Combustibili metallici come riserva di energia del futuro? Quando alluminio e ferro supereranno l'idrogeno.

La soluzione al divario elettrico invernale? I ricercatori stanno realizzando la batteria del futuro con polvere metallica: un litro di ferro per 8 ore di autonomia: la rivoluzione trascurata nell'accumulo di energia.

La transizione energetica si trova ad affrontare una sfida paradossale: mentre gli impianti solari producono un surplus di elettricità pulita in estate, parte della quale rimane inutilizzata, durante i mesi invernali, bui e freddi, si profila una significativa carenza di elettricità. Questo squilibrio stagionale è uno degli ostacoli più persistenti sulla strada verso la neutralità climatica e continua a costringere l'Europa a una costosa dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili. Mentre il dibattito pubblico si concentra spesso sull'idrogeno come panacea, un'alternativa potenzialmente superiore sta maturando all'ombra della ricerca: l'accumulo di energia in combustibili metallici come alluminio e ferro.

Questa idea apparentemente insolita, a un esame più attento, si rivela una soluzione ingegnosamente semplice e robusta. Il principio si basa su un ciclo chimico reversibile: l'elettricità estiva in eccesso viene utilizzata per ridurre gli ossidi metallici in metalli puri, che fungono da vettori energetici estremamente densi e sicuri. Quando necessario, questi metalli reagiscono in modo controllato con l'acqua, rilasciando simultaneamente calore utilizzabile e idrogeno, che viene poi riconvertito in elettricità.

I vantaggi fisici sono sorprendenti: un litro di alluminio immagazzina circa 23 volte più energia in termini di volume rispetto all'idrogeno altamente compresso. La polvere o i granuli metallici possono essere immagazzinati e trasportati in sicurezza a temperatura ambiente e pressione normale, senza costosi serbatoi ad alta pressione o sistemi di raffreddamento criogenico. Ciò significa che i combustibili metallici potrebbero non solo rivoluzionare l'accumulo di energia stagionale per edifici e industria, ma anche riorganizzare i flussi energetici globali e aprire la strada all'uscita dell'Europa dalla sua dipendenza energetica geopolitica. Progetti pilota in Svizzera e Germania stanno già dimostrando che questa tecnologia è molto più di una semplice idea di laboratorio: potrebbe diventare la componente cruciale, finora mancante, per un approvvigionamento energetico sicuro e completamente rinnovabile.

Adatto a:

• OST Research – Scuola universitaria professionale della Svizzera orientale | Combustibili metallici come vettori e fornitori di energia

Colpo di genio svizzero: come un granulato metallico poco appariscente potrebbe porre fine alla nostra dipendenza energetica

La sfida dell'accumulo stagionale di energia è uno dei problemi più persistenti della transizione energetica. Mentre il surplus estivo di energia fotovoltaica in Europa è in costante aumento, proprio questa energia viene a mancare durante i bui mesi invernali. Combustibili metallici come alluminio e ferro promettono una soluzione superiore al più diffuso idrogeno in parametri cruciali e potrebbero trasformare radicalmente il settore energetico.

L'Europa si trova ad affrontare una sfida energetica fondamentale. La sola Svizzera prevede un deficit di elettricità invernale di circa otto-dieci terawattora entro il 2050, nonostante la massiccia espansione del fotovoltaico. La Germania e l'intera Unione Europea si trovano ad affrontare un problema strutturale simile. Mentre la produzione di energia solare crea sovraccapacità in estate, alcune delle quali devono essere ridotte, in inverno si registra una carenza evidente. Questa discrepanza stagionale si aggrava con ogni pannello solare aggiuntivo installato sui tetti e negli spazi aperti europei. Allo stesso tempo, la crescente elettrificazione del riscaldamento e dei trasporti sta rendendo la domanda di elettricità, soprattutto durante i mesi più freddi, ancora più critica.

La dipendenza energetica dell'Europa dalle importazioni di combustibili fossili sottolinea l'urgente necessità di soluzioni di stoccaggio sostenibili. La Germania trasferisce all'estero tra gli 80 e i 130 miliardi di euro all'anno per carbone, petrolio e gas, mentre l'Unione Europea nel suo complesso ne trasferisce oltre 300 miliardi. Queste enormi somme fuoriescono dal Paese invece di essere investite in infrastrutture nazionali e tecnologie future. Inoltre, gli sconvolgimenti geopolitici degli ultimi anni hanno dolorosamente dimostrato i rischi associati a questa dipendenza.

I combustibili metallici come l'alluminio e il ferro richiedono ossigeno (O₂) per rilasciare energia. La reazione è simile alla combustione, ma spesso assume la forma di ossidazione, ad esempio:

Alluminio + Ossigeno → Ossido di alluminio (Al₂O₃)

Ferro + Ossigeno → Ossido di ferro (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Queste reazioni rilasciano molto calore, ed è proprio questa energia che si vuole utilizzare come forma di accumulo.

L'idrogeno (H₂) è oggi un vettore energetico ben noto, ma è difficile da immagazzinare e trasportare.

I combustibili metallici sono considerati un'alternativa perché:

◾️ sono molto ricchi di energia,

◾️ facilmente trasportabile (solido, non volatile),

◾️ sono riutilizzabili: gli ossidi possono essere riciclati e ridotti nuovamente in metallo, spesso utilizzando energia elettrica rinnovabile.

Alcuni concetti utilizzano addirittura l'idrogeno per convertire il metallo ossidato in metallo puro.

La fisica dell'accumulo di energia metallica

Il principio di base dei combustibili metallici si basa su un'elegante reversibilità chimica. Metalli come alluminio, ferro o silicio possono essere caricati di energia elettrica attraverso un processo di riduzione, durante il quale l'ossigeno viene rilasciato dalle loro forme di ossido. I metalli puri risultanti agiscono come dispositivi di accumulo di energia altamente compressi. Quando necessario, questo processo viene invertito. Il metallo reagisce con acqua o vapore, producendo idrogeno e calore. L'idrogeno può essere utilizzato nelle celle a combustibile per generare elettricità, mentre il calore può essere immesso direttamente negli impianti di riscaldamento.

La densità energetica distingue fondamentalmente i combustibili metallici dalle alternative gassose. L'alluminio raggiunge una densità energetica teorica di oltre otto kilowattora per chilogrammo e una densità volumetrica di oltre ventitré kilowattora per litro. Persino l'idrogeno compresso ad alta pressione a settecento bar raggiunge solo circa un kilowattora per litro in volume. Un litro di ferro potrebbe fornire energia a una famiglia tedesca media per più di otto ore, mentre un litro di idrogeno altamente compresso non durerebbe nemmeno un'ora.

Queste proprietà fisiche hanno conseguenze pratiche di vasta portata. Le polveri o i granuli metallici possono essere conservati e trasportati a temperatura ambiente e pressione normale. Non sono necessari né costosi serbatoi ad alta pressione né complesse tecnologie di raffreddamento. I requisiti di sicurezza sono paragonabili a quelli dei materiali sfusi convenzionali. I rischi di esplosione, come quelli associati alle polveri metalliche fini, vengono evitati utilizzando granuli di dimensioni maggiori. L'Istituto svizzero SPF per la tecnologia solare presso l'OST, ad esempio, lavora con granuli di filo di alluminio 6060, disponibili in commercio e che non richiedono particolari precauzioni di sicurezza.

Un confronto tra i candidati materiali

L'alluminio è considerato il candidato più promettente tra i combustibili metallici. Con la sua elevata densità energetica, teoricamente superiore a otto kilowattora per chilogrammo, supera significativamente tutti gli altri metalli non tossici. Quando reagisce con l'acqua, circa il cinquanta percento dell'energia immagazzinata viene rilasciato sotto forma di calore e il cinquanta percento sotto forma di idrogeno. Quest'ultimo può essere convertito in elettricità in una cella a combustibile con un'efficienza del cinquanta percento, con un rapporto complessivo di circa il settantacinque percento di calore e il venticinque percento di elettricità. Questa combinazione è ideale per i sistemi energetici degli edifici, dove la domanda di calore è tipicamente predominante.

La sfida dell'alluminio risiede nella sua produzione ad alta intensità energetica. Sono necessari circa tredici-diciassette kilowattora di energia elettrica per chilogrammo di alluminio primario. L'utilizzo di energia a carbone in questo processo genera fino a venti chilogrammi di anidride carbonica per chilogrammo di alluminio. Anche utilizzando energia rinnovabile, il processo Hall-Héroult convenzionale rilascia comunque circa una tonnellata e mezza di anidride carbonica per tonnellata di alluminio, poiché gli anodi di carbonio si consumano e reagiscono formando anidride carbonica.

È qui che entra in gioco l'innovazione. Nel progetto di ricerca europeo REVEAL, gli scienziati guidati da OST stanno sviluppando un processo di produzione di alluminio completamente privo di anidride carbonica utilizzando i cosiddetti anodi inerti. Questi anodi sono costituiti da leghe metalliche che non vengono consumate durante il processo di elettrolisi e rilasciano ossigeno puro al posto dell'anidride carbonica. Il partner islandese IceTec sta lavorando parallelamente all'implementazione industriale di questa tecnologia, utilizzando energia geotermica e idroelettrica facilmente reperibili. Anche aziende tedesche come Trimet stanno portando avanti lo sviluppo e hanno già messo in funzione impianti dimostrativi.

Il ferro si presenta come un'alternativa pragmatica. Con una densità energetica di circa 0,2-0,3 kilowattora per chilogrammo, è significativamente inferiore all'alluminio, ma rimane comunque competitivo con molte altre tecnologie di stoccaggio. Il vantaggio decisivo del ferro è la sua disponibilità e il basso costo. Essendo il quarto elemento più abbondante nella crosta terrestre, il minerale di ferro è disponibile in quantità praticamente illimitate senza influire sostanzialmente sui prezzi del mercato globale.

La reazione del ferro con l'acqua produce pochissimo calore. Tutta l'energia immagazzinata viene trasferita all'idrogeno prodotto, che può quindi essere convertito in elettricità con un'efficienza di circa il 50%. Questo rapporto rende il ferro particolarmente interessante per applicazioni in cui la domanda di elettricità è fondamentale. Il gruppo di ricerca guidato dal Professor Wendelin Stark del Politecnico federale di Zurigo gestisce un impianto pilota nel campus di Hönggerberg che immagazzina stagionalmente idrogeno utilizzando ossido di ferro. Questa tecnologia è considerata circa dieci volte più economica dello stoccaggio convenzionale dell'idrogeno.

La riduzione diretta con idrogeno verde è già consolidata a livello industriale per la produzione di ferro. Aziende come ArcelorMittal e Thyssenkrupp stanno lavorando alla transizione verso la produzione di acciaio basata sull'idrogeno. Questa tecnologia può essere utilizzata direttamente per l'accumulo di energia. Il suo livello di maturità è compreso tra sei e sette su una scala di nove, avvicinandosi quindi alla commercializzazione. Gli impianti possono essere utilizzati a pressione normale e a circa 800 gradi Celsius, il che ne limita la complessità tecnica.

Il silicio rappresenta una terza opzione. Combina un'elevata densità energetica, simile a quella dell'alluminio, con una buona disponibilità. Essendo il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre dopo l'ossigeno, non ci sono praticamente vincoli di risorse. La tecnologia di produzione è ben consolidata grazie all'industria solare. Tuttavia, la ricerca sul silicio come mezzo di accumulo di energia è meno avanzata rispetto a quella sull'alluminio e sul ferro. La TU Darmstadt sta studiando il silicio nell'ambito del progetto A-STEAM, ma probabilmente ci vorranno diversi anni prima che venga utilizzato in applicazioni industriali.

L'economia della trasformazione

La redditività economica dei combustibili metallici dipende in modo cruciale dai costi di produzione dell'estrazione di metalli privi di carbonio. Al prezzo convenzionale dell'alluminio di circa 2.650 dollari a tonnellata, nel 2035 si verificherebbero costi aggiuntivi di circa 400 dollari se la tecnologia degli anodi inerti venisse implementata a livello industriale. Nel lungo termine, si prevede che i costi si stabilizzeranno ai livelli del 2020, sebbene con un sovrapprezzo di circa 300 dollari rispetto a un'ipotetica continuazione della produzione convenzionale.

Questi costi aggiuntivi, tuttavia, sono da mettere in prospettiva nel contesto generale. Gli investimenti per la decarbonizzazione dell'industria dell'alluminio sono stimati in circa mille miliardi di dollari, di cui circa la metà è destinata alla fornitura di energia a basse emissioni. Duecento miliardi di dollari sono stanziati per gli anodi a basse emissioni di carbonio. Ma questi investimenti gettano contemporaneamente le basi per un mercato dell'accumulo di energia completamente nuovo, che si estende ben oltre l'uso tradizionale dell'alluminio.

L'efficienza complessiva della riconversione dell'elettricità rinnovabile in elettricità e calore tramite accumulo metallico varia dal 50% al 60% per tutti e tre i metalli. Questo valore appare inizialmente basso rispetto alle batterie agli ioni di litio, con efficienze comprese tra l'85% e il 95%. Tuttavia, nella valutazione è necessario considerare diversi fattori. Innanzitutto, il confronto è rilevante solo per applicazioni con durate di accumulo comparabili. Le batterie sono adatte per un periodo di accumulo di ore o pochi giorni, mentre i combustibili metallici sono adatti per un periodo di accumulo di mesi o anni. Il costo per kilowattora di accumulo aumenta drasticamente per le batterie con durata di accumulo crescente, poiché i costi di investimento sono ripartiti su un numero inferiore di cicli.

In secondo luogo, il calore deve essere considerato una fonte energetica pienamente utilizzabile. Negli edifici con fabbisogno di riscaldamento, un sistema con il 75% di calore e il 25% di elettricità è potenzialmente più ideale rispetto alla sola elettricità, che deve prima essere trasformata tramite una pompa di calore. I ricercatori svizzeri prevedono costi di elettricità e riscaldamento di circa 20 centesimi per kilowattora in inverno con i sistemi di accumulo in alluminio. Questo sarebbe competitivo con molte opzioni di approvvigionamento energetico alternative.

Il power-to-gas con idrogeno raggiunge un'efficienza di solo il 30-40% con la semplice riconversione in elettricità senza utilizzo di calore. Con la metanizzazione, questa efficienza scende a circa il 33%. Solo con una cogenerazione ottimizzata e un utilizzo costante del calore di scarto è possibile raggiungere efficienze superiori all'80%, in base al potere calorifico superiore. Nella pratica, tuttavia, questi valori vengono raramente raggiunti. Inoltre, lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno comportano costi considerevoli. Le caverne di sale sotterranee sono realizzabili solo in luoghi geologicamente idonei. Per paesi come la Svizzera, privi di tali formazioni, rimangono come opzioni solo costosi serbatoi fuori terra o importazioni.

I costi di accumulo delle diverse tecnologie variano notevolmente. I sistemi di accumulo termico stagionale costano tra 25 e 400 franchi svizzeri per megawattora di energia immagazzinata. Per l'energia elettrica, i costi per le centrali di pompaggio si aggirano intorno ai 100 franchi per megawattora, ma aumentano di oltre dieci volte per altri sistemi di accumulo stagionale. Le batterie agli ioni di litio costano attualmente tra 400 e 1.000 euro per kilowattora di capacità di accumulo. Sebbene questi prezzi siano diminuiti drasticamente, rimangono proibitivi per l'accumulo stagionale.

Le centrali elettriche ad accumulo con pompaggio funzionano eccezionalmente bene per cicli giornalieri e settimanali, raggiungendo efficienze dal 70 all'85%. Tuttavia, per l'accumulo stagionale con un solo ciclo all'anno, i costi salgono a oltre due euro per kilowattora di elettricità aggiuntiva. Le limitazioni geografiche relative alle ubicazioni idonee limitano ulteriormente il potenziale di espansione. In un'economia completamente convertita alle energie rinnovabili, le capacità di accumulo con pompaggio esistenti sarebbero tutt'altro che sufficienti.

Integrazione di sistema e accoppiamento di settore

Il punto di forza dei combustibili metallici risiede nella loro perfetta integrazione nel concetto di "settorial coupling". Questo termine descrive il collegamento tra settori tradizionalmente separati dell'elettricità, del riscaldamento e della mobilità. Mentre la transizione verso le energie rinnovabili nel settore elettrico è già in fase avanzata, la fornitura di calore e i trasporti rimangono fortemente dipendenti dai combustibili fossili. L'Europa spende oltre trecento miliardi di euro all'anno in importazioni di carbone, petrolio e gas, una perdita per la sua stessa economia.

I combustibili metallici consentono un accoppiamento flessibile tra i settori. In estate, l'elettricità fotovoltaica in eccesso viene utilizzata per ridurre gli ossidi metallici. Il metallo risultante viene immagazzinato. In inverno, avviene l'ossidazione, producendo calore e idrogeno. Il calore confluisce direttamente nell'impianto di riscaldamento, idealmente abbinato a una pompa di calore, che aumenta l'efficienza a temperature più miti. L'idrogeno viene convertito in elettricità in una cella a combustibile e il calore di scarto di questo processo viene quindi reimmesso nell'impianto di riscaldamento.

Questa combinazione risponde esattamente al problema centrale dei sistemi energetici europei. In Germania, la domanda di riscaldamento rappresenta circa la metà del consumo energetico finale totale. Una parte significativa di questa si concentra nei mesi invernali. Un sistema di accumulo che fornisca principalmente calore e generi anche notevoli quantità di elettricità soddisfa perfettamente questo profilo di domanda. L'Università di Scienze Applicate di Lucerna ha calcolato che un isolamento uniforme degli edifici residenziali, combinato con pompe di calore, potrebbe praticamente eliminare il deficit di elettricità invernale della Svizzera. In combinazione con sistemi di accumulo metallici, un tale sistema sfrutterebbe in modo ottimale l'elettricità estiva in eccesso e garantirebbe un approvvigionamento invernale affidabile.

Secondo il modello dei ricercatori svizzeri, dotare tutti gli edifici plurifamiliari di sistemi di accumulo metallici potrebbe ridurre significativamente il previsto deficit di elettricità invernale di otto terawattora entro il 2050. Dotare anche solo la metà di tutti gli edifici plurifamiliari contribuirebbe a diversi terawattora. La struttura decentralizzata di questa soluzione evita costose misure di espansione della rete e aumenta la sicurezza dell'approvvigionamento grazie alla ridondanza.

Stanno emergendo ulteriori prospettive per le applicazioni industriali. Il calore di processo rappresenta una quota significativa del fabbisogno energetico industriale. L'elettrificazione diretta mediante pompe di calore, caldaie a elettrodi o riscaldamento a resistenza è tecnicamente fattibile e già disponibile per molti intervalli di temperatura. Tuttavia, i combustibili metallici possono offrire una soluzione, in particolare per i processi ad alta temperatura e la stabilità del carico di base. La combustione della polvere di ferro può raggiungere temperature superiori a 1.800 °C, sufficienti per molti processi industriali.

Le centrali elettriche a carbone convertite potrebbero essere gestite con polveri metalliche. L'infrastruttura esistente per la combustione, la circolazione del vapore e la produzione di energia potrebbe essere ampiamente utilizzata. L'ossido metallico risultante verrebbe raccolto e trasportato in impianti con ampia disponibilità di energia rinnovabile per la riduzione. Questo approccio sfrutterebbe gli impianti esistenti, preserverebbe i posti di lavoro e contribuirebbe contemporaneamente alla decarbonizzazione. La TU Darmstadt sta studiando questo concetto nell'ambito della sua iniziativa Clean Circles.

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Maturità tecnologica e prospettive di sviluppo

La maturità tecnologica dei vari componenti varia notevolmente. L'ossidazione dei metalli per il rilascio di energia è nota da tempo ed è già utilizzata in applicazioni specializzate. Particelle di alluminio e ferro vengono utilizzate nei razzi Ariane, nei fuochi d'artificio e in altre applicazioni pirotecniche. I processi chimici fondamentali sono quindi padroneggiati e compresi.

La reazione controllata con acqua o vapore a temperature moderate per la produzione di calore e idrogeno è attualmente in fase pilota. L'Istituto SPF per la Tecnologia Solare di Rapperswil ha commissionato un prototipo sviluppato nell'ambito del progetto REVEAL. Una volta operativo, questo prototipo dimostrerà come calore ed elettricità per gli edifici possano essere prodotti dall'alluminio attraverso processi chimici. L'energia prodotta può essere utilizzata per alimentare edifici e impianti industriali o immessa nelle reti di teleriscaldamento.

L'ETH di Zurigo gestisce un impianto pilota per lo stoccaggio di idrogeno a base di ferro nel suo campus di Hönggerberg. Tre serbatoi in acciaio inossidabile, ciascuno contenente 600 chilogrammi di ossido di ferro, possono immagazzinare circa dieci megawattora di idrogeno a lungo termine. Ciò genera da quattro a sei megawattora di elettricità, a seconda della tecnologia di conversione. L'impianto è in funzione dal 2024 e si prevede che verrà ampliato entro il 2026 per coprire un quinto del fabbisogno elettrico invernale del campus con energia solare accumulata stagionalmente. Portando a mille tonnellate di ossido di ferro si potrebbero produrre due gigawattora di elettricità, paragonabili a un decimo della capacità della centrale elettrica ad accumulo di pompaggio di Nant de Drance.

La sfida tecnologica più grande risiede nella produzione di metalli senza emissioni di carbonio. Per il ferro, la riduzione diretta mediante idrogeno verde è già stata sperimentata a livello industriale. Diverse aziende siderurgiche stanno attualmente costruendo impianti dimostrativi e pianificando una transizione graduale entro il 2030-2040. La tecnologia ha un livello di maturità di circa sette-otto su una scala di nove e si sta quindi avvicinando alla disponibilità commerciale.

La tecnologia degli anodi inerti è sul punto di rivoluzionare l'industria dell'alluminio. Trimet di Essen gestisce un impianto dimostrativo in condizioni di produzione dal 2024. L'azienda prevede l'implementazione industriale entro il 2040 e la neutralità climatica entro il 2045. Anche aziende internazionali come Norsk Hydro e Rio Tinto stanno investendo massicciamente in questa tecnologia. Apple ha già acquistato la prima fornitura di alluminio da un impianto pilota con anodi inerti per l'utilizzo negli smartphone. Ciò dimostra l'interesse commerciale e la credibilità della tecnologia.

La scalabilità rimane un fattore critico. La produzione annuale globale di alluminio è di circa settanta milioni di tonnellate, mentre quella di acciaio è di quasi due miliardi di tonnellate. Sarebbe necessaria una capacità produttiva aggiuntiva per contribuire in modo significativo all'accumulo stagionale di energia. Tuttavia, ciò non destabilizzerebbe necessariamente i mercati delle materie prime. L'alluminio e il ferro sono tra gli elementi più abbondanti nella crosta terrestre. Le loro risorse sono praticamente illimitate. La produzione sarebbe limitata principalmente dalla disponibilità di energia rinnovabile a prezzi accessibili.

Ed è proprio qui che si nasconde un'opportunità cruciale. Le regioni con condizioni eccellenti per le energie rinnovabili ma una bassa domanda locale potrebbero diventare produttrici di metalli. L'Islanda, con la sua energia geotermica e idroelettrica, il Nord Africa, con il suo sole intenso, o la Patagonia, con le sue risorse eoliche, potrebbero produrre metalli per l'esportazione su larga scala. Il trasporto è semplice e sicuro. Le navi portacontainer possono trasportare granuli metallici in condizioni normali, senza i rischi e i costi associati all'idrogeno liquido o al gas naturale liquefatto.

Ripensare i flussi energetici globali

L'internazionalizzazione dell'approvvigionamento energetico tramite vettori energetici metallici modificherebbe radicalmente i flussi commerciali globali. L'Europa spende oltre trecento miliardi di euro all'anno in importazioni di combustibili fossili. La sola Germania ne spende tra gli ottanta e i centotrenta miliardi. Queste enormi somme confluiscono in gran parte in paesi con regimi autoritari, le cui politiche spesso contraddicono i valori europei. Il finanziamento di queste importazioni contribuisce all'instabilità geopolitica e rende l'Europa vulnerabile al ricatto, come le recenti crisi energetiche hanno dolorosamente dimostrato.

Una transizione verso i vettori energetici metallici potrebbe risolvere queste dipendenze e, al contempo, consentire nuove partnership. I paesi con abbondanti risorse rinnovabili ma un'industrializzazione interna limitata otterrebbero una preziosa prospettiva di esportazione. Il Marocco, con il suo potenziale solare; il Cile, con la sua capacità eolica e geotermica; o l'Australia, con la sua vasta area territoriale adatta alle energie rinnovabili, potrebbero diventare produttori di metalli. Questi paesi sono prevalentemente democrazie e condividono valori fondamentali con l'Europa. Le importazioni di energia contribuirebbero quindi al finanziamento dello sviluppo piuttosto che al sostegno delle autocrazie.

L'economia circolare dei combustibili metallici differisce fondamentalmente da quella dei combustibili fossili. Carbone, petrolio e gas vengono bruciati in modo irreversibile e convertiti in gas serra. I metalli, invece, circolano in un circuito chiuso. Il metallo ossidato viene trasportato nuovamente all'impianto di riduzione e ricaricato. Questo ciclo può teoricamente essere ripetuto un numero illimitato di volte senza alcuna perdita di materiale o degradazione. I ricercatori del Politecnico federale di Zurigo hanno persino osservato che la capacità di stoccaggio dei loro reattori a ferro aumenta leggermente a ogni ciclo.

Questo approccio circolare ha implicazioni economiche di vasta portata. L'investimento nella produzione di metallo si ripaga nel corso di numerosi cicli. A differenza delle batterie, la cui capacità diminuisce a ogni ciclo, i sistemi di accumulo metallici rimangono utilizzabili a tempo indeterminato. Sebbene gli investimenti iniziali negli impianti di riduzione e ossidazione, nonché nel metallo stesso, possano essere sostanziali, nel corso dei decenni i costi per kilowattora immagazzinato diventano competitivi.

I calcoli del modello dei ricercatori svizzeri ipotizzano costi di circa venti centesimi per kilowattora per l'elettricità e il calore provenienti da un sistema di accumulo in alluminio. Questo è in linea con i costi di produzione delle energie rinnovabili e significativamente inferiore ai costi dell'elettricità per i picchi di carico nei mesi invernali. Con la crescente maturità tecnologica e la scalabilità, si prevede un'ulteriore riduzione dei costi. La storia del fotovoltaico e dell'energia eolica dimostra come le drastiche riduzioni dei costi possano essere dovute agli effetti della curva di apprendimento.

Rischi e sfide

Nonostante il suo promettente potenziale, permangono sfide e rischi significativi. Lo sviluppo tecnologico non è ancora completo. In particolare, la produzione di alluminio senza anidride carbonica utilizzando anodi inerti sta appena iniziando a essere implementata a livello industriale. Numerosi tentativi precedenti di affermare questa tecnologia sono falliti. L'anodo inerte ha la reputazione di essere sempre in fase di completamento, senza mai raggiungere una svolta.

L'aumento dei costi dell'elettricità rappresenta un problema. Gli anodi inerti non solo non rilasciano anidride carbonica, ma non forniscono nemmeno energia di processo come gli anodi al carbonio. La domanda di elettricità per tonnellata di alluminio aumenta di conseguenza. Con i costi energetici già elevati in Europa, ciò potrebbe compromettere la competitività. La produzione di alluminio potrebbe spostarsi ulteriormente verso regioni con energia particolarmente economica, mentre l'Europa diventerebbe un mero importatore.

La concorrenza per le energie rinnovabili si sta intensificando. Numerosi settori puntano all'elettrificazione. L'industria ha bisogno di idrogeno verde per i processi chimici e la produzione di acciaio. I trasporti si stanno elettrificando con milioni di veicoli elettrici. Le infrastrutture digitali con i loro data center consumano quantità crescenti di elettricità. In questo contesto competitivo, le soluzioni di stoccaggio basate su metalli devono ancora dimostrare la loro superiorità economica.

I requisiti infrastrutturali sono considerevoli. Per contribuire in modo significativo all'approvvigionamento energetico invernale sarebbero necessari milioni di sistemi di accumulo decentralizzati o grandi impianti centralizzati. La costruzione di queste infrastrutture richiede tempo, capitale e volontà politica. I periodi di ammortamento di tali sistemi potrebbero estendersi a decenni, il che potrebbe scoraggiare gli investitori privati. Probabilmente sarebbero necessari sussidi governativi e incentivi normativi.

L'impatto ambientale della produzione di metallo espanso massivo deve essere esaminato criticamente. Anche se il processo produttivo è a zero emissioni di carbonio, consuma enormi quantità di elettricità. Questa elettricità, oltre a soddisfare tutti gli altri fabbisogni energetici, deve provenire da fonti rinnovabili. Il terreno necessario per i necessari impianti eolici e solari è considerevole. Inoltre, l'estrazione di bauxite per l'alluminio richiede un'attività mineraria su larga scala, con le relative conseguenze ecologiche e sociali.

L'accettazione pubblica delle nuove tecnologie energetiche è fragile. Ogni impianto industriale su larga scala incontra resistenze locali. La costruzione di turbine eoliche, parchi solari e linee elettriche viene regolarmente ritardata o impedita da iniziative cittadine. Gli impianti di riduzione dei metalli, che operano ad alte temperature e consumano notevoli quantità di elettricità, potrebbero incontrare resistenze analoghe. Una comunicazione trasparente su benefici, rischi e impatti ambientali è essenziale.

Prospettive strategiche per l'Europa

Per l'Europa, lo sviluppo di combustibili metallici offre un'opportunità strategica per affermare la leadership tecnologica in un mercato futuro. Gli istituti di ricerca svizzeri e tedeschi sono tra i principali istituti al mondo in questo campo. Il progetto REVEAL riunisce importanti partner europei. Competenze industriali in metallurgia, ingegneria dei processi chimici e integrazione dei sistemi energetici sono ampiamente disponibili in Europa.

Una strategia europea coordinata potrebbe includere diversi elementi. In primo luogo, proseguire e intensificare i finanziamenti per la ricerca. Gli investimenti precedenti hanno consentito progressi considerevoli. L'aumento dei finanziamenti amplierebbe il vantaggio tecnologico. In secondo luogo, creare incentivi normativi per l'ingresso sul mercato. Tariffe feed-in o sovvenzioni agli investimenti potrebbero motivare i primi utilizzatori.

In terzo luogo, l'integrazione nella strategia europea per le infrastrutture energetiche. Le reti dell'idrogeno previste potrebbero essere ampliate per accogliere anche i vettori energetici metallici. Le infrastrutture del gas esistenti potrebbero essere parzialmente riconvertite. In quarto luogo, la cooperazione internazionale con i paesi che offrono condizioni ideali per la produzione di metalli. Partnership di sviluppo con i paesi nordafricani, investimenti nelle capacità produttive sudamericane o il trasferimento di tecnologia in Asia potrebbero creare situazioni vantaggiose per tutti.

La dimensione geopolitica non deve essere sottovalutata. La riduzione della dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili aumenta significativamente la libertà d'azione politica dell'Europa. La capacità di garantire l'approvvigionamento energetico in inverno da fonti nazionali o internazionali affidabili rafforza la resilienza agli shock esterni. La diversificazione delle fonti energetiche e delle catene di approvvigionamento riduce il potenziale di ricatto da parte di regimi autoritari.

Allo stesso tempo, emergono nuove dipendenze. L'Europa potrebbe potenzialmente diventare dipendente dalle importazioni di metalli, in modo simile all'attuale dipendenza dai combustibili fossili. La differenza sta nella reversibilità e circolarità dei metalli. Possono essere riciclati e riutilizzati. Questo evita la scarsità esistenziale che si verifica con le risorse fossili finite. Inoltre, la produzione potrebbe, in linea di principio, essere localizzata in Europa, a condizione che sia disponibile energia rinnovabile sufficiente e accessibile.

Il futuro dell'accumulo di energia

I combustibili metallici non saranno l'unica soluzione alle sfide della transizione energetica. Piuttosto, faranno parte di un portafoglio diversificato di tecnologie di accumulo. Le batterie agli ioni di litio manterranno la loro autonomia nel breve termine, da ore a giorni. Gli impianti idroelettrici ad accumulo di pompaggio rimarranno indispensabili per la stabilizzazione della rete e il bilanciamento delle fluttuazioni giornaliere e settimanali. L'idrogeno sarà necessario nell'industria come gas di processo e agente riducente.

I combustibili metallici occupano una nicchia specifica nello stoccaggio stagionale a lungo termine, principalmente per la fornitura di calore. In questo ambito, combinano i vantaggi di un'elevata densità energetica, facilità di gestione, materie prime economiche e un buon accoppiamento settoriale. Questa combinazione li rende superiori ad altre tecnologie. Ulteriori sviluppi mostreranno se e con quale rapidità questi vantaggi teorici potranno essere concretizzati nella pratica.

I prossimi anni saranno cruciali. Diversi impianti pilota sono attualmente operativi o in costruzione. L'esperienza acquisita da questi progetti rivelerà se le aspettative tecniche ed economiche saranno soddisfatte. Lo sviluppo della tecnologia degli anodi inerti determinerà se la produzione di alluminio senza anidride carbonica diventerà effettivamente possibile su larga scala. La volontà dell'industria e dei decisori politici di investire in questa tecnologia definirà i tempi.

L'integrazione dei sistemi di accumulo metallici nei sistemi energetici esistenti richiede non solo innovazione tecnologica, ma anche innovazione normativa e di mercato. È necessario sviluppare nuovi modelli di business che tengano conto delle caratteristiche specifiche dell'accumulo metallico. Sono necessari contratti a lungo termine tra produttori, gestori di stoccaggio e fornitori di energia per garantire la sicurezza degli investimenti. La valutazione dei benefici climatici ed energetici deve riflettersi in adeguati prezzi di mercato o meccanismi di sostegno.

Il dibattito pubblico sull'accumulo di energia deve ampliarsi. Per troppo tempo, la discussione si è concentrata unilateralmente sull'idrogeno come presunta soluzione universale. La realtà è più complessa. Applicazioni diverse richiedono soluzioni diverse. I combustibili metallici meritano un posto di rilievo in questo panorama. I loro vantaggi sono troppo significativi per essere ignorati. Il loro potenziale è troppo grande per rimanere inutilizzato.

La trasformazione del sistema energetico è una delle più grandi sfide tecnologiche ed economiche di questo secolo. Richiede il coraggio di innovare, la volontà di investire e l'apertura a nuove soluzioni. I combustibili metallici offrono una di queste soluzioni. Sono più di una semplice curiosità di laboratorio. Potrebbero diventare una svolta per l'accumulo stagionale di energia, un elemento fondamentale per risolvere il gap elettrico invernale e un percorso verso l'indipendenza energetica. Sono un'alternativa che non sostituisce l'idrogeno, ma lo integra efficacemente e lo supera in alcune applicazioni. Ulteriori sviluppi meritano attenzione, sostegno e un esame critico. I prossimi anni dimostreranno se i combustibili metallici riusciranno a mantenere le loro promesse.

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