancora al punto di valorizzare solo quelli più nobili, ma ben presto, con l’evoluzione di competenze e tecnologie, arriveremo ad apprezzare anche gli scarti meno pregiati. Molte startup e centri di ricerca stanno lavorando in questa direzione, per ora ci sono solo tante idee, ma l’impressione è che presto avremo nuove soluzioni intelligenti. Nel frattempo, se è inutile soffermarsi ancora sul caso di Orange Fiber (tessuti dagli scarti degli agrumi) o delle varie declinazioni legate all’uso di scarti alimentari (come pellemela), può essere interessante descrivere il caso di Bi-Rex, una nuova realtà nata da due ricercatrici (Monica Ferro e Greta Colombo Dugoni) del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio
Natta” del Politecnico di Milano.

Il progetto, che è già stato messo a terra e prevede una prossima importante validazione in una cartiera, punta a estrarre cellulosa dagli scarti della filiera agroalimentare (come quelli della catena di caffè o birra). Allo stato dell’arte la cellulosa in Italia come materia prima praticamente non esiste quindi o si ricicla o viene importata con costi ambientali ed economici importanti. Il progetto, che è già stato messo a terra e prevede una prossima importante validazione in una cartiera, punta a estrarre cellulosa dagli scarti della filiera agroalimentare (come quelli della catena di caffè o birra). Allo stato dell’arte la cellulosa in Italia come materia prima praticamente non esiste quindi o si ricicla o viene importata con costi ambientali ed economici importanti. Le ricercatrici di Bi-Rex grazie alle loro competenze su solventi e cellulosa sono riuscite a inventare un processo (che è stato brevettato) che impiega come
solventi acqua, etanolo e solventi eutettici (DES, solventi eco-friendly), raggiunge massimo gli 80° e necessita dalle 2 alle 15 ore di lavoro. Il risultato è evidente: non solo si utilizzano come materie prime degli scarti, ma confrontando il consumo di acqua per kg di cellulosa prodotta, se il processo standard ne utilizza 23 litri a Bi-Rex ne bastano 1,3. Dal punto di vista del mercato non si vedono problemi, sta crescendo il riciclo della carta, ma al contempo anche la domanda che non si limiterà alla produzione della stessa, dal momento che in Bi-Rex si sta ragionando sulla valorizzazione della cellulosa anche nel mondo del design e dell’arredamento.

Il retrofitting

L’attuale transizione ecologica può essere interpretata in molti modi e può rappresentare un’importante opportunità. Alcuni limiti stringenti mettono fuori gioco alcune tecnologie, come i motori diesel, che però al momento non
hanno dei veri e propri sostituti in alcune loro funzioni (basta pensare ai truck, alle macchine per il movimento terra, ad alcuni generatori). Partendo da questo presupposto, alcuni ingegneri che studiano e lavorano nella Motor Valley hanno brevettato un kit che può essere installato su qualsiasi veicolo diesel (anche sui generatori) per trasformarlo in un veicolo che vada subito al 100% a biodiesel. Un’operazione che dura un solo giorno e che se oggi agisce sui truck, tra poco funzionerà anche su trattori, treni e barche. Una soluzione che a livello mondiale ha un mercato infinito, ma che forse è destinata ancora a soffrire per la scarsa diffusione dei biofuel.

Le regole imposte dall’Europa rendono ReFuel, questo il nome della start-up, molto ambita dagli investitori. «La nostra tecnologia» ci ha spiegato Federico De Pietri, cofondatore e direttore tecnico di reFuel «ha una base che possiamo
definire “universale” poiché, non lavorando direttamente sul motore, è adattabile a qualsiasi sistema diesel. BiodieselKit è un vero e proprio kit di conversione, come quelli che siamo abituati a vedere sulle auto a GPL. Il meccanismo consiste nell’aggiungere un secondo serbatoio ausiliario di
piccole dimensioni, contenente diesel, che servirà per l’accensione, mentre in quello principale del mezzo si farà rifornimento con biodiesel. Si installano, poi, tutte le componenti idrauliche per la gestione dei due carburanti e la centralina che comanda ogni processo. In particolare grazie all’uso di biodiesel e specifici accorgimenti sulle mappe motore, saremmo in grado di abbattere tutte le emissioni, sia di particolato sia di ossidi di azoto, rendendo di fatto inutile il catalizzatore SCR».