I materiali metallici sono la spina dorsale delle economie moderne. Però, grandi quantità di CO ₂ vengono prodotti durante la loro produzione e lavorazione. L'industria metallurgica dovrà quindi utilizzare in futuro processi più rispettosi del clima. il CO ₂ anche l'equilibrio delle leghe e dei loro componenti deve essere migliorato per tutta la loro durata. Dierk Raabe, Direttore del Max-Planck-Institut für Eisenforschung di Düsseldorf, spiega le possibilità che le aziende industriali hanno già in questo senso, nonché i compiti che i metallurgisti devono assumersi per raggiungere l'obiettivo di un'industria metallurgica sostenibile.

Professor Raabe, cosa potrebbero fare oggi l'industria siderurgica e altri settori della lavorazione dei metalli per ridurre il loro consumo di risorse e la loro CO ₂ impronta rapidamente e notevolmente?

La protezione dalla corrosione ha un effetto considerevole perché rende i prodotti più durevoli. Non si tratta solo di ferro, che arrugginisce, ma anche altri materiali come alluminio o nichel. Si tratta anche di corrosione da idrogeno, Per esempio, che ha un effetto molto più estremo sui metalli rispetto all'acqua e all'ossigeno. Può causare infragilimento da idrogeno, danni che possono portare al guasto improvviso e catastrofico dei componenti. Questa è stata una delle cause del disastro di Deep Water Horizon, Per esempio. Però, svolge anche un ruolo nelle centrali elettriche, edifici industriali, e trasporti, soprattutto se in futuro vogliamo fare più affidamento sull'idrogeno come fonte di energia. Anche se la protezione dalla corrosione non sembra così entusiasmante per i profani, ha una notevole leva perché ogni anno fino al 4% della produzione economica mondiale viene distrutto dalla corrosione.

In quali aree la corrosione è un problema particolarmente grave?

In alcune aree la protezione dalla corrosione è già abbastanza diffusa. Per esempio, nell'industria automobilistica. C'era una domanda importante quando si acquistava un'auto:quanto velocemente si arrugginisce? Questa è ormai una cosa del passato. Però, infrastrutture industriali, grattacieli, ponti, le centrali elettriche oi treni, basti pensare all'incidente ferroviario nei pressi di Eschede nel 1998, sono ancora altamente suscettibili alla corrosione. E questo si moltiplicherà solo quando l'idrogeno verrà aggiunto come fonte di energia nei prossimi dieci anni.

Dove vede altre opportunità per rendere l'acciaio e altri materiali metallici più sostenibili?

Anche l'elettrificazione della produzione di metalli avrà una grande influenza. alluminio, il secondo materiale metallico più importante dopo l'acciaio per l'industria aeronautica e automobilistica, è stato a lungo sintetizzato attraverso la riduzione elettrolitica del minerale di alluminio. Ciò richiede una grande quantità di elettricità, parte dei quali è già ottenuta da fonti rinnovabili come l'energia idroelettrica. Puoi anche produrre altri metalli, persino il ferro, mediante elettrolisi. Però, questo non vale la pena a causa degli alti prezzi dell'elettricità. Tutto sommato, l'elettrificazione è una delle maggiori leve per la sostenibilità della produzione primaria e dell'ulteriore lavorazione dei metalli se l'energia elettrica proviene esclusivamente da fonti rinnovabili.

Quali condizioni sono necessarie per produrre ferro con l'elettricità?

La lenta espansione delle linee elettriche per l'elettricità verde dovrebbe finalmente accelerare il passo. Perché va detto chiaramente che in regioni come la Ruhr, dove si produce il ferro, dovrai aspettare ancora molti anni per un collegamento a un'alimentazione elettrica verde sufficiente per tali industrie, come mostra uno sguardo alla homepage della Federal Network Agency. Inoltre, stime di mercato del Wuppertal Institute, Per esempio, mostrano che potrebbero volerci fino a 20 anni prima che i processi completamente elettrici diventino competitivi.

Per l'industria siderurgica, però, ciò significherebbe che dovrebbe passare dalla produzione in altoforno a processi completamente nuovi. È realistico?

Anche per singole parti di acciaierie integrate e fonderie di alluminio, i costi di investimento sono così alti che l'industria non può permettersi di ricostruirli ogni dieci anni. Inizialmente, però, gli altiforni potrebbero anche essere lasciati così come sono. L'industria può sostituire il carbonio per la riduzione (cioè coke, carbone, biomassa, e rifiuti di plastica) con fino al 20% di idrogeno, che sarebbe, Certo, devono essere generati dall'acqua utilizzando elettricità rigenerativa. E poiché l'industria siderurgica rappresenta circa il 6% della CO . totale mondiale ₂ emissioni, questo avrebbe un impatto notevole. Questi processi sono già in fase di test in diversi luoghi in tutto il mondo. L'industria può anche passare alla riduzione diretta della produzione nel medio termine. Il processo prevede il riempimento di pellet di ossido granulare (come quelli forniti dalle miniere dopo la lavorazione del minerale) come solidi in una fornace e la loro conversione diretta con metano. Questo è stato a lungo fatto nei paesi in cui il metano è conveniente. Questo processo ha il vantaggio che le piante possono, in linea di principio, essere convertito fino al 100% di idrogeno.

Quindi quando verrà fuso il ferro con l'idrogeno?

Il processo completamente a base di idrogeno richiederà dai 10 ai 12 anni prima di poter essere immesso sul mercato. Si stima che saranno ca. 30% in più rispetto all'attuale produzione di altoforno. E il CO ₂ l'aumento dei prezzi non è stato ancora completamente determinato. Può quindi essere che tra 10 anni, un aumento del 30% costituirà un prezzo di mercato competitivo se materiali concorrenti meno sostenibili provenienti da paesi terzi saranno soggetti a condizioni comparabili. La peggiore di tutte sarebbe la scomparsa della produzione di metalli dall'Europa e l'acquisto di metalli non sostenibili da paesi al di fuori dell'UE. L'Europa ha bisogno di un'industria di produzione e trasformazione dei metalli indipendente e sostenibile, anche perché genera circa 400 miliardi di euro all'anno.

Che interesse potrebbe avere l'industria di paesi come la Germania a scambiare i propri impianti con impianti di riduzione diretta?

Da una parte, l'industria siderurgica può produrre ferro in una CO ₂ -modo ridotto. Le aziende ne vedono già la necessità perché possono stimare che i costi aumenteranno nei prossimi anni a causa della CO ₂ prezzi e perché le case automobilistiche, Per esempio, spero di utilizzare una frazione crescente di CO ₂ -acciaio ridotto in futuro. D'altra parte, la riduzione diretta consente inoltre alle aziende di diventare più flessibili. Un altoforno deve essere mantenuto in funzione continuamente. Altrimenti, si romperà. Con forni per riduzione diretta, le aziende possono adattarsi in modo molto più flessibile al mercato e produrre acciai di varie qualità. Siamo anche sorpresi che l'industria siderurgica stia già pianificando e avviando la conversione a tali impianti su vasta scala in tutto il mondo. Alcuni impianti esistenti sono già in fase di conversione all'idrogeno. Nei nuovi anni, l'industria metallurgica subirà uno dei più grandi sconvolgimenti della storia. Da oltre 3500 anni, il ferro è stato (in linea di principio) prodotto utilizzando lo stesso processo di riduzione.

Quali condizioni quadro politiche devono essere create per rendere più sostenibile la produzione di metalli?

Quando si prendono decisioni politiche, dovremmo, in ogni caso, analizzare come misure legislative come sussidi o divieti influiscano sulla CO ₂ equilibrio su cicli di vita completi. Per esempio, se hai investito un sacco di soldi nella produzione di acciaio completamente elettrolitico, suonerebbe benissimo. Però, uno sguardo al mix elettrico mostra che, come con l'auto elettrica, c'è ancora il 25% di elettricità dalla lignite. Allora non abbiamo guadagnato nulla. Anche la sostenibilità deve essere pensata in modo sostenibile. È inutile mettersi in mostra.

Secondo voi, dove avrebbero senso le norme di legge?

Per esempio, negli incentivi per i cicli chiusi del rottame nell'industria. Ti faccio un esempio:ci sono alcune case automobilistiche che già producono principalmente solo auto in alluminio nel segmento premium e, in alcuni casi, processo fino a 300, 000 tonnellate di alluminio all'anno. Però, quando i componenti vengono fustellati dalla lamiera, si perde fino al 45% del materiale. Ora penseresti che raccolgano i loro rottami. Perché quando l'alluminio è così puro, è come contanti in mano. Ma solo poche aziende lo fanno in modo coerente. Per esempio, qui nell'UE. Altrimenti è ancora molto più economico per molte aziende acquistare nuovo materiale sul mercato invece di stabilire cicli di scarto chiusi. E anche la maggior parte dei rottami metallici è già mischiata, che ne riduce il valore fino a un decimo. Per esempio, creare incentivi fiscali per cicli di scarto separati in una fase iniziale farebbe molto di più che raccogliere semplicemente capsule di caffè o involucri di carta stagnola, che noi consumatori produciamo. Questo non vuol dire che non dovremmo preoccuparci di loro. Ma rispetto ai rifiuti industriali, è una questione di decimali.

Quali esigenze di ricerca vedete per i materiali metallici sostenibili?

Al momento, molte leghe diverse sono utilizzate in molti prodotti perché hanno tutte alcune proprietà speciali. Inizialmente, osserviamo quali elementi si trovano nelle leghe quando viene utilizzata una certa quantità di rottame. Per esempio, puoi già trovare il costosissimo neodimio dei motori elettrici degli alzacristalli e simili nell'alluminio riciclato usato oggi nelle automobili, perché non vengono separati prima di essere fusi. Troviamo così oltre 20 elementi in leghe che prima non avevamo. Stiamo studiando come tali impurità modificano le proprietà delle leghe. Speriamo di scoprire quanto può essere impuro un materiale e continuare a soddisfare il suo scopo. Se possiamo dimostrare scientificamente che un materiale può essere meno puro, possiamo aumentare il contenuto di scarto e quindi ridurre massicciamente la CO ₂ orma.

Gli scarti di un settore possono essere riciclati in un altro?

Stiamo esaminando tali possibilità. Esaminiamo sistematicamente dove viene consumato molto materiale e se possiamo realizzare leghe in grado di tollerare più impurità. Per esempio, abbiamo scoperto che l'industria delle costruzioni utilizza sempre più leghe di alluminio legate alla lega di alluminio-manganese delle lattine per bevande per tegole, rivestimento, elementi portanti, ascensori, e simili. Nel caso delle lattine, la percentuale di riciclaggio e quindi la quantità di impurità è già piuttosto elevata, perché la lega è relativamente buona e non deve essere in grado di fare molto. Ora vogliamo indagare se la lattina rottami, che molti paesi producono in quantità maggiori che in Germania, can also be used for construction purposes.

What is the second step for research?

We are trying to reduce the number of alloys and develop a kind of unitary alloy. This would be much better to recycle because much less sorting would be required. Fino ad ora, the specialization of materials has always been obtained at the price of a chemical change:Material scientists fiddle with the chemical composition until the fender, aircraft component, or turbine gets better. We would like to reduce this extreme diversification of varieties, which makes recycling difficult. A specific example:a car manufacturer could demand that a steel or aluminum producer use only two alloys instead of five, all of which have been perfected to impart a certain property such as strength or surface quality.

How could the diversity of alloys be limited?

The fundamental question here is whether we can achieve diversification not only through chemical composition but also primarily through changes in the micro- and nanostructure. This has traditionally worked well with metals. Però, you must invest a lot more effort in the production in order to achieve a certain size and orientation of the crystals (as an example). This approach shifts the basic approach of material production from materials chemistry to metal physics.

How many alloys do you expect would remain?

Per esempio, if you purchase an aluminum alloy today, you can choose between up to 280 alloys that can do anything that aluminum should be able to do. But if you look at what is really sold in large quantities, there are only 50 or 60 alloys left. And if you take a closer look at exactly what these alloys are supposed to achieve, you might end up with only 20 or 30 alloys. Certo, that's just a rough estimate.

The CO ₂ emissions of the metal industry could also be reduced by using less material. Do you see possibilities to make car bodies lighter, for example?

First of all:cars have become bigger and heavier in the past decades, partly because of additional equipment such as air conditioning, cablaggio, or on-board computers, which are considered the minimum standard today. And of course the situation is quite extreme with electric vehicles in which the battery alone weighs up to 800 kg. But you could add another 200 or 300 kg if the bodies hadn't already become much lighter because the alloys were getting harder and harder. Tuttavia, the competition among material manufacturers is still continuing to see who can supply the strongest steels and aluminum alloys. Because we are still at only about one tenth of the theoretically possible strength of these materials. So there is still a lot of research to be done to bring the materials to their physical limits.

Perhaps you as a metal researcher are not the right addressee for the next question. Nevertheless:would it make sense to replace metallic materials with plastics in some places?

You really are asking the wrong person. Infatti, polymer materials with carbon fibers have been propagated time and again for car bodies. But in terms of the ecological balance, this is really nonsense. The production of carbon fibers requires an extremely high amount of energy and releases large amounts of CO ₂ . And in the end, you can only throw most of these materials into the waste incineration plant. It is often stated that these polymer-based materials can be recycled. But you can really only chop them up and make mats out of them. Metals, d'altra parte, can be recycled infinitely often, provided that the scrap is collected by type, the effect of impurities is understood and controlled, and the variety of alloys used is reduced. And lightweight magnesium components already come very close to polymer components in terms of weight but are completely recyclable.