Nichel verde per un'elettrificazione sostenibile
Gli scienziati hanno sviluppato un metodo privo di carbonio e a risparmio energetico per estrarre il nichel per batterie, magneti e acciaio inossidabile
Per combattere i cambiamenti climatici e realizzare un'industria neutrale dal punto di vista climatico, è necessario ridurre drasticamente le emissioni di carbonio. Una parte fondamentale di questa transizione è la sostituzione dei vettori energetici a base di carbonio con l'elettricità, in particolare nei trasporti e nelle applicazioni industriali. Tuttavia, questo passaggio dipende in larga misura dal nichel, un materiale fondamentale utilizzato nelle batterie e nell'acciaio inossidabile. Entro il 2040, la domanda di nichel dovrebbe raddoppiare a causa della crescente elettrificazione delle infrastrutture e dei sistemi di trasporto. Tuttavia, la produzione di una tonnellata di nichel emette attualmente circa 20 tonnellate diCO2, sollevando la preoccupazione di spostare l'onere ambientale dal trasporto alla metallurgia. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i Materiali Sostenibili (MPI-SusMat) hanno ora sviluppato un metodo di estrazione del nichel a zero emissioni e a risparmio energetico. Il loro approccio consente anche di utilizzare minerali di nichel di bassa qualità, che sono stati trascurati a causa della complessità dei processi di estrazione convenzionali. Il team di Max Planck ha pubblicato i risultati sulla rivista Nature.
Un unico passo verso il nichel verde
"Se continuiamo a produrre nichel in modo convenzionale e lo utilizziamo per l'elettrificazione, non facciamo altro che spostare il problema anziché risolverlo", spiega Ubaid Manzoor, ricercatore di dottorato presso l'MPI-SusMat e primo autore della pubblicazione.
Manzoor e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per estrarre il nichel dai minerali in un unico passaggio, utilizzando il plasma di idrogeno invece dei processi basati sul carbonio. Se si considerano le emissionidi CO2 generate durante l'estrazione del minerale di nichel e il suo trasporto, il nuovo processo riduce le emissioni diCO2 dell'84%. Inoltre, il processo è fino al 18% più efficiente dal punto di vista energetico se si utilizzano elettricità rinnovabile e idrogeno verde, in quanto si evita il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti del minerale, comuni nei processi convenzionali.
Tradizionalmente, l'industria si affida a minerali di alta qualità, poiché l'estrazione del nichel da minerali di grado inferiore è molto più complessa a causa della loro composizione chimica complessa. A differenza del ferro, che può essere ridotto in un'unica fase rimuovendo l'ossigeno, il nichel nei minerali di bassa qualità è chimicamente legato a complessi silicati di magnesio o ossidi di ferro. L'estrazione convenzionale prevede diverse fasi come la calcinazione, la fusione, la riduzione e la raffinazione, che sono ad alta intensità energetica e hanno una grande impronta di carbonio. Un'importante innovazione di questo metodo è la capacità di trattare minerali di nichel di bassa qualità (che rappresentano il 60% delle riserve totali di nichel) in un unico forno a reattore, dove fusione, riduzione e raffinazione avvengono simultaneamente, producendo direttamente una lega di ferronichel raffinata.
"Utilizzando il plasma di idrogeno e controllando i processi termodinamici all'interno del forno elettrico, siamo in grado di scomporre la complessa struttura dei minerali dei minerali di nichel di bassa qualità in specie ioniche più semplici, anche senza l'uso di catalizzatori", ha spiegato il professor Isnaldi Souza Filho, responsabile del gruppo "Sintesi sostenibile dei materiali" presso l'MPI-SusMat e autore corrispondente della pubblicazione.
Verso l'applicazione industriale
Questo metodo non solo riduce le emissioni e il consumo di energia, ma amplia anche lo spettro dei minerali di nichel utilizzabili, rendendo l'estrazione più economica e sostenibile. Il prossimo passo del team di Max Planck è la scalabilità del processo per le applicazioni industriali.
"La riduzione dei minerali di nichel in specie ioniche più semplici avviene solo all'interfaccia di reazione, non nell'intera fusione. In un sistema scalato, è fondamentale garantire che la fusione non ridotta raggiunga continuamente l'interfaccia di reazione", spiega Ubaid Manzoor.
Ciò può essere ottenuto implementando archi corti con correnti elevate, integrando un dispositivo di agitazione elettromagnetica esterno sotto il forno o impiegando l'iniezione di gas. Si tratta di tecniche industriali consolidate, che rendono possibile l'integrazione nei processi esistenti.
La via della produzione di nichel verde apre le porte a un'elettrificazione più sostenibile del settore dei trasporti. La lega di nichel ridotta può essere utilizzata direttamente nella produzione di acciaio inossidabile e, con un'ulteriore raffinazione, come materiale per gli elettrodi delle batterie. Inoltre, le scorie prodotte durante il processo di riduzione possono servire come preziosa risorsa per l'industria edilizia, compresa la produzione di mattoni e cemento. Lo stesso processo può essere applicato anche al cobalto, utilizzato nei veicoli elettrici e nei sistemi di stoccaggio dell'energia.
La ricerca è stata finanziata da un Advanced Grant del Consiglio europeo della ricerca.
Al punto
- Domanda impegnativa di nichel: si prevede che la domanda di nichel raddoppierà, mentre la produzione convenzionale di nichel emette circa 20 tonnellate diCO2 per una tonnellata di nichel.
- Nuovo processo sostenibile per la produzione di nichel: I ricercatori hanno trovato un modo per estrarre il nichel da minerali di bassa qualità utilizzando il plasma di idrogeno al posto del carbonio. Il processo in un'unica fase èprivo di CO2 e consente di risparmiare energia e tempo.
- Possibilità di scalare la produzione: Per l'upscaling, è necessario implementare archi corti con correnti elevate, integrare un dispositivo di agitazione elettromagnetica esterno sotto il forno o impiegare l'iniezione di gas, assicurandosi che il fuso non ridotto raggiunga continuamente l'interfaccia di reazione.
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