La meccanica della ceramica: come l'industria può decarbonizzarsi

La meccanica della ceramica: come l'industria può decarbonizzarsi

Sebbene le industrie mondiali abbiano cercato di passare a metodi più sostenibili, l'estrazione annuale globale di materiali è triplicata negli ultimi 50 anni. In Europa, l'industria della ceramica ha dimezzato il consumo di energia negli ultimi 25 anni grazie alle nuove tecnologie di produzione.

Secondo la Commissione Europeal'industria della ceramica in Europa fornisce oltre 338.000 posti di lavoro e vale 27,8 miliardi di euro per l'economia dell'UE. Pur dovendo far fronte a prezzi energetici elevati e alla dipendenza da materie prime provenienti da produttori extra-UE, le PMI che compongono l'industria sono in grado di reagire rapidamente ai cambiamenti della domanda e alle nuove opportunità.

Il professor Ian M Reaney, Dyson Chair in Ceramics presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria dell'Università di Sheffield, si è recato di recente a Modena per discutere delle sfide che l'industria ceramica deve affrontare, delle nuove tecnologie che possono ridurre drasticamente le emissioni e delle motivazioni che lo spingono ad aiutare l'industria a innovare.

In qualità di esperto di ceramica, quali sono le principali sfide che vede nella sua ricerca?

Sono molteplici. La maggior parte delle ceramiche viene prodotta con pesanti bruciatori a metano, e quindi le emissioni di carbonio associate all'industria ceramica tradizionale, alle piastrelle, alle ceramiche e così via sono notevoli. Ci sono anche sfide per creare materiali per applicazioni sostenibili, come batterie, celle a combustibile, condensatori per veicoli elettrici per migliorare le prestazioni e così via. Questi materiali devono essere migliorati in modo da poter contribuire a rendere il mondo [più] efficiente nell'uso dell'energia.

Lei ha tenuto un discorso in occasione della 9a edizione dell'International MSSM dove ha parlato della sostenibilità della produzione di ceramica. Quali sono le sue considerazioni in merito?

Un aspetto è la produzione in serie di ceramiche: questa zona d'Italia è molto famosa per la produzione di ceramiche tradizionali ad alto volume. Queste fabbriche esistono da centinaia di anni. In linea di massima, utilizzano gli stessi metodi di produzione da 30-40 anni. Bruciano metano, che ovviamente è più costoso di un tempo, ma l'aspetto peggiore è che è un'enorme fonte di emissioni di CO2. Le temperature sono molto elevate, quindi si bruciano molti gas. La sinterizzazione o la densificazione di queste ceramiche avviene a una temperatura compresa tra i 1100 e i 1200°C.

Creare processi produttivi sostenibili è quindi un obiettivo importante che dobbiamo affrontare e raggiungere nei prossimi anni.

Quali sono le alternative?

Attualmente, in termini di produzione di volumi di ceramica - ceramiche, mattoni, tegole, piastrelle decorative - ci sono pochissime alternative che possono essere introdotte immediatamente.

I forni sono enormi. Costano milioni e sono progettati per funzionare per 30-40 anni. La spesa per le attrezzature è molto elevata. Il problema è che abbandonare questo sistema è costoso e le tecnologie non sono così chiare al momento.

Esistono due tecnologie competitive. Una sarebbe quella di adattare i sistemi per bruciare idrogeno o miscele di CH4/idrogeno, ma la tecnologia è agli inizi. L'altra è la creazione di forni elettrici, ma questi forni elettrici saranno nuovi e sostituiranno quelli presenti in fabbrica. Quindi, la spesa in conto capitale per le attrezzature è estremamente elevata. Questo aspetto deve essere preso in considerazione in qualsiasi tipo di pianificazione a lungo termine per un'azienda che voglia intraprendere la strada dell'elettrificazione.

La sfida per la sostenibilità consiste quindi nel ridurre il calore non necessario.

In termini di sostenibilità, ci sono un paio di cose da fare. La produzione di ceramica comporta molti scarti. La ceramica è fragile, si commettono errori nella produzione e si formano difetti. La prima cosa da fare è ridurre al minimo gli scarti. La seconda è riutilizzare gli scarti prodotti. Inoltre, riutilizzando gli scarti o aggiungendo qualcosa al processo, si ha la possibilità di diminuire la temperatura di densificazione [la temperatura che aiuta a fondere le piccole particelle in una massa densa]. Ma questo è piuttosto difficile in un processo tradizionale e si possono raggiungere solo poche decine di gradi. È un vantaggio e dovremmo farlo. Ma questo non significa ridurre in modo massiccio il carbonio incorporato nel prodotto. Lo sta riducendo e migliorando, ma non è una pallottola d'argento.

Come vengono gestiti attualmente questi prodotti di scarto?

Se gestiti bene, possiamo riciclarne una quantità significativa all'interno di una fabbrica di ceramica. Tutte le [ceramiche] precotte verrebbero riciclate e ci sarebbe un parziale riciclo dei rifiuti cotti. Ma poi c'è una cosa chiamata simbiosi industriale, in cui si possono riutilizzare i rifiuti in altre tecnologie. Il cemento/cemento è una tecnologia molto popolare perché il cemento contiene particolato, e questo particolato può essere costituito da pezzi di rifiuti cotti provenienti da altri processi produttivi della ceramica.

Purtroppo, se si va in una qualsiasi fabbrica di ceramica, si vedono i rifiuti stoccati nelle vicinanze della fabbrica o, nel peggiore dei casi, inviati in discarica. Trovare i mezzi per raggiungere la simbiosi industriale è una grande sfida che si sta affrontando. Ma ci vorrà un po' di tempo.

Che ruolo ha l'acqua in questi processi?

L'acqua è presente in tutto. Si usa l'acqua come parte del processo di smaltatura. Di solito si fa una cosa chiamata "cascata" di un impasto particellare, la cui base è l'acqua. L'acqua viene emessa dall'argilla stessa perché è un minerale idratato. L'acqua è presente praticamente in tutti i processi.

Direi che il luogo più ovvio in cui si vede l'acqua è durante il processo di essiccazione a spruzzo, che dà origine alla granulazione, e anche nell'applicazione dello smalto e di qualcosa chiamato ingobbio, che è un nome per uno strato di pre-smalto.

Un progetto in evidenza all'MSSM è il progetto finanziato dall'UE iWAYS finanziato dall'UE, che mira a migliorare le industrie sostenibili introducendo tecnologie in grado di recuperare acqua ed energia dai gas di scarico industriali. Secondo lei, in che modo la tecnologia iWAYS potrebbe giovare all'industria ceramica?

Gli obiettivi principali del progetto iWAYS sono il recupero dell'energia attraverso sistemi di scambio di calore e il recupero dell'acqua. Si potrebbe quindi immaginare di recuperare l'acqua dai processi e riutilizzarla nella granulazione e in tutto il processo di produzione della ceramica.

Anche i sistemi di recupero energetico sviluppati da iWAYS e da progetti precedenti sono importanti. I sistemi di scambio di calore basati sulla tecnologia dei tubi di calore possono coprire una gamma di temperature insolitamente ampia. Quindi, possono funzionare ugualmente bene a bassa temperatura, con calore di bassa qualità e con calore di alta qualità. Possono garantire un significativo recupero di energia e reimmettere il calore nella produzione, riducendo l'energia totale utilizzata dal processo produttivo.

Penso che abbia due aspetti. Il principale è probabilmente il recupero di energia, ma bisogna anche gestire l'acqua e assicurarsi di riciclarla e riutilizzarla.

Secondo lei qual è l'azione migliore per decarbonizzare l'industria ceramica?

È necessaria una risposta olistica. È necessario considerare l'efficienza delle risorse, ossia riutilizzare quanti più rifiuti possibile. È necessario considerare la riduzione del carbonio, le materie prime e l'eliminazione del calcare, ad esempio, dalle formulazioni.

È necessario considerare il recupero di energia con la tecnologia dei tubi di calore, per affrontare aspetti che attualmente non sono utilizzati. Il reindirizzamento dell'aria calda viene utilizzato abitualmente, ma i sistemi di heat pipe sono molto più avanzati.

L'altra è quella di incoraggiare i governi a decarbonizzare la rete. Ma non possiamo aspettare che i mega progetti di idrogeno ed elettrificazione siano completati. Dobbiamo iniziare con i concetti di efficienza energetica e delle risorse che vengono discussi, ad esempio, in iWAYS. Dobbiamo iniziare immediatamente, se non è già in corso, perché si possono fare progressi sostanziali in questo settore facendo piccoli miglioramenti nella decarbonizzazione attraverso l'efficienza delle risorse. Sarà la strategia dominante (di mitigazione delle emissioni di carbonio) per almeno altri dieci anni prima che i mega progetti di idrogeno ed elettrificazione inizino ad avere effetto.

Come ha visto evolvere il settore in Europa?

Dipende da dove ci si trova in Europa, perché gran parte dell'industria ceramica è ora esternalizzata in Estremo Oriente. Penso che ci sia stata un'evoluzione nel pensare che vogliamo mantenere i posti di lavoro qui e mantenere il controllo del carbonio incarnato, piuttosto che interrompere la produzione e permettere l'importazione di prodotti ad alto contenuto di carbonio incarnato da altri Paesi.

Credo che le aziende stiano emergendo un modello di pensiero di sostenibilità. In parte è guidato dalle iniziative governative, ma in parte è anche guidato dalla consapevolezza che esiste un mercato per i prodotti sostenibili. In fin dei conti, le persone vogliono fare soldi.

Se si considerano i tre pilastri della sostenibilità: economia, società e ambiente. È necessario avere tutti e tre questi pilastri. L'economia fa parte della sostenibilità. Che senso ha avere un prodotto perfettamente sostenibile e a costo zero che nessuno compra? C'è un'accettazione del fatto che questa è una strada percorribile come modello di business. Vedo che le cose stanno cambiando, mentre prima si andava verso una produzione a bassissimo costo o si mantenevano alcuni materiali di alta qualità ad altissimo valore senza pensare all'elevato carbonio incorporato. La maggior parte delle aziende ha ora un'intera linea di prodotti sostenibili con migliori credenziali ecologiche, che devono anche mostrare. Questi prodotti devono essere dimostrabilmente più ecologici.

Ritiene che le aziende stiano diventando più consapevoli di questi problemi di sostenibilità nel settore della ceramica?

C'è il bastone e la carota. C'è il "bastone" del governo: non possiamo continuare a bruciare combustibili fossili, quindi vengono imposte quote di carbonio e cose del genere. E poi c'è la "carota": cose come il Green Deal europeo, e cose simili stanno accadendo nel Regno Unito. Queste cose funzionano in tandem: un approccio di incoraggiamento attraverso gli investimenti e un approccio di bastone attraverso la legislazione.

Trovate l'intervista completa in formato video: youtu.be/dTe08sh4P5A