Si pensi all’azienda svedese Boliden, che recupera rame da apparecchiature elettriche ed elettroniche grazie al processo pirometallurgico: questo prevede il riscaldamento del materiale a temperature elevate senza l’aggiunta di sostanze chimiche. Durante la fusione, i metalli si separano dalla ganga, formando una fase liquida chiamata “mattone”. Questa fase viene estratta e successivamente raffinata per ottenere metalli purificati. Il gigante americano dell’automotive Ford sta invece sviluppando nuovi materiali compositi per sostituire l’alluminio e l’acciaio; mentre la canadese Barrick Gold sta lavorando alla realizzazione di nuove tecnologie per ridurre il consumo di acqua nelle sue operazioni minerarie.
Il tema è quello dell’economia circolare, applicato alle materie prime fondamentali per la transizione green.
Ma perché l’industria dovrebbe intraprendere questa strada? Perché nella crescente transizione verso un’economia verde, l’attenzione si sta concentrando sempre di più sull’importanza delle materie prime fondamentali come rame, nichel e cobalto – essenziali per la produzione di tecnologie chiave per l’energia pulita. Solo che, mentre la domanda di questi materiali è destinata a crescere in modo significativo, si stanno sollevando dubbi sulla capacità delle società minerarie di soddisfare tale aumento. Gli enormi investimenti previsti nel settore potrebbero non essere sufficienti. Inoltre il settore minerario inquina, ed è responsabile di una quota considerevole delle emissioni di CO2.
Di sostenibilità industriale, e quindi di economia circolare, si occupa la Roadmap del Cluster Fabbrica Intelligente (Cfi) in una delle sette linee di intervento, la linea 2.
In particolare, nella linea 2 è indicata una priorità di ricerca e innovazione, quella di sviluppare nuovi modelli di filiera nell’ambito dell’economia circolare. Come fare? Ad esempio con la promozione delle pratiche di de-e-remanufacturing, per recuperare la funzionalità e il valore dei materiali da prodotti dismessi. Si indicano alcune azioni specifiche, come ad esempio disassemblaggio e ri-assemblaggio automatici, con tecnologie che consentano anche l’ispezione e il testing. O come l’ottimizzazione dei processi di trattamento e gestione dei materiali metallici lungo tutta la filiera. Quelli attualmente praticati non sono ottimali, per caratterizzazione, sorting e separazione dei materiali. Per avverare questo miglioramento, occorre integrare tecnologie importanti, come i sistemi multi-sensore ottici, la robotica e altro.
Cfi è l’associazione che, attualmente presieduta dal fondatore di Cosberg Gianluigi Viscardi, riunisce dal 2012 tutti i portatori di interesse del manifatturiero avanzato in Italia: aziende, Regioni, associazioni, università ed enti di ricerca. La Roadmap è un documento strategico di Cfi che viene proposto alle Istituzioni per indirizzare le attività di R&I delle aziende manifatturiere, individuando le loro principali necessità in termini di avanzamento tecnologico. L’attuale edizione, la seconda, è stata pubblicata mesi fa; quella precedente aveva concluso circa due anni e mezzo fa il suo percorso quinquennale di validità operativa.
Il Comitato Tecnico Scientifico (Cts) del Cluster è presieduto dal prof. Tullio Tolio, docente di manufacturing systems engineering al Politecnico di Milano, che definisce le linee guida per le tematiche della ricerca su cui lavorare nei prossimi anni. Il gruppo roadmap, coordinato dalla dott.ssa Rosanna Fornasiero, supporta il Cts del rendere operative le linee guida garantendo l’interazione con i gruppi di lavoro e con i soci del Cluster stesso e promuovendo attività di consultazione, webinar, workshop, e nella redazione di documenti strategici per la ricerca e l’innovazione nel settore manifatturiero.
A proposito di re-manufacturing, secondo Tolio «questa pratica necessita di nuove macchine, di nuovi sistemi produttivi flessibili e riconfigurabili rispetto a quelli attualmente utilizzati. Va sottolineato però che i cicli di vita del prodotto sono molto più brevi di quelli del bene strumentale, e questo è il maggiore driver del riutilizzo delle macchine per un uso diverso da quello per il quale erano state concepite. In pratica, la vita breve dei prodotti spinge alla rigenerazione dei sistemi produttivi».
Ne abbiamo parlato con Tullio Tolio, con il docente al dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti dell’Università di Genova nonché vicepresidente del Comitato Scientifico di Cfi Flavio Tonelli, con la dirigente di ricerca al Cnr, nonché responsabile del Gruppo roadmap del Cfi Rosanna Fornasiero e con il general manager di Metatech Group nonché coordinatore della task Force A.e.s.c. di Erma (European Raw Materials Alliance, un’iniziativa dell’Unione Europea volta a garantire l’accesso a materiali grezzi critici) nonché Competence Center Manufacturing Manager di Adaci – Associazione Italiana Acquisti e Supply Management Alberto Tremolada.
La questione delle materie prime per la transizione green
L’Agenzia Internazionale per l’Energia ha reso noto che solo investendo di più potremmo disporre di una quantità sufficiente di minerali cruciali per il green entro il 2030. Tuttavia, alcuni esperti avvertono che, anche aumentando l’impegno, c’è un rischio di non avere abbastanza minerali come litio e cobalto, che sono fondamentali per le nuove tecnologie energetiche pulite.
In sostanza, anche se c’è qualche miglioramento nella disponibilità delle materie prime, ci sono ancora problemi con i ritardi e i costi. Ci sono poi altre questioni significative: è importante ottenere le materie prime da diverse fonti, non solo da pochi paesi come Cina, Indonesia e Congo, come oggi accade.
Si calcola che ci sarà un deficit significativo di materiali chiave per le infrastrutture energetiche rinnovabili nel breve termine. Le riserve globali di rame, nichel e cobalto diminuiranno notevolmente, con serie implicazioni per la transizione verso un’economia a emissioni zero.
La spesa in conto capitale dei 30 principali miner a livello globale è cresciuta del 6,2% nel 2023, raggiungendo circa 109,2 miliardi di dollari. Tuttavia, ci si aspetta che gli investimenti diminuiranno dell’1,8% nel 2024 e dello 0,7% nel 2025, a causa dell’inflazione, dei tassi di interesse elevati e del rallentamento dell’attività economica.
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Gli investimenti necessari e gli standard
Secondo un rapporto di McKinsey & Company, potrebbero essere necessari fino a 4mila miliardi di dollari di investimenti entro il 2030 per affrontare la mancanza di materiali chiave.
La spesa per l’industria mineraria è in aumento, ma potrebbe non essere sufficiente per soddisfare la domanda crescente. Alcuni grandi investitori stanno cercando di riformare l’industria mineraria per renderla più sostenibile e responsabile socialmente e ambientalmente. Questo potrebbe garantire un approvvigionamento più sicuro di minerali importanti per la transizione verde.
Alcuni grandi investitori stanno cercando di riformare l’industria mineraria per renderla più sostenibile; gestiscono un totale di 11mila miliardi di dollari, e intendono stabilire standard globali che coprano questioni come il lavoro minorile e la protezione della biodiversità.
Le emissioni del settore minerario
Il settore minerario contribuisce al 4-7% delle emissioni globali di gas serra. Per affrontare questa sfida, l’International Council on Mining and Metals ha pubblicato una guida per aiutare le società minerarie a monitorare e ridurre anche le emissioni indirette, quelle di filiera. «Peraltro alcune aziende, come Rio Tinto, stanno lottando per raggiungere i propri obiettivi senza l’acquisto di crediti di carbonio», afferma Tremolada. Comunque sia, gli investitori nel settore richiedono obiettivi chiari e misurabili.
La regolamentazione UE
L’UE ha introdotto importanti direttive per l’ambiente e la sostenibilità. Ad esempio la Reach, sull’uso di sostanze chimiche, o la Rohs che vieta sostanze pericolose nella fabbricazione di apparecchiature elettroniche; o anche la Epr, secondo il quale i produttori devono assumersi la responsabilità del trattamento dei prodotti al termine della loro vita utile, o la Sfdr, che impone agli operatori finanziari di divulgare informazioni sui rischi ambientali e sociali associati ai loro investimenti; o infine la Cbam, volta a applicare una tassa sul carbonio alle importazioni di prodotti da paesi con normative meno rigide sul clima.
Leggi come il German Supply Chain Due Diligence Act impongono controlli più rigorosi sulla catena del valore, mentre la Carbon Footprint Regulation limita le emissioni di carbonio per le imprese.
Divieti sull’uso di gas naturale in nuovi edifici e restrizioni sulle emissioni industriali mirano a migliorare la sostenibilità. Nuove regole proibiscono l’obsolescenza programmata e introducono un “Passaporto Digitale del Prodotto” per tracciare i prodotti e vietare la distruzione degli invenduti. I prodotti considerati cruciali per la sostenibilità saranno gestiti secondo una speciale gerarchia, promuovendo riutilizzo e riciclo. I produttori saranno responsabili dei costi di gestione dei rifiuti.
Le tensioni geopolitiche
Da oltre dieci anni, la competizione per ottenere materiali cruciali ha creato tensioni internazionali. Si teme che i governi possano usare questi materiali come arma politica, appunto perché sono essenziali per la tecnologia e l’energia. Johannes Fritz e Simon Evenett, nel loro 31° rapporto Global Trade Alert, esaminano questa problematica. È emerso che molte narrazioni governative non corrispondono ai fatti reali; ad esempio, il commercio delle terre rare potrebbe non essere così critico come dichiarato, e il divieto di esportazione del nichel in Indonesia potrebbe non avere l’effetto atteso. Il rapporto avverte che potrebbero verificarsi carenze di materiali industriali nei prossimi decenni a causa dell’aumento della domanda.
Gli scenari possibili: sostenibilità ed economia circolare
Per mitigare le citate criticità, è cruciale investire in tecnologie di estrazione sostenibili, promuovere il riciclo avanzato e collaborare a livello internazionale. «L’economia circolare, alternativa al modello lineare “prendi-usa-getta”, può ridurre l’estrazione di risorse non rinnovabili e l’inquinamento ambientale, favorendo al contempo la creazione di posti di lavoro sostenibili nelle comunità locali», dice Alberto Tremolada.
Tuttavia, l’applicazione dell’economia circolare al settore minerario presenta sfide come lo sviluppo tecnologico e la necessità di una governance efficace. L’implementazione di tecnologie circolari, ancora in fase di sviluppo, e la collaborazione tra diverse parti interessate richiedono un’adeguata pianificazione e coordinamento. Inoltre, è necessario mitigare gli impatti negativi sull’economia e sulla tenuta sociale, ad esempio attraverso misure di sostegno ai lavoratori colpiti dalla transizione verso pratiche più sostenibili.
Esempi di applicazione dell’economia circolare al settore minerario
Quanto alla citata azienda svedese Boliden, si è accennato al fatto che utilizza il processo pirometallurgico: questo rappresenta un metodo fondamentale per estrarre e recuperare metalli preziosi dai rifiuti metallici. Attraverso l’applicazione di temperature estremamente elevate e senza l’aggiunta di sostanze chimiche, questo processo consente la fusione dei materiali, separando i metalli desiderati dalla ganga. Durante la fase di fusione, i metalli si fondono formando una massa liquida chiamata “mattone”, che successivamente viene sottoposta a processi di raffinazione per ottenere metalli purificati e pronti per il riutilizzo. L’efficienza di questo metodo risiede nella sua capacità di recuperare preziosi metalli da una vasta gamma di materiali, contribuendo così alla riduzione dello spreco e alla promozione di pratiche sostenibili nell’industria del riciclo dei metalli.
Ford, invece, sta investendo in ricerca e sviluppo di materiali leggeri, come la fibra di carbonio, per diminuire il peso dei veicoli e migliorare l’efficienza del propellente (o della ricarica). Inoltre, l’azienda sta esplorando nuove metodologie per la produzione di componenti automobilistici con un’elevata eco-sostenibilità. Un esempio tangibile di questo impegno è il progetto collaborativo con Heinz, produttore del settore alimentare. Quest’iniziativa mira a creare componenti automobilistici utilizzando bioplastiche ricavate dai residui della lavorazione dei pomodori impiegati nella produzione del ketchup.
In tema di sostenibilità del processo minerario, l’esempio della citata azienda canadese Barrick Gold, che sta lavorando sullo sviluppo di nuove tecnologie volte a ridurre il consumo di acqua nelle sue operazioni minerarie. Nel 2022 ha riutilizzato o riciclato l’83% di tutta l’acqua che utilizzata. Complessivamente ha consumato 74.676 milioni di litri di acqua, raggiungendo un’intensità di utilizzo dell’acqua di 0,0005 milioni di litri per tonnellata di minerale lavorato. Si tiene conto del prelievo diretto, come l’aspirazione da corpi idrici per l’uso, così come del prelievo non intenzionale, come le piogge che cadono all’interno delle nostre operazioni che poi l’azienda gestisce e utilizza preferibilmente rispetto al prelievo da altri corpi idrici.
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Le soluzioni possibili
Youngee Moon, professore di business administration alla Harvard Business School e membro del consiglio di amministrazione di Unilever e altre multinazionali, nel suo libro “Differente“, sostiene che competere esclusivamente su costi, funzioni, quantità, e prezzi ci renda tutti uguali. È quindi necessario offrire qualcosa di significativamente differente, completo e soprattutto rilevante.
Un altro aspetto cruciale è il Design for usability, che si concentra sull’ergonomia dell’interazione uomo-sistema. Secondo la definizione ufficiale di usabilità ISO 9241-11, l’usabilità misura la capacità di un prodotto di essere utilizzato da specifici utenti per raggiungere determinati obiettivi con efficacia, efficienza e soddisfazione in un contesto specifico di utilizzo.
Strategie come la standardizzazione, la sostenibilità, la gestione della catena del valore e il coinvolgimento degli stakeholder possono semplificare il design, eliminando complessità e funzioni superflue per ridurre la dipendenza e i rischi di fornitura. «L’applicazione dell’economia circolare al settore minerario è già una realtà dimostrata da diversi esempi, e può contribuire significativamente a rendere il settore più sostenibile. Tuttavia, per garantire il successo di tale approccio, è necessario affrontare le criticità legate all’economia circolare e sviluppare soluzioni innovative per promuovere una transizione verso un modello economico più equo ed ecologicamente sostenibile», spiega Alberto Tremolada.
La Roadmap del Cluster Fabbrica Intelligente e l’economia circolare
Si accennava alla linea 2 della Roadmap, in tema di sostenibilità industriale. Considerata l’attenzione sempre maggiore rivolta alle questioni ambientali e l’importanza che il concetto di sostenibilità ha acquisito nell’agenda politica di molti Paesi, si richiede all’industria manifatturiera italiana di abbracciare il concetto di economia circolare. «Questo implica che tutte le fasi della produzione, dalla raccolta delle materie prime alla realizzazione dei prodotti finiti, debbano essere organizzate in modo tale da permettere il riutilizzo dei rifiuti generati da un settore come risorse o input produttivi in altri settori. In questo modo, il rifiuto, lo scarto o il prodotto non utilizzato non sono più considerati solo un costo, ma possono essere trasformati in valore, portando a vantaggi lungo tutta la filiera», afferma Tolio.
Secondo Rosanna Fornasiero, «Queste trasformazioni richiedono l’adozione di nuovi processi, macchinari e sistemi, che comportano una sostanziale rinnovazione delle infrastrutture produttive nazionali. Questo apre la strada alla creazione di nuovi mercati per beni strumentali, dove il Paese può assumere un ruolo di leadership».
Problemi inerenti al riciclo dei metalli
I prodotti complessi, costituiti da diversi materiali profondamente diversi tra loro, come metalli e polimeri, risultano particolarmente difficili da riciclare tramite processi meccanici senza comprometterne le rispettive proprietà.
Questa difficoltà nasce dall’impossibilità tecnica di separare i materiali costituenti o dall’elevato costo per farlo: si suggerisce pertanto un approccio di diversa natura. «Riguardo al riciclo dei metalli, le maggiori criticità si osservano nei confronti dei metalli preziosi e di quelli definiti critici. In questi casi, a differenza dei ferrosi e non ferrosi, per i quali la filiera è consolidata, il sistema di chiusura del ciclo di lavorazione secondo i principi dell’economia circolare risulta ancora incompleto», commenta Tonelli. «Si riscontra infatti una limitata presenza sul territorio di competenze e infrastrutture per il recupero e la purificazione spinta di questi materiali da sottoprodotti, scarti industriali e rifiuti tecnologici, come le batterie al litio, i magneti permanenti e i fanghi rossi».
Allo stato attuale, le tecnologie più idonee per perseguire questi obiettivi sono quelle idrometallurgiche, sulle quali è necessario investire per aprire nuovi rami di ricerca.
Cosa dice la linea due della Roadmap
Si accennava ad una importante priorità di ricerca e innovazione della Linea 2, legata allo sviluppo di nuovi modelli di filiera abilitati da tecnologie per gestire i prodotti in un’economia circolare.
Questi modelli dovrebbero supportare i processi di de- e re-manufacturing per il recupero della funzionalità e del valore intrinseco dei materiali; e ciò da prodotti a fine vita, sottoprodotti e scarti industriali. In particolare, sono state individuate alcune azioni, come ad esempio soluzioni per il disassemblaggio e il ri-assemblaggio per il recupero di funzionalità.
re-manufacturing
«L’obiettivo è focalizzarsi su prodotti a fine vita innovativi e complessi con elevato valore aggiunto, per i quali è fondamentale dare priorità al recupero funzionale finalizzato al riuso. In tale contesto, è necessario lo sviluppo di soluzioni tecnologiche innovative per il disassemblaggio automatizzato con elevato livello di automazione e controllo, l’ispezione, il testing, la rigenerazione e il ri-assemblaggio», dice Fornasiero.
Secondo Tonelli, «queste soluzioni dovranno prevedere, in uno step successivo, la progettazione congiunta con i sistemi di produzione, in vista di un nuovo paradigma di manifatturiero integrato: si tratta di garantire una maggiore efficienza e sostenibilità».
Un’altra azione individuata è quella di ottimizzare i processi per il trattamento e la gestione dei materiali metallici lungo tutta la filiera, per migliorare la selettività, la caratterizzazione, il sorting e la separazione dei materiali. Questi processi sono già diffusi in contesti industriali, ma non sono sufficientemente perfezionati.
Per esempio, sarebbe auspicabile studiare come l’uso sinergico di sistemi multi-sensore ottici avanzati, quello di soluzioni robotiche (anche collaborative) e quello di processi di separazione multi-fisica; «e ciò in sinergia con le moderne tecniche di collazionamento, modellazione, analisi dati e controllo derivanti dall’industria 4.0, come l’uso di sistemi di controllo feed-forward e cyber-physical systems, che possano risultare estremamente performanti in contesti complessi», continua Fornasiero.
Il ruolo dei Cluster e di Cfi in particolare nella promozione dell’economia circolare
I cluster possono favorire in vari modi la transizione verso un’economia circolare e sostenibile. Si tratta di aggregazioni di imprese, organizzazioni e istituzioni operanti in una specifica area geografica o settore. «I cluster permettono alle aziende di condividere le loro conoscenze e le migliori pratiche per ridurre l’impatto ambientale e migliorare l’efficienza delle risorse. Possono collaborare per sviluppare nuove tecnologie che sostengono un’economia circolare e sostenibile. Inoltre, possono incentivare l’innovazione e l’adozione di pratiche sostenibile», spiega Tolio.
In questo contesto, il Cluster Nazionale Fabbrica Intelligente è stato istituito dal Ministero dell’Università e della Ricerca nel 2012. Con oltre 200 membri, rappresenta un’entità che supporta l’azione dei policy maker (ministeri, regioni, Ue) e delle imprese stesse. Attraverso consultazioni periodiche e dialogo con i membri e altri interessati all’innovazione nel settore manifatturiero, il cluster propone un quadro coerente di sviluppo basato sulla ricerca e sull’innovazione, considerando l’evoluzione internazionale e le specificità nazionali e regionali.
Inoltre, grazie alla rete tra i cluster nazionali e regionali, le associazioni di settore, i Digital Innovation Hub e altri attori interessati alla ricerca e all’innovazione, è possibile implementare modelli di collaborazione pubblico-privata che sostengono un approccio inter-settoriale alle sfide che le imprese affrontano.
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