Lo sforzo degli Stati Uniti per costruire una fornitura domestica di energia pulita spesso inizia con materiali critici prodotti in paesi lontani e geopoliticamente sensibili. I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno recentemente contribuito a una serie di rapporti volti a proteggere la catena di approvvigionamento di energia pulita americana e ridurre al minimo le potenziali interruzioni.

I rapporti del DOE approfondiscono 12 aree in cui gli Stati Uniti devono garantire la disponibilità di materiali per fonti di energia pulita come turbine eoliche, celle a combustibile e pannelli solari. Alcuni di questi materiali sono minerali di terre rare utilizzati nei magneti che azionano le turbine eoliche, ad esempio, o metalli preziosi utilizzati nelle batterie dei veicoli elettrici e nell'accumulo di elettricità sulla rete.

Gli Stati Uniti hanno bisogno di una fornitura coerente e conveniente di questi materiali per decarbonizzare la propria economia entro il 2050. La decarbonizzazione, che include l'azzeramento dell'uso di combustibili fossili, è necessaria non solo per evitare gli effetti peggiori del cambiamento climatico, ma anche per rafforzare la sicurezza energetica della nazione .

Esperti di Argonne, altre agenzie federali, laboratori nazionali DOE, università e settore privato hanno collaborato ai rapporti di valutazione approfondita della catena di approvvigionamento, che sono stati prodotti in risposta all'Ordine esecutivo del 2021 sulle catene di approvvigionamento americane. Il DOE ha sfruttato Argonne per la sua esperienza nell'analisi della catena di approvvigionamento delle terre rare, nelle tecnologie delle batterie, nell'energia dell'idrogeno e in altre aree pertinenti.

"Abbiamo bisogno di una fornitura ben diversificata e sicura di materiali critici per raggiungere i nostri obiettivi di decarbonizzazione", ha affermato Braeton Smith, uno dei principali economisti energetici di Argonne che ha guidato i contributi di ricerca trasversali del laboratorio. "Ciò richiede di esaminare l'intera base industriale dell'energia per identificare potenziali carenze o interruzioni".

In particolare, i ricercatori Argonne hanno condotto l'indagine e la stesura di due dei rapporti sulla catena di approvvigionamento, "Magneti permanenti delle terre rare" e "Catalizzatori metallici del gruppo platino" e contributi tecnici per il rapporto "Competitività e commercializzazione delle tecnologie energetiche". Hanno anche fornito input su molti altri rapporti della serie.

La Cina domina la catena di approvvigionamento globale di metalli e magneti delle terre rare, controllando il 92% della produzione di magneti nel 2020. I magneti delle terre rare aiutano ad alimentare i generatori di turbine eoliche, in particolare per le turbine offshore, e entrano nei motori di trazione per i veicoli elettrici. La domanda di magneti in terre rare dovrebbe crescere solo mentre gli Stati Uniti continuano a espandere l'energia pulita.

Gli scienziati dell'Argonne hanno scoperto in ricerche precedenti che le interruzioni dell'approvvigionamento di terre rare possono avere impatti che durano ben oltre un evento a breve termine, creando aumenti di prezzo che variano a seconda del materiale specifico. Hanno scoperto questi modelli utilizzando il modello Global Critical Materials (GCMat), che può essere utilizzato per simulare gli sviluppi futuri del mercato e anticipare i rischi. GCmat si basa su un metodo di simulazione chiamato modellazione basata su agenti, in cui gli "agenti" rappresentano produttori, consumatori e altri attori in un mercato che prendono decisioni.

"Sono in corso numerosi sforzi per aggiungere capacità di produzione di magneti e di lavorazione di materiali in terre rare, sia a livello nazionale che globale", ha affermato Matthew Riddle, assistente scienziato dell'energia presso Argonne. "Nei rapporti, abbiamo evidenziato una serie di questi sforzi per migliorare la resilienza della catena di approvvigionamento".

I metalli del gruppo del platino, per i quali gli Stati Uniti dipendono fortemente dalle importazioni, sono agenti catalizzatori che fanno sì che le reazioni chimiche avvengano in modo più efficiente. Sia il platino che l'iridio sono importanti per produrre "idrogeno verde" per le celle a combustibile ricavando l'idrogeno dall'acqua anziché dal gas naturale. L'iridio è uno dei metalli più rari e non è prodotto negli Stati Uniti

"Il problema non è necessariamente concentrato solo sull'estrazione di materie prime", ha affermato Smith. "Anche negli Stati Uniti manca la produzione intermedia, dove possiamo separare e perfezionare alcuni di questi importanti materiali una volta estratti".

I rapporti DOE catturano in dettaglio l'attuale panorama della catena di approvvigionamento, identificando i rischi e le opportunità chiave. Un altro ostacolo sono i dati limitati lungo la catena di approvvigionamento.

"Una delle sfide per l'analisi delle catene di approvvigionamento dei materiali critici è la mancanza di dati pubblicamente disponibili, in particolare sulle fasi del processo che si verificano dopo l'attività mineraria", ha affermato Diane Graziano, ingegnere chimico di Argonne.

Il rapporto sui metalli del gruppo del platino raccomandava agli Stati Uniti di compilare informazioni dettagliate su fornitori e produttori, che potrebbero aiutare a stabilire la priorità degli investimenti nei catalizzatori.

Oltre a promuovere la raffinazione e la produzione domestica per i materiali critici, altri potenziali modi per rafforzare la catena di approvvigionamento includono la ricerca di materiali sostitutivi più economici e più abbondanti e l'aumento della capacità di recuperare e riciclare i materiali dalle batterie fuori uso e da altre fonti.

Il rapporto sulla competitività e la commercializzazione esamina le strategie per immettere sul mercato tecnologie innovative e migliorare la competitività degli Stati Uniti nel settore dell'energia pulita. A tal fine, presenta un quadro di analisi economica in sei fasi che include previsioni della domanda, analisi delle politiche e analisi degli scenari.

"Non è una sfera di cristallo perfetta. Ma condurre questa analisi economica end-to-end della catena di approvvigionamento, dall'estrazione mineraria al riciclaggio, ci aiuta a comprendere le potenziali fonti di vantaggio competitivo per gli Stati Uniti e come sostenerle", ha affermato Allison Bennett Irion, ingegnere di sistema e direttore della ricerca sulla catena di approvvigionamento presso Argonne.

Gli esperti di Argonne che hanno lavorato ai rapporti del DOE come autori e collaboratori, oltre a Smith, Graziano, Riddle e Bennett Irion, sono Matthew Earlam, Chukwunwike Iloeje, Autumn Kaiser, Iain Hyde, Di-Jia Liu e Pingping Sun. + Esplora ulteriormente

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