Elementi critici in tecnologie per la produzione e l'accumulo di energia da fonti rinnovabili

To reduce the effects of climate change, which are occurring all over the world, it is necessary to act over different aspects. One of them is the reduction of greenhouse gases emissions, particularly carbon dioxide. The primary source of this gas is energy production, which has been mostly satisfied by using fossil resources like coal, oil-derived products and natural gas. Renewable resources, emerged in the energy market only in the last few decades, are the main alternative to fossil fuels. To ensure that these energy sources will become the most diffuse in the future, it is necessary to carry out the so-called energetic transition. To achieve this goal, we need to provide new technologies to exploit carbon neutral energy sources. The development of these technologies cannot happen if we do not take into account the availability of the chemical elements in the Earth crust: having an adequate quantity of raw materials at affordable production costs is compulsory in order to implement these technologies on a large scale and satisfy the global energy demand. The concept of “critical element” was born in the field of resource economy and it can be interpreted in two different ways. Broadly speaking, we define critical elements a chemical element that has a limited abundance in the Earth crust, and it may be depleted in the future. There is also a second definition of critical element, which considers not only economic and geopolitical factors implied with it, but also the element’s features, which can make it difficult to substitute with other similar, but more abundant, elements. In this work three technologies essential to reach a complete energetic transition have been analyzed: two for energy production, photovoltaic and wind technologies, and one for energy storage, lithium-ion batteries. Our goal was to identify which are the main critical elements essential for them. As far as photovoltaic technologies are concerned, they are silicon, titanium, gallium, selenium, cadmium, indium, tellurium and ruthenium. In wind technologies, instead, the principal critical elements are aluminum, iron, titanium and rare earth elements. In the case of lithium-ion batteries our attention focused on lithium, cobalt, nickel and manganese. These elements satisfy both the definitions of critical elements given above and, in some cases, they find application in more than one of the analyzed technologies. To implement these technologies and satisfy energy transition requests, it is mandatory take into account the limits imposed by the availability of the elements in the Earth crust and in particular reduce the critical elements consumption, substituting them with less critical elements having similar properties, or to develop efficient recycling methods to favor a circular economy of these elements.

Per mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici che si stanno manifestando a livello globale è necessario agire su diversi aspetti. Uno di questi è la riduzione delle emissioni in atmosfera di gas serra, in particolare anidride carbonica. Fonte principale di tale gas è la produzione di energia, che storicamente è sempre stata soddisfatta per la maggior parte utilizzando risorse di origine fossile quali carbone, derivati del petrolio e gas naturale. La principale alternativa a questo tipo di risorse è costituita dalle fonti rinnovabili, emerse nel mercato energetico solamente negli ultimi decenni. Per fare sì che la produzione di energia da tali fonti assuma importanza crescente fino a rimpiazzare la produzione da risorse fossili è necessario attuare una vera e propria transizione energetica. Per fare ciò è, però, necessario disporre di nuove tecnologie che ci permettano di sfruttare le fonti energetiche cosiddette carbon neutral. Lo sviluppo di tali tecnologie non può fare a meno di considerare i limiti imposti dalla distribuzione e disponibilità degli elementi chimici nella crosta terrestre in quanto occorre disporre di una quantità sufficiente di materie prime, possibilmente anche a costi di produzione contenuti, per la loro implementazione su larga scala, in modo da poter soddisfare il fabbisogno energetico mondiale. Per questo motivo nel campo dell’economia delle risorse è nato il concetto di “elemento critico”, il quale può assumere due significati. In senso lato, si definisce elemento critico un elemento chimico la cui abbondanza sulla crosta terrestre è relativamente limitata e che potrebbe scarseggiare in un futuro più o meno prossimo se considerevolmente sfruttato dalle attività antropiche. Si può, però, anche dare una seconda definizione di elemento critico che considera i fattori economici e geopolitici legati ad esso e le sue proprietà peculiari, le quali potrebbero rendere l’elemento in questione difficilmente sostituibile da elementi simili e più disponibili. In questo lavoro sono state analizzate tre tecnologie essenziali per la realizzazione della transizione energetica, due per la produzione (tecnologie fotovoltaiche ed eoliche) e una per l’accumulo (batterie agli ioni litio) di energia da fonti rinnovabili, al fine di determinare quali siano gli elementi più critici in esse contenuti. Per le tecnologie fotovoltaiche sono stati individuati silicio, titanio, gallio, selenio, cadmio, indio, tellurio e rutenio. Nelle tecnologie eoliche, invece, le maggiori criticità sono rappresentate da alluminio, ferro, titanio e dagli elementi appartenenti alle terre rare. Infine, nel caso degli accumulatori agli ioni litio, l’attenzione si è soffermata su litio, cobalto, nickel e manganese. Gli elementi individuati ricadono in entrambe le definizioni proposte e in alcuni casi vi sono delle sovrapposizioni tra tecnologie diverse, soprattutto per quanto riguarda gli elementi che vengono utilizzati in più applicazioni. L’obiettivo principale della ricerca in questo ambito è legato alla riduzione dell’utilizzo degli elementi critici, sostituendoli se possibile con elementi meno critici con proprietà analoghe oppure sviluppando metodi di riciclo efficienti che favoriscano un’economia circolare di tali elementi.