In Copertina: immagine di Giovanni Brussato

Oggi vengono inventati molti più modi per consumare energia che per produrla: è prioritario, per alimentare il motore economico globale, accendere nuovi desideri futuri, si pensi all’intelligenza artificiale, alla blockchain, al cloud solo per riferirci all’ecosistema informatico. Desideri che comportano nuove esigenze energetiche ma anche, e soprattutto, di materie prime, a cui si aggiungono quelle di miliardi di persone che cercano una crescita economica per uscire dalla povertà e arrivare a godere dei benefici di desideri obsoleti, per noi scontati, come l’aria condizionata o le automobili. In tal senso si consideri che 20% della popolazione mondiale dispone di uno stock di metalli pro capite che rappresenta i due terzi del totale globale.

Fig. 1.Distribuzione degli stock di metallo pro-capite nel 2010^[1].

L’indicatore che descrive questa tendenza è la “material footprint” che quantifica l’uso delle risorse minerarie ed energetiche: risorse non rinnovabili, in via di rarefazione, che hanno un costo estrattivo sempre maggiore o una resa energetica sempre minore.

Efficienza energetica e degradazione della materia.

L’efficienza energetica di un processo viene genericamente definita come il rapporto tra l’effetto utile ottenuto e l’energia utilizzata. Nello specifico caso della produzione di energia l'energia netta, non quella prodotta, è vincolata all’efficienza della tecnologia con cui viene generata. Numericamente l’energia netta viene definita dal rapporto tra l'energia fornita e quella necessaria per ottenerla: EROEI (Energy Return on Energy Invested).

L'evoluzione futura dei sistemi energetici viene prevista ad alta intensità di materiali, per la dipendenza di tecnologie come eolico, fotovoltaico e delle relative strutture di trasporto e conservazione dell’energia, da materie prime definite critiche per la complessità del loro approvvigionamento. Conseguentemente il tasso di approvvigionamento di minerali critici, necessario all'espansione della nuova capacità installata, viene visto in crescita esponenziale.

Esiste uno stretto legame tra l'energia necessaria per estrarre, elaborare e raffinare queste materie prime e l’energia effettivamente prodotta. La quantità di energia consumata dipende da vari fattori, tra cui i minerali estratti, i processi produttivi e le tecnologie di estrazione utilizzate.

Fig. 2 Consumo di energia per settore estrattivo[1].

L'energia, E_t, per la produzione primaria di metalli può essere stimata come la somma di tre contributi: E_t = E_f +E_s +E_m.

E_f, l'energia di estrazione e frantumazione.

E_s, l'energia di separazione per estrarre i minerali del minerale dalla roccia disaggregata.

E_m,l'energia dei processi metallurgici (fusione e raffinazione) per produrre il metallo dai concentrati.

Il miglioramento dell'efficienza energetica durante il XX secolo è stato mediamente dell'1-2% all'anno ed i guadagni energetici della produzione di tutti i metalli hanno più che compensato la diminuzione del tenore del minerale. Tuttavia, questa tendenza non è sostenibile a lungo termine poiché esiste un limite termodinamico che non può essere superato, qualunque sia il miglioramento tecnologico. Questo perché, nell’energia complessiva del processo, l'energia di frantumazione (E_f) è proporzionale all'inverso del tenore e pertanto quando scende al di sotto dell’1% il suo aumento diventa esponenziale.

Inoltre, il limite termodinamico E_tl di fatto non è raggiungibile perché i processi produttivi non possono essere efficienti al 100%. È necessario introdurre pertanto il rendimento di questi processi che porta a definire più realisticamente l’energia minima pratica E_mp che mediamente assume il valore di 1,5 volte il limite termodinamico.

Fig. 3 L'energia a tenore costante con tecnologia in evoluzione (linee tratteggiate) evidenzia il miglioramento dell’efficienza. In giallo l'energia minima pratica e in rosso il limite termodinamico: nel caso del rame pari a circa 30 GJ/t.

Considerando che il tenore medio dei depositi di rame dall’inizio del XX secolo è diminuito dell'1,5% all'anno, il miglioramento delle attuali tecnologie meccaniche di frantumazione e macinazione non compenserà, in futuro, l'energia aggiuntiva necessaria per passare a un minerale di tenore inferiore come è avvenuto nel corso del XX secolo. Anche in considerazione del fatto che il costo per risparmiare qualche megajoule (MJ), quando ci si avvicina al valore dell’energia minima pratica, diventa proibitivo. In definitiva anche se la tecnologia migliora, il carattere esponenziale della seconda legge della termodinamica comporta che quando il tenore del minerale tende al valore crostale[3], l'energia necessaria divenga esponenzialmente più alta.

Considerazioni che trovano conferma nell’andamento della domanda di energia del settore del rame cileno, il primo produttore globale. Evidente l’aumento della domanda di energia (Fig.4) a fronte di un limitato aumento della produzione: tra le cause l’energia utilizzata per la movimentazione dei materiali (circa il 17% del totale), dovuta all’approfondimento delle miniere ed alla maggior quantità di materiale da trattare a causa della diminuzione del tenore.

Fig. 4 Domanda di energia nel settore cileno del rame. Fonte Cochilco.

Analogamente la domanda di elettricità (Fig.5) evidenzia una crescita costante dovuta ai processi di frantumazione e macinazione sempre più energivori a causa al progressivo peggioramento della qualità della risorsa. Attualmente si ritiene che il settore consumi fino al 3% di tutta l'elettricità generata a livello globale, a cui progressivamente si aggiungerà una nuova componente destinata a divenire entro la fine del decennio, dopo E_f il secondo valore come spesa energetica: la desalinizzazione.

Fig. 5 Domanda di elettricità nel settore cileno del rame. Fonte Cochilco.

Energia, acqua e tenore.

A titolo di esempio si consideri il caso di Escondida ed il progetto Escondida Water Supply (EWS) per purificare 3.800 litrial secondo di acqua di mare e salmastra. Stimando un consumo circa 3,2 kilowattora per metro cubo (kWh/m³) [4] si evince un consumo annuo di circa 380 GWh, oltre all’energia di pompaggio per portarla a3.000 metri sul livello del mare. La conferma di questa tendenza si ritrova nelle previsioni di Cochilco (Fig.6) dove la percentuale di energia destinata alla desalinizzazione passa dal 6% al 13% del totale nei prossimi 10 anni.

Fig. 6 Proiezione del consumo energetico per processo 2021-2032. Fonte Cochilco.

Anche il costo energetico per l’acqua necessaria al processo di frantumazione ha una relazione con il tenore del minerale di tipo esponenziale inverso, a conferma di come l’efficienza energetica futura delle operazioni minerarie nel settore dei metalli dovrà sempre più confrontarsi con il costo energetico della scarsità. Oggi sempre più il minerale di bassa qualità è disseminato in grani molto fini, di conseguenza, per recuperare il metallo, è necessaria una macinazione molto fine. La macinazione è un processo a umido e normalmente parte di quell'acqua viene riciclata, ma quando il minerale viene macinato finemente (fino a 5 micrometri) è molto più difficile riciclarla poiché le particelle di liquame impiegano molto tempo a depositarsi in un serbatoio di addensante. Questo effetto si traduce in un maggior consumo d’acqua per unità di metallo prodotto aumentandone l’energia incorporata, “embodied energy”.

Fig. 7 La relazione di tipo esponenziale inverso tra tenore e consumo d’acqua nel caso di alcuni metalli.

L’efficienza energetica funzione della qualità della risorsa.

Definito quindi il legame energetico con la qualità delle riserve prima ancora che con la loro quantità risulta più evidente come l’aumento della domanda di metalli legato alla transizione energetica provocherà un aumento del costo energetico associato all'estrazione dei metalli ed una conseguente crescita della domanda di energia.

La maggior energia richiesta nella produzione di uno specifico metallo comporta una perdita di efficienza anche nelle tecnologie che maggiormente lo utilizzano. È possibile con una semplice simulazione, trarre indicazioni sulla sensibilità dell’EROEI delle singole tecnologie in funzione del tenore di uno specifico metallo così come, sotto opportune ipotesi, si possono trarre indicazioni dell'impatto dell’esaurimento qualitativo di tutti i metalli geochimicamente rari incorporati in una determinata tecnologia.

Fig. 8 Sensibilità dell’EROEI in base al tenore di rame normalizzato per 1MW di potenza di una turbina eolica [5].

L'incertezza delle soglie critiche di resilienza. 

Poiché la terra è un sistema chiuso, non è escluso che in avvenire alcuni materiali possano diventare un fattore più critico dell'energia. Per quanto oggi in tema di energia molti sostengano che "l'idea di un possibile esaurirsi della materia è ridicola. L'intero pianeta è composto di minerali". questa affermazione ignora che il pianeta non è completamente composto di materiali normalmente utilizzabili, secondo la fisica dell’energia, dall’uomo. Per quanto sia grande lo stock terrestre di un metallo, lo stock di metallo utilizzabile ne costituisce una frazione.

Considerazioni da estendere ai combustibili fossili: quando è iniziata l'estrazione del petrolio e vennero osservati i "pozzi zampillanti di petrolio", l'EROEI per il petrolio era uno straordinario 500:1. Nei primi trent’anni del XX secolo era ancora 100:1 ma nel 1970 era già sceso a circa 30:1. Significa, come visto per i metalli, che il declino dell'EROEI nel contesto di una risorsa petrolifera è un declino della qualità: il deposito è più difficile da raggiungere (maggiore profondità di perforazione) o sotto il fondo dell'oceano (più costoso in termini di CAPEX e OPEX), una volta estratto, la sua qualità è peggiore e richiede più passaggi di raffinazione.

In conclusione, alla luce dell’impronta mineraria della produzione di energia ogni gigawattora (GWh) di elettricità prodotto da una centrale nucleare ci ricorda che non esistono nel pianeta forme di energia, come quella basata sulla fisica dell’atomo, in grado di fornirci 40 GWh di elettricità con una tonnellata di combustibile.

Senza dubbio la situazione può cambiare drasticamente, ma poiché nessuno dispone della certezza della venuta di un nuovo Prometeo né della funzionalità del suo dono, come un'innovazione che riduca le perdite di minerale nell'estrazione o nella fusione, nell’attesa la sola strategia che si impone, senza appello, è quella di garantire nel lungo periodo l'equità intergenerazionale nell'accesso alle risorse non rinnovabili.

(*) titolo liberamente ispirato a “Bioeconomia e degradazione della materia. Il destino prometeico della tecnologia umana” di Nicholas Georgescu-Roegen.

NOTE

[1] Watari T., Yokoi R.,2021, International inequality in in-use metal stocks: What it portends for the future, Resources Policy, Volume 70.

[2] Soofastaei A and Fouladgar M (2023) Energy Efficiency Improvement in Surface Mining. Latest Research on Energy Recovery. IntechOpen.

[3] L'abbondanza di un elemento nella crosta terrestre generalmente indicata in mg/kg, o parti per milione (ppm) ad esempio il rame ha un valore crostale di 63 ppm, lo zinco 94 ppm, il piombo 12 ppm e lo stagno 2 ppm. I giacimenti minerari sono pertanto un’anomalia dovute a particolari condizioni geologiche che ne hanno consentito la formazione.

[4] Fonte Energy-Water Desalination Hub U.S. Department of Energy (DOE)

[5] Si veda “Il costo energetico della scarsità” su https://www.amicidellaterra.it/images/quindicesimaefficienza/Rapporto_Brussato_XV_Conf_Eff.pdf