Il vento e il sole possono essere risorse pressoché infinite. Ma i materiali necessari per costruire turbine eoliche e pannelli solari non sono sempre comuni. Prendiamo ad esempio i metalli delle terre rare, neodimio, disprosio e praseodimio. È probabile che quei nomi siano poco familiari quanto i metalli argentei che rappresentano. Eppure, alcune turbine eoliche non possono funzionare senza di esse. L’energia solare si basa anche su un elenco diversificato di materiali, dall’alluminio allo zinco, per convertire la luce solare in elettricità.
Lavorando con partner di altri laboratori nazionali, i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno creato un nuovo database, il Renewable Energy Materials Properties Database (REMPD), che esamina i fabbisogni di materiali per le centrali eoliche e solari. Il REMPD, presentato in un rapporto riepilogativo di accompagnamento, quantifica la domanda di materiali per megawatt di capacità di generazione eolica o solare e confronta tale domanda con le forniture odierne.
L’EMPD fornisce informazioni sui materiali di livello grande e piccolo, comprese le centrali eoliche e solari, le turbine eoliche ei moduli fotovoltaici (FV), fino ai metalli e ai materiali artificiali utilizzati nelle tecnologie di energia rinnovabile. Gli asterischi indicano i livelli popolati in base ai dati disponibili, che potrebbero essere ampliati in futuro. Grafica di Nicole Leon, NREL
“Il REMPD è una risorsa unica nel suo genere per comprendere la quantità e il tipo di materiali che entrano nelle centrali eoliche e solari”, ha affermato Annika Eberle, la ricercatrice principale che ha sviluppato il REMPD. “Il database consente inoltre agli utenti di esplorare la disponibilità nazionale e globale di ciascun materiale e valutare i potenziali rischi di fornitura”.
Il REMPD è il risultato di una collaborazione tra NREL, che ha guidato lo sforzo, l’ufficio per le tecnologie eoliche e l’ufficio per le tecnologie per l’energia solare del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti, che ha finanziato il progetto, e l’Oak Ridge National Laboratory, i Sandia National Laboratories, il Lawrence Berkeley National Laboratory e l’Università statale dell’Arizona.
Sebbene il team REMPD non sia in grado di prevedere in che modo le catene di approvvigionamento di energia eolica e solare possano evolversi per soddisfare la crescente domanda di materiali, offre le informazioni necessarie per comprendere le potenziali tensioni che le catene di approvvigionamento potrebbero dover affrontare. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha raccolto informazioni su una vasta gamma di materiali utilizzati per costruire nuove tecnologie per l’energia eolica e solare, inclusi il tipo, la quantità, il paese di origine, gli usi significativi, la disponibilità prevista e le proprietà fisiche.
Cosa serve per costruire il futuro dell’energia eolica
NREL ha anche effettuato una nuova analisi delle future esigenze di materiale per la diffusione dell’energia eolica, poiché la tecnologia continua a crescere di dimensioni, in un rapporto di accompagnamento, Materiali utilizzati in Tecnologie per l’energia eolica statunitense: quantità e disponibilità per due scenari futuri.
Per raggiungere gli obiettivi dell’amministrazione statunitense di una rete elettrica priva di emissioni di carbonio entro il 2035 e un’economia a zero emissioni nette entro il 2050, l’industria dell’energia eolica dovrebbe aumentare la velocità con cui costruisce nuovi impianti eolici di un fattore 5– 10. Secondo il rapporto, tale espansione potrebbe spingere la domanda di alcuni materiali, come la fibra di carbonio, al di sopra delle attuali forniture globali.
“Studi precedenti hanno esaminato i fabbisogni di materiali per tipi specifici di tecnologie di energia rinnovabile e in scenari futuri a basse emissioni di carbonio”, ha affermato Melinda Marquis, che ha guidato la ricerca del NREL sull’integrazione dell’energia eolica offshore con la rete. “Ma questo studio è il primo a fornire una stima dettagliata dei materiali necessari agli Stati Uniti per costruire abbastanza centrali eoliche per raggiungere l’obiettivo dell’amministrazione Biden di raggiungere un settore energetico senza emissioni di carbonio entro il 2035”.
“Abbiamo utilizzato il REMPD per calcolare la quantità di materiali necessari per supportare futuri scenari di implementazione dell’energia eolica negli Stati Uniti”, ha affermato Aubryn Cooperman, analista di energia eolica che ha contribuito al REMPD. Questi scenari considerano gli obiettivi di decarbonizzazione e le attuali politiche che influenzano la diffusione dell’energia eolica, incluso l’Inflation Reduction Act. Il team ha valutato in che modo la domanda di nuove centrali eoliche potrebbe influire sul fabbisogno di materiali critici negli Stati Uniti dal 2020 al 2050. Gli autori offrono anche alcune raccomandazioni, come la sostituzione di materiali alternativi e l’aumento del riciclaggio, per aiutare a conservare i materiali vulnerabili e garantire che gli sviluppatori ottengano ciò che hanno bisogno di far crescere l’industria dell’energia eolica statunitense.
Ad esempio, Cooperman ha già utilizzato il REMPD per analizzare come la crescita nel settore dell’energia eolica statunitense potrebbe aumentare la domanda di due parti specifiche di una turbina eolica, il mozzo (che immagazzina il generatore e supporta le pale) e il basamento (che collega il mozzo alla torre). Entrambi sono realizzati in ghisa pesante. E sebbene gli Stati Uniti installino circa 5.000 di questi componenti in ghisa ogni anno, per raggiungere gli obiettivi di energia pulita del paese, tale numero deve aumentare a 12.000-20.000 all’anno nel prossimo decennio, ha affermato Cooperman. Praticamente tutte queste parti sono attualmente importate; tuttavia, la crescente domanda potrebbe presentare opportunità per i produttori nazionali se i processi di produzione innovativi sono in grado di mitigare i costi e le barriere ambientali.
Le turbine eoliche non sono l’unica tecnologia che necessita di fibra di carbonio
Due persone in abbigliamento protettivo in piedi in un impianto di produzione accanto a strati di materiale in uno stampo a turbina.
“Il REMPD è una risorsa unica nel suo genere per comprendere la quantità e il tipo di materiali che entrano nelle centrali eoliche e solari”, ha affermato Annika Eberle di NREL, la ricercatrice principale che ha sviluppato il REMPD. “Il database consente inoltre agli utenti di esplorare la disponibilità nazionale e globale di ciascun materiale e valutare i potenziali rischi di fornitura”. La fibra di carbonio, utilizzata per rinforzare le pale delle turbine eoliche (come quella raffigurata al Flatirons Campus di NREL), ad esempio, viene utilizzata in automobili, aeroplani e persino articoli per la casa comuni, come biciclette, mazze da hockey e mazze da golf. Foto di Samantha Rooney, NREL.
L’energia rinnovabile deve anche affrontare la concorrenza di altri settori per forniture limitate di alcuni tipi di materiali. La fibra di carbonio, utilizzata per rinforzare le pale delle turbine eoliche, ad esempio, viene utilizzata in automobili, aeroplani e persino articoli per la casa comuni, come biciclette, mazze da hockey e mazze da golf. E gli elementi delle terre rare, come il neodimio, il disprosio e il praseodimio utilizzati nei generatori di turbine eoliche, non sono in realtà rari, come potrebbe suggerire il loro nome, ma sono molto richiesti e vulnerabili alle interruzioni della catena di approvvigionamento. Questi metalli sono utilizzati anche nei telefoni cellulari, nei dischi rigidi dei computer e nei sistemi di guida. E la maggior parte degli elementi delle terre rare necessari per costruire le turbine eoliche sono attualmente importati dalla Cina, secondo il REMPD.
Nonostante queste sfide, il team di ricerca ha scoperto che la diffusione annuale dell’energia eolica negli Stati Uniti tra il 2020 e il 2050 richiederebbe meno del 5% di ciò che il mondo produce oggi per la maggior parte dei materiali comuni e vulnerabili identificati. Ma non sono tutte buone notizie. Nello scenario “High Deployment”, la domanda dei metalli delle terre rare disprosio e neodimio potrebbe superare il 10% dell’attuale produzione globale entro il 2042 e la domanda di fibra di carbonio e legno di balsa potrebbe superare le attuali forniture globali prima del 2030.
“Prevediamo che la domanda di fibra di carbonio crescerà rapidamente con il crescente dispiegamento di energia eolica, soprattutto perché le pale si allungano e utilizzano più fibra di carbonio”, ha affermato Eberle. “Entro il 2025, il nostro scenario di High Deployment prevede che i nuovi impianti di energia eolica negli Stati Uniti potrebbero utilizzare più fibra di carbonio in un anno rispetto a quella attualmente prodotta negli Stati Uniti. Anche la domanda dell’industria dell’energia eolica potrebbe iniziare a superare l’attuale produzione interna di nichel, fibra di vetro e acciaio elettrico in quel lasso di tempo.
Per assicurarsi che la domanda non superi l’offerta, il team ha identificato diverse strategie, inclusi suggerimenti per l’industria dell’energia eolica per:
- Aumentare la produzione interna di questi materiali ad alta richiesta
- Diversificare e aumentare le fonti di importazione
- Ridurre il fabbisogno di materiali sostituendo materiali alternativi o rendendo i componenti più leggeri
- Trova modi per sostituire gli input di materiale vergine con materiali riciclati o componenti riutilizzati.
Alcuni tipi di tecnologie per l’energia eolica potrebbero anche contribuire ad alleviare la pressione sulle forniture globali di materiali. I sistemi a torre ibridi, ad esempio, utilizzano più cemento e meno acciaio ad alta richiesta. E i progetti di generatori alternativi potrebbero incorporare materiali diversi dai metalli delle terre rare.
Una prospettiva soleggiata per l’energia rinnovabile
In futuro, il REMPD potrebbe essere utilizzato anche per eseguire analisi del ciclo di vita sia per l’industria dell’energia eolica che per quella solare. I ricercatori potrebbero utilizzare il database, ad esempio, per comprendere meglio quali materiali, metodi di produzione e processi di riciclaggio o riciclaggio potrebbero aiutare le industrie a ridurre le loro impronte di carbonio e la quantità di nuovi materiali necessari.
sebbene il Materiali utilizzati nelle tecnologie per l’energia eolica degli Stati Uniti: quantità e disponibilità per due scenari futuri relazione si concentra sull’industria dell’energia eolica statunitense, il REMPD include anche i materiali necessari per costruire le future centrali solari. Il database è strutturato per consentire future espansioni che potrebbero includere altre tecnologie di energia rinnovabile, come impianti geotermici e sistemi di accumulo di energia a batteria, nonché informazioni sulle emissioni e gli impatti ambientali associati all’utilizzo dei materiali.
“L’attuale REMPD è solo l’inizio”, ha detto Marquis. “Questo database può essere uno strumento prezioso per il paese per la transizione strategica verso un futuro di energia pulita al 100%”.
Guarda quali dati puoi trovare nel database delle proprietà dei materiali di energia rinnovabile e iscriviti alla newsletter sull’energia eolica di NREL per ricevere altre notizie come questa. Scopri le nozioni di base sulle energie rinnovabili.
Articolo di NREL.
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