Sviluppo sostenibile
Edilizia
Fotovoltaico
Solare Termico
Geotermico
Biomasse
Eolico
Idroelettrico
Mobilità
Home » Articoli, Fotovoltaico

I materiali della green economy: le terre rare

Print Friendly

Il ruolo strategico delle terre rare
Terre rare: definizione
Impieghi delle terre rare
Andamento della produzione e dei consumi mondiali di terre rare
Applicazioni delle terre rare
I sette punti della politica cinese sulle terre rare
Cenni conclusivi


I cambiamenti e trasformazioni che hanno caratterizzato l’industria degli ultimi 50 anni condizionano ormai le economie, gli sviluppi industriali e sociali sia su scala planetaria che su scala locale. Lo stesso vale per l’apertura dei mercati a livello globale e il vincolo dello sviluppo sostenibile con il suo corollario di risorse finite da impiegare al meglio, in particolare quelle che presentano valenza strategica.

Questi cambiamenti sono stati così repentini e pervasivi che molti organismi, infrastrutture, paesi, imprese ed individui si sono trovati emarginati o comunque impreparati ad affrontare tali evoluzioni e a coglierne tempestivamente le opportunità, perdendo troppo sovente la visione e la comprensione delle trasformazioni in atto, nonché la capacità di reagire e di affermare un loro contributo al processo.
La nuova frontiera che è stata investita, già da circa un decennio, dagli sconvolgimenti in corso è quella della Green Economy. Ed ecco che finalmente si prende coscienza della necessità di un nuovo modello di sviluppo industriale e sociale basato sullo sfruttamento di nuove tecnologie, a basso impatto ambientale, a minor consumo energetico, sostituendo risorse a rischio o in via prospettica in esaurimento, quali il petrolio, con risorse alternative di natura rinnovabile. La Green economy è stata infine riconosciuta nelle assisi internazionali, da UE, USA, Cina, India e Brasile come l’unica risposta praticabile alla crisi finanziaria ed industriale, e come elemento centrale di ogni strategia di sviluppo sostenibile.

Il ruolo strategico delle terre rare
Se appare chiaro che il phasing out dell’era del petrolio occuperà un arco di almeno 20-30 anni (vedi ad esempio WEO 2009 e WEO 2010 [1]), si ha ancora difficoltà a percepire che le nuove tecnologie nel settore dell’energia, dei trasporti, delle telecomunicazioni, dell’informatica, dell’elettronica di consumo o anche della difesa, poggiano su specifiche materie prime, semilavorati e manufatti strategici di diversa natura, il cui controllo delle riserve e giacimenti minerari, della capacità estrattive e di raffinazione, di produzione e di innovazione è alla base della leadership che si potrà affermare nei prossimi decenni su scala mondiale.
Tali materie prime, ritenute allo stato delle conoscenze non sostituibili, corrispondono a composti con contenuti, in proporzioni variabili e con diverso grado di purezza, di elementi chimici corrispondenti alla serie delle terre rare. Aggiungiamo anche a queste materie strategiche il Litio, sul quale sono basate le batterie di nuova generazione che trovano la loro applicazione nello sviluppo dell’auto elettrica, candidata a sostituire nel medio termine l’auto con motore a combustione interna [2].
A sottolineare l’importanza strategica delle terre rare è la costatazione che questa voce, con riferimento alla stabilità dei costi e alla garanzia delle forniture, ha figurato ripetutamente nel corso degli ultimi mesi in agenda in tutte le conferenze internazionali e in incontri bilaterali/multilaterali a livello di capi di stato.
Nel seguito cercheremo di chiarire le capacità produttive (estrazione, raffinazione, lavorazione) di queste materie prime, le principali applicazioni sia consolidate sia in sviluppo, e a tracciare alcune considerazioni sui futuri equilibri geopolitici che potrebbero scaturire dal controllo del ciclo di prodotti ad alta tecnologia basati sulle terre rare ed altri composti strategici.

Terre rare: definizione
Con la denominazione di “terre rare” si designa un gruppo di 17 elementi chimici della tavola periodica degli elementi, comprendente la serie dei lantanidi, oltre allo Scandio ed Ittrio, recentemente designati “Green elements”.
Vengono anche evidenziati nella figura altri metalli rari, Litio, Berillio, Gallio, Germanio, etc di crescente impiego, come le terre rare, con lo sviluppo di tecnologie avanzate e che sono richiesti per la realizzazione di processi e prodotti industriali innovativi e High tech, con applicazioni sia in numerosi settori industriali di punta che nella fabbricazione di beni di consumo di massa.
Con riferimento a questi altri metalli rari, ed in particolare sul litio in ragione della sua importanza e del suo essenziale contributo alla Green Economy (il suo ruolo essendo strettamente legato allo sviluppo dell’auto ibrida ed elettrica negli anni a venire), ci riserviamo di presentare una prossima messa a punto.

energheia_terre_rare1

Le terre rare sono relativamente abbondanti nella crosta terrestre. Dopo estrazione, separazione e purificazione del minerale esse vengono trattate e commercializzate sotto forma di ossidi, carbonati, cloruri, fluoruri, boruri, nitrati, idrossidi, o sotto forma metallica, allo stato puro o in lega. I semilavorati vengono quindi utilizzati nelle più svariate applicazioni high tech e concorrono alla fabbricazione di prodotti sia di larghissimo consumo sia specialistici, incidendo anche fino al 5-12% sul valore del prodotto.

Impieghi delle terre rare
Le terre rare, per le loro particolari proprietà chimico-fisiche trovano sempre più impiego in moltissimi comparti industriali e nella realizzazione di prodotti innovativi.

metallurgia
– disossidanti nei processi siderurgici e metallurgici

– elementi di lega in leghe speciali con particolari proprietà strutturali o funzionali
– rivestimenti superficiali anticorrosione, antiabrasione, barriere termiche

ceramurgia
– conferire alla ceramica specifiche proprietà funzionali (chimiche, elettrochimiche, elettriche, magnetiche) e/o strutturali (resistenza meccanica, resistenza alla fatica, etc.).

petrolchimica, chimica fine, farmaceutica
– catalizzatori nei processi trattamento del petrolio greggio

elettronica, informatica, elettronica di consumo
– microprocessori, unità a disco, schermi televisivi, fosfori, motori, microfoni e altoparlanti miniaturizzati

telecomunicazioni, fibre ottiche, antenne a banda larga
– fibre ottiche

– guide d’onda
– antenne
– dispositivi radar

illuminotecnica
– lampade fluorescenti a basso consumo

– lampade a LED

automobilistico
– batterie

– motori elettrici
– dispositivi di recupero energia di frenata
– ricoprimenti superficiali
– marmitte catalitiche

ottica di precisione
– lappatura di precisione dei cristalli

– film superficiali e ricoprimenti speciali

laser e strumentazione speciale
– laser di potenza

– dispositivi laser di guida intelligente

materiali
– materiali per pannelli fotovoltaici

– motori per impianti eolici e turbine idrauliche
– materiali elettrodici e catalizzatori per pile a combustibile
– materiali per accumulo di energia
– materiali superconduttori
– materiali per l’accumulo di Idrogeno

tecnologie ambientali
– filtri per la purificazione delle acque
– processi di conversione catalitica

 
Impieghi per classi di prodotti
Catalysts
Petroleum refining

Chemical processing
Catalytic converter
Diesel additives
Industrial pollution scrubber
Electronics
Display phosphors (CRT, PDP, LCD)

Medical imaging phosphors
Lasers
Fiber optics
Optical temperature sensors
Glass
Polishing compounds

Optical glass
UV resistant glass
X-ray imaging
Thermal control mirrors
Colorizers/Decolorizers
Ceramics
Capacitors

Sensors
Colorants
Scintillators
Metal Alloys
Hydrogen storage

— NiMH batteries
— Fuel cells
Steel
Lighter flints
Aluminum/Magnesium
Cast iron
Superalloys
Magnets
Motors

Disc drives & disk drive motors
Power generation
Actuators
Microphones & speakers
MRI
Anti-lock brake system
Automotive parts
Communication systems
Electric drive & propulsion
Frictionless bearings
Magnetic storage disk
Microwave power tubes
Magnetic refrigeration
Magnetostrictive alloys
Other
Water treatment

Nuclear control rods
Pigments
Fertilizer
Medical tracers
Coatings

Un altro settore di impiego di particolare rilevanza delle terre rare è quello della difesa. Le terre rare sono presenti su aerei supersonici, missili, satelliti, sistemi d’arma intelligenti, radar, sonar, sistemi di telecomunicazione, con particolare riferimento nella componentistica (trasduttori, sensori, dispositivi direzionali, sistemi di puntamento, fosfori, elettronica di controllo, etc.), nei materiali strutturali delle palette delle turbine a gas e nei rivestimenti protettivi (ricoprimenti anticorrosione, antierosione, scudi termici), nei sistemi ottici.

energheia_missile
Fonte: USGS, Rare Earths Overview & Defense Applications, 2005

Andamento della produzione e dei consumi mondiali di terre rare
L’andamento delle produzione internazionale di terre rare e dei consumi è raccolto nelle figure che seguono. I grafici, in assenza di dati omogenei e verificati, solo essenzialmente indicativi.

Produzione di terre rare

energheia_chinese

(Fonte US Geological Survey)

Consumi di terre rare

energheia_grafico

Con la chiusura delle attività di separazione e raffinazione USA del minerale di Mountain Pass in California – in conseguenza della crisi economica resta attiva solo una fase di prospezione e di valutazione economica – la produzione di terre rare nel 2009 a livello mondiale è ora quasi esclusivamente concentrata in Cina, che ha prodotto 120.000 tonnellate di ossidi di terre rare, pari al 97% della produzione mondiale.
Sono state registrati per il 2009 dal US Geological Survey i seguenti dati [3].

Produzione di ossidi di terre rare nel 2009
Paese produttore Produzione (T) %
Cina 120.000 96,8
India 2.700 2,2
Brasile 650 0,5
Malaysia 380 0,3
CIS [4] ND
Altri (Thailandia, etc.) ND
Produzione mondiale 124.000
ND: dato non disponibile
Localizzazione delle riserve mondiali [3] di ossidi di terre rare
Riserve mondiali (Tonnellate)
Stati Uniti 13.000.000
Australia 5.400.000
Brasile 48.000
Cina [5] 36.000.000
CIS 19.000.000
India 3.100.000
Malaysia 30.000
Altri Paesi 22.000.000
Totale 99.000.000
energheia_untitled

L’Ittrio, non compreso nelle statistiche sulle terre rare precedenti, riveste particolare importanza negli impieghi nel settore metallurgico (ricoprimenti protettivi e barriere termiche), per la fabbricazione dei fosfori e per applicazioni nel settore della difesa. l’US Geological Survey fornisce in merito a questo elemento e ai suoi composti i seguenti dati di produzione e stime delle riserve mondiali:

Paese Produzione 2009 (T) Riserve (T)
Australia 100.000
Brasile 15 2.200
Cina 8.800 220.000
India 55 72.000
Malaysia 4 13.000
Sri Lanka 240
Stati Uniti 120.000
Altri 17.000
Totale 8.900 540.000

Si può costatare come la Cina abbia attualmente il monopolio mondiale della produzione delle terre rare e consistenti riserve minerarie, condizionando in modo significativo lo sviluppo dei settori Hi tech e della Green Economy.
Nel 2010 la Cina ha ridotto la produzione di terre rare, per migliorare gli standard di protezione ambientale e per razionalizzare il sistema produttivo nazionale. Si è registrato nel contempo un notevole aumento dei consumi interni di terre rare. Il paese ha pertanto dovuto contingentare le esportazioni di terre rare, creando in particolare in Giappone e negli Stati Uniti forti tensioni commerciali e politiche che si sono anche riflesse nelle relazioni internazionali (WTO, G20). Il 12° piano quinquennale cinese (2011-2015) contiene tra l’altro progetti per il consolidamento della capacità de paese nel settore delle terre rare con particolare riferimento alle tecnologie di separazione e di purificazione. [6]

La più grande miniera di terre rare del mondo:
Bayan Obo (Baiyunebo), Mongolia interna, Cina
energheia_trattore energheia_piattaforma

A parte il settore dei magneti al Neodimio, la Cina si era limitata fino a qualche anno fa alla produzione delle polveri o dei semi lavorati. Da circa 10 anni, invece, è entrata massicciamente nella realizzazione di tutta le catena produttiva (vedi ad esempio Lampade fluorescenti e a LED, motori al neodimio, dispositivi elettronici, pannelli fotovoltaici, impianti eolici, turbine idrauliche), in particolare nelle produzioni al alto valore aggiunto. Questo spiega la crescita dei consumi interni in materia a scapito di una minore capacità di esportare le materie prime e semilavorati.

Evoluzione della struttura dei consumi di terre rare in Cina

energheia_consumiterraCina

Fonte: Chen Zhanheng, aprile 2010

energheia_mongolia

Baotou (Mongolia interna), Cina – Istituti di ricerca e sviluppo sulle terre rare

Applicazioni delle terre rare
Illuminazione
E stata riconosciuta a livello mondiale l’esigenza di realizzare consistenti riduzioni dei consumi di energia, migliorando l’efficienza dei processi e dei sistemi. Il settore dell’illuminazione rappresenta in particolare circa il 20% dei consumi elettrici USA. La sostituzione delle lampadine a incandescenza, con filamento, con lampadine ad elevata efficienza di conversione dell’energia elettrica in energia luminosa, senza o a bassa emissione di calore è la misura adottata recentemente in ambito internazionale e raccolta dalle Direttive europee.

Lampade a fluorescenza
Utilizzano le terre rare, in particolare Ittrio ed Europio. Migliorano del 25-40% la resa energetica del dispositivo di illuminazione.
energheia_lampada_fluo
LED e lampade LED
Basate sullo sviluppo del LED (Light Emitting Diode) nel 1962, la lampade LED sono caratterizzate da bassissimi consumi ed hanno vita lunghissima (oltre 100.000 ore). Esse convertono oltre il 90% dell’energia elettrica in energia luminosa, praticamente senza emissione di calore. A seconda della composizione impiegata si può definire il colore della luce. L’elemento base è costituito dal Gallio (Z=31).
energheia_led
Luminosità normale
GaP
GaN
GaAs; GaAIAs
Verde, Rosso
Blu
Rosso, Infrarosso
Luminosità super
GaAIAs
GaAsP
GaN
InGaN; GaP
Rosso
Rosso, Giallo
Blu
Verde
Luminosità ultra
GaAIAs
InGaAIP
GaN
InGaN
Rosso
Rosso, Giallo, Arancio
Blu
Verde

Domanda USA di Ossidi di terre rare (OTR) nel settore delle lampade fluorescentienergheia_tab_fluo

Veicoli elettrici ed ibridi
La prospettata riduzione dei consumi di combustibili fossili nel settore dei trasporti richiede lo sviluppo di auto ibride ed elettriche, dotate di capienti batterie elettriche al Nichel – Idruri metallici (NiMH), di motori elettrici e di un sistema di recupero dell’energia di frenata. Gli idruri metallici, i motori elettrici e i magneti sono fabbricati con terre rare. Si valuta che ogni auto richieda circa 15-16 kg di terre rare, di cui 12 kg per le sole batterie.
Al 2010 ad esempio, con un parco di auto ibride di 2.000.000 di unità, la domanda USA dovrebbe attestarsi sulle 25.000 tonnellate per i soli idruri metallici per batterie.
Il controllo delle emissioni con marmitta catalitica richiede anche terre rare per la fabbricazione dello strato catalitico che consente l’abbattimento delle emissioni inquinanti.
Si presenta nel seguito una tabella che riassume la domanda in ossidi di terre rare negli USA:

Domanda USA di Ossidi di terre rare (OTR) nel settore autoenergheia_tab_USA

Schermi di monitor e TV e videoproiettori
Lo schermo degli apparecchi TV è rivestito con dei fosfori che generano i colori primari rosso, blu e verde. Il rosso e il blu richiedono il ricorso all’Europio, mentre i fosfori per il verde sono ottenuti con il Terbio.

La lavorazione del vetro per la fabbricazione di schermi di apparecchi a raggi catodici, al plasma o a cristalli liquidi è basata da oltre 40 anni sulla molatura e lucidatura con Cerio, per le sue ottime caratteristiche di abrasione meccanica e di dissoluzione chimica.

Domanda USA di Ossidi di terre rare (OTR) nel settore elettronica di consumoenergheia_settelettr_


Memorie a disco
Magneti al Neodimio sono utilizzati nelle unità di memoria dei personal computers (CD-ROM, DVD, Hard disk drive), dove il movimento del braccio per la lettura/scrittura delle informazioni sul disco deve essere estremamente preciso.

La domanda per questa applicazione è compresa nella voce Magneti al Neodimio di impiego nei motori elettrici di cui alle applicazioni nel settore auto.

Lettori iPod e MP3
I magneti al Neodimio consentono migliori prestazioni rispetto a soluzioni alternative e nel contempo si prestano ad una miniaturizzazione spinta degli apparecchi.

I magneti al Neodimio consentono di raggiungere elevate prestazioni (rapida risposta dinamica, bassa distorsione complessiva del segnale) nelle cuffie auricolari, negli altoparlanti e microfoni di dimensioni ridotte.

Catalizzatori per processi di raffinazione di idrocarburi liquidi
Domanda USA di Ossidi di terre rare (OTR) nel settore petrolchimicoenergheia_petrolch

I sette punti della politica cinese sulle terre rare
1. Licenze minerarie. Tutte le imprese minerarie devono avere una licenza di estrazione conferita dal governo. Il livello di produzione deve seguire un piano concordato e da adeguare alle esigenze del mercato. Si incoraggiano le imprese cinesi ad investire nel settore delle terre rare all’estero.
2. Condizioni di accesso. Prima del 2015 non potrà essere approvato alcun (nuovo) progetto, né aumentata la capacità produttiva. Sono richiesti maggiori requisiti sulla scala produttiva, sulle dotazioni, sulle misure di protezione ambientale, sugli indicatori tecnici ed economici delle risorse e dell’energia. Le attuali imprese devono aumentare gli investimenti in R&S per migliorare la qualità del prodotto e conseguire una produzione più pulita. Si incoraggiano le applicazioni delle terre rare in prodotti High Tech e lo sviluppo del riciclo delle terre rare.
3. Esportazione. L’esportazione di terre rare è regolata da quote specifiche, in particolare per il Terbio e il Disprosio. E’ invece vietata l’esportazione di composti misti.
4. Importazione. Le terre rare rispondenti a precise specifiche possono essere importate. E’ invece vietata l’importazione di minerali di terre rare radioattivi o inquinanti o di residui di lavorazione di terre rare.
5. Tasse sull’export di terre rare. Il primo novembre 2006 è stata emanata una tassa sulle esportazioni di prodotti di terre rare, pari al 10%, ed entrata in vigore il !° maggio 2007.
6. Investimenti esteri. Sono proibiti gli investimenti esteri nelle imprese minerarie di terre rare. Sono consentite joint ventures, cooperazioni e investimenti nei progetti di processamento e raffinazione e sono incoraggiati investimenti stranieri in progetti di processamento, di sviluppo di nuovi materiali e di applicazioni delle terre rare.
7. Protezione ambientale. Le esigenze di una necessaria protezione ambientale si traducono con una normativa più stringente che richiederà un adeguamento tecnologico, comporterà un possibile aumento dei costi e che potrebbe portare alla chiusura di imprese di piccola e media dimensione.

Cenni conclusivi
Le terre rare e loro derivati sono da considerarsi materiali strategici in quanto consentono la fabbricazione di dispositivi essenziali per applicazioni High tech in moltissimi comparti industriali e per applicazioni di massa e di punta nel settore civile, come in quello della difesa.
Gli squilibri esistenti a livello di produzione mondiale e l’orientamento della Cina verso l’ingresso nel ciclo integrale di prodotto nel prossimo decennio, fanno presagire che produzione e commercio delle terre rare assumeranno una valenza geopolitica, condensata nella formula lapidaria attribuita nel 1992 a Deng Xiaoping: “Il Medio Oriente ha il petrolio, la Cina ha le terre rare”.
Gli indirizzi che ha varato recentemente il governo cinese in merito alla politica sulle terre rare meritano riflessione e si riassumono nei 7 punti elencati sopra. Si noterà il contingentamento delle esportazioni, portato secondo alcune fonti per i prossimi 6 anni ad totale complessivo di 35.000 tonnellate/anno con una particolare attenzione all’esportazione degli elementi più “rari” quali Disprosio, Terbio, Tulio, Lutezio e Ittrio. Significativo anche l’accento posto sulla qualità del prodotto, sulle misure di protezione ambientale, sullo sforzo di ricerca e sviluppo verso le applicazioni High end.
Gli operatori prospettano comunque uno sviluppo consistente del settore delle terre rare, sia in termini di produzione che di impiego. La Cina continuerà ad essere la principale fornitrice di prodotti di terre rare, ma aumenterà nel contempo i propri consumi interni per la trasformazione dei prodotti base in prodotti e sistemi a maggior valore aggiunto, tendenze ben evidenziate nei dati forniti da un operatore australiano, raccolti nel grafico che segue.

Andamento dell’offerta e della domanda di terre rare fino al 2015energheia_tab_domoff2015

Autore: Prof. Vittorio Regis, Presidente di Evalue Srl
Libero Docente in fisica nucleare, ha diretto un centro di ricerca industriale operante nel settore dei materiali, delle tecnologie energetiche e dell’ambiente.
In contatto con le Istituzioni europee, si occupa attualmente della valorizzazione dell’innovazione scientifica e tecnologica e del suo trasferimento sul mercato.
vittorio.regis@evalue.it

Note

[1] IEA, World Energy Outlook 2009, 10 novembre 2009; World Energy Outlook 2010, 9 novembre 2010.
[
2] Vedi ad esempio US Congress, Electric Vehicle Deployment Act of 2010, 27 maggio 2010, che prevede nel 2030 la circolazione negli Stati Uniti di una flotta di oltre 100 milioni di veicoli elettrici/ibridi.
[3] U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2010.
[4] Alcune stime recenti accreditano per la Russia e gli Stati Indipendenti ex URSS una produzione pari al 2% della produzione mondiale.
[5] Da fonte cinese, diverse dichiarazioni e articoli del 2010 danno per le riserve cinesi la valutazione di 27 Milioni di tonnellate.
[6] Lin Donglu, Beijing Review,41, 14 ottobre 2010.

Bibliografia sommaria
1. Rare Earths: an Introduction, Baotou National Rare Earths Hi-Tech Industrial Development Zone, November 2010
2. Research in China, China Rare Earths Industry Report, 2009
3. Chen Zhanheng, Outline of the Development and Policies of China Rare Earths Industry, Beijing,7 April 2010
4. Rare Earths Materials in the Defence Supply Chain, US Government Accountability Office, GAO 10-617R, 14 April 2010-11-22
5. J. B. Hedrick, Rare Earths Industry Overview & Defence Applications, 18 February 2005
6. US Geological Survey, 2008 Mineral Yearbook – Rare Hearths. October 2010-11-22 US Geological Survey, Mineral Commodities Summaries, January 2010-11-22
7. Marc Humphries, Rare Earth Elements: The Global Supply, Congressional Research Service 7-5700. 30 September 2010.

Si autorizza la riproduzione a fini non commerciali, con citazione obbligatoria della fonte e inserimento link a www.energheiamagazine.eu.

  • Facebook
  • Twitter
  • Add to favorites
  • Google
  • LinkedIn
  • Email
  • RSS