Raggiungere l’obiettivo «Net Zero» entro il 2050 significa, in sostanza, eliminare completamente i combustibili fossili in meno di 30 anni. Non possiamo farlo senza il rame, affermano Bruno De Wachter e Fernando Nuño, rappresentanti dell’International Copper Association e membri del comitato consultivo della fiera internazionale fiera internazionale dell'ingegneria elettrica, CWIEME Berlin. Qui discutono delle sfide che il nostro rapporto con questo metallo antico deve affrontare.

La storia dell’umanità legata al rame risale a circa 10.000 anni fa. I popoli del Neolitico utilizzarono per primi il rame nativo per realizzare utensili, armi e oggetti decorativi, mentre la fusione del rame diede inizio all’Età del Bronzo circa 5.000 anni fa. I Romani lo importavano principalmente da Cipro, chiamandolo aes cyprium, "metallo di Cipro". Successivamente il nome si trasformò in cuprum, da cui deriva la parola inglese copper.

In epoca romana, il rame veniva utilizzato principalmente per le monete dell'impero e per la produzione di ottone destinato a usi specifici, quali oggetti ornamentali e alcuni aspetti dell'idraulica e dell'architettura. Oggi, invece, oltre i due terzi (il 70%) della produzione moderna di rame è destinata alle applicazioni elettriche. Il rame è presente in ogni fase del sistema elettrico: nella generazione, nella trasmissione e nell'utilizzo dell'energia.

Perché il rame?

Nel percorso verso l'obiettivo "Net Zero", l'elettricità è il nostro strumento principale e il rame costituisce la spina dorsale del nostro sistema elettrico.

Il rame è il secondo metallo più conduttivo conosciuto dopo l'argento ed è più conduttivo dell'oro, ma la scarsità e il prezzo di questi due metalli preziosi li rendono inadatti alle milioni di tonnellate necessarie per una rete energetica globale. Le proprietà fisiche del rame, come la sua duttilità e la resistenza alla corrosione, lo rendono ideale per innumerevoli componenti quali cavi, connettori e bobine. Infine, è il 25° elemento più abbondante nella crosta terrestre e può essere riciclato senza alcuna perdita significativa di qualità.

Le proprietà uniche del rame ne consolidano la posizione di materiale indispensabile per l'elettrificazione, il sistema di trasmissione dell'energia che è alla base del percorso dell'umanità verso l'obiettivo "Net Zero".

Più potenza, più veloce

Con lo sviluppo delle infrastrutture elettriche e il miglioramento del tenore di vita in tutto il mondo, avremo naturalmente bisogno di più megawatt di energia per soddisfare la domanda. Tuttavia, una conseguenza della transizione verso l’energia verde è che ogni megawatt di elettricità destinato all’uso finale richiederà un impiego maggiore di rame rispetto alle alternative basate sui combustibili fossili.

Il motivo principale è che la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili è molto più frammentata rispetto alla produzione termica convenzionale da combustibili fossili, il che la rende più dispendiosa in termini di materiali. Ad esempio, ogni turbina eolica da 1 a 5 MW è dotata di un proprio generatore, mentre una centrale termica a carbone dispone di un unico generatore, solitamente da 400 MW. Una produzione più frammentata comporta inoltre la necessità di ampliare la rete elettrica per trasportare l'energia dal luogo di produzione a quello di consumo.

Inoltre, la produzione di energia elettrica da fonti sostenibili dipende spesso dalle condizioni meteorologiche. Mentre il carbone può essere bruciato quasi 24 ore su 24, 7 giorni su 7, l’energia eolica richiede un vento costante e quella solare funziona solo durante le ore diurne. Per compensare i periodi naturali di bassa produzione, avremo bisogno di capacità produttiva e di stoccaggio aggiuntive per stare al passo con la domanda, il che significa più rame per più sistemi di energia rinnovabile. Questo è un altro motivo per cui abbiamo bisogno di una rete più forte: migliore è l'interconnessione tra tutti i siti di generazione e consumo, più facile diventa attingere all'elettricità da dove è disponibile in quel momento.

La produzione è una cosa, ma l'obiettivo "Net Zero" implica la decarbonizzazione dell'energia anche all'altra estremità della catena: l'utente finale. Un'energia di consumo finale a zero emissioni di carbonio nel settore dei trasporti, ad esempio, significa un maggior numero di veicoli elettrici, ma ciascuno di essi richiede una quantità di rame 2-3 volte superiore rispetto a un veicolo alimentato da un motore a combustione interna.

Entro il 2040 l'energia elettrica pulita sarà il principale settore di consumo del rame, ma questo metallo viene impiegato anche in alcuni sistemi non elettrici che favoriscono la transizione verso l'obiettivo "Net Zero". Ad esempio, grazie alle sue eccellenti proprietà di conducibilità termica, il rame viene spesso utilizzato negli impianti di riscaldamento e raffreddamento, come quelli presenti nelle pompe di calore, che svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione dell'uso dei combustibili fossili per il riscaldamento.

Infine, la ricerca dell'efficienza energetica richiede di per sé un uso massiccio di rame. Secondo la legge di Joule, l'energia dispersa sotto forma di calore in un cavo elettrico è proporzionale alla resistenza, e la resistenza è inversamente proporzionale al diametro del cavo: quindi, più un cavo di rame è spesso, minore è l'energia dispersa sotto forma di calore e, di conseguenza, maggiore è l'efficienza del sistema. Ciò vale anche per gli avvolgimenti dei trasformatori e dei motori elettrici. In sostanza, più rame utilizziamo in ogni applicazione, maggiore è il risparmio energetico.

Ce n'è abbastanza?

L'Agenzia internazionale per l'energia ha pubblicato due scenari per la domanda futura di rame. Lo scenario STEPS (Stated Policies Scenario) si basa su quanto i governi si sono già impegnati a fare, mentre lo scenario SDS (Sustainable Development Scenario), più ambizioso, si basa sul raggiungimento dell'obiettivo Net Zero entro il 2050. Entrambi gli scenari prevedono un aumento della domanda annuale di rame fino a 40 Mt entro la metà del secolo (dai circa 26 Mt attuali), nel 2050 per lo scenario STEPS e nel 2040 per lo scenario SDS.

Considerando queste cifre impressionanti, è naturale chiedersi se la Terra disponga di rame a sufficienza per soddisfare il nostro fabbisogno. La risposta breve è sì. Esistono risorse sufficienti per sostenere la transizione energetica e soddisfare le esigenze della società. La domanda è: riusciremo a estrarre quel rame con la rapidità necessaria per allinearci agli obiettivi STEPS o SDS?

La produzione primaria di rame si attesta attualmente a 22 milioni di tonnellate (Mt) all’anno. Insieme ai 4 Mt di rame riciclato, ciò soddisfa l’attuale domanda di 26 Mt. La domanda è cresciuta di circa il 3,3% all’anno per oltre un secolo, raddoppiando all’incirca ogni 30 anni. In passato, i fattori trainanti della domanda di rame erano la crescita demografica, la diffusione dell’elettrificazione e il consumo di energia elettrica. Oggi sono la transizione verso l'energia verde e il miglioramento degli standard di vita globali. Attualmente disponiamo di riserve di rame pari a circa 41 anni – rame presente nel sottosuolo delle miniere operative – e di risorse previste, ma attualmente non sfruttate, pari a 250 anni.

Sorprendentemente, la durata delle riserve di rame in anni è rimasta pressoché invariata da decenni. Proprio come per il petrolio, più scarseggiano, maggiori sono gli sforzi profusi per trovarne di nuove.

Potrebbe essere possibile ridurre la nostra dipendenza dal rame sviluppando alternative come l'alluminio. L'alluminio è circa tre volte più leggero del rame, quindi potrebbe rivelarsi vantaggioso, ad esempio, per le linee elettriche aeree. D'altra parte, nelle applicazioni in cui lo spazio e il peso sono limitati, il maggiore volume di alluminio e della struttura circostante necessario per garantire la stessa funzionalità del rame lo rende inadatto.

Un altro campo di ricerca è il grafene, che è tre volte più leggero del rame ma più di due volte più conduttivo ed è composto da carbonio, che è dieci volte più abbondante. È promettente, ma gli impieghi del grafene nell'industria elettrica sono un campo attualmente dominato dalla ricerca e probabilmente ci vorranno decenni prima che il grafene diventi un'alternativa diffusa al rame.

Se la crescita dovesse proseguire ai ritmi storici e la produzione di rame aumentasse di conseguenza, come è avvenuto negli ultimi 100 anni, non ci sarebbe nulla di cui preoccuparsi. Nel frattempo, si stanno introducendo cambiamenti nel modo in cui produciamo il rame.

Produzione a basso impatto

È fondamentale massimizzare il riciclaggio del rame per mantenere in circolazione il rame secondario. Le proprietà del rame elettrico, come la purezza, favoriscono il riciclaggio, che ha un impatto molto minore rispetto all'estrazione mineraria. Tuttavia, l'attuale riciclaggio dei rottami pre- e post-consumo (10 Mt) soddisfa solo un terzo della domanda odierna e un quinto della SDS del 2040. Inoltre, i rottami post-consumo diventano disponibili solo dopo che la durata di vita delle apparecchiature è terminata, circa 30 anni per un trasformatore, ad esempio.

Rame verde

Per il momento, almeno, lo sfruttamento delle risorse esistenti per l'estrazione del rame grezzo è fondamentale. Infatti, senza l'attività mineraria non è possibile raggiungere l'obiettivo "Net Zero". Sebbene non sia possibile un'estrazione a impatto zero, l'attività mineraria deve essere responsabile, ovvero deve garantire un delicato equilibrio tra le sfide economiche, ambientali, politiche e sociali.

In alcuni casi, è difficile trovare questo equilibrio, come dimostra la chiusura di una delle più grandi miniere di rame a cielo aperto del mondo alla fine del 2023. In risposta alle proteste nazionali, che andavano dalle preoccupazioni ambientali ai sospetti di corruzione, la Corte Suprema di Panama ha dichiarato incostituzionale il contratto della società mineraria canadese First Quantum Minerals presso Cobre Panama e l’ha costretta a cessare le operazioni della miniera. Il sito di Donoso impiegava 7.000 persone, rappresentava circa il cinque per cento del prodotto interno lordo di Panama e l'uno per cento della produzione mondiale di rame.

La collaborazione internazionale e la condivisione di idee e competenze in occasione di eventi come CWIEME Berlinaiutano il settore a collaborare e a fare la propria parte per massimizzare i benefici dell'uso del rame e ridurre l'impatto ambientale della sua produzione.

Ad esempio, lo 0,2% delle emissioni globali di carbonio deriva dal ciclo produttivo del rame, dall’estrazione alla raffinazione e alla produzione. Sebbene tale cifra sia di gran lunga inferiore alle emissioni che il rame contribuisce a evitare, i membri dell’International Copper Association si sono impegnati a raggiungere l’obiettivo di azzerare le emissioni nette di Scope 1 e 2 entro il 2050. Oppure si consideri The Copper Mark, uno standard a livello di settore volto a incoraggiare la produzione, l’approvvigionamento e il riciclaggio responsabili del rame e di altri metalli critici. Basata su 32 indicatori, la certificazione è concepita per coprire tematiche sociali e ambientali, dall’impegno sociale e la prevenzione del lavoro minorile all’uso responsabile dell’acqua e alla gestione delle risorse.

Da migliaia di anni l'uomo utilizza il rame per migliorare la propria vita e, con il giusto approccio, potremo continuare a farlo per altre migliaia di anni: forse il suo periodo di massimo splendore deve ancora arrivare.