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 elettricaCWIEME Berlin. In questa occasione discutono delle sfide che caratterizzano il nostro rapporto con questo metallo antico.

La storia del rapporto tra l’umanità e il rame risale a circa 10.000 anni fa. I popoli del Neolitico utilizzarono per la prima volta 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 termine si trasformò in cuprum, da cui deriva la parola inglese «copper».

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

Perché il rame?

Nel percorso verso l’obiettivo “Net Zero”, l’elettricità è il nostro strumento principale e il rame è 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 trasferimento dell’energia che sostiene il percorso dell’umanità verso l’obiettivo “Net Zero”.

Più potenza, più velocità

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, un effetto collaterale della transizione verso l’energia verde è che ogni megawatt di elettricità destinata 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 dispersiva 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 dispone di un proprio generatore, mentre una centrale termica a carbone ne ha uno solo, in genere da 400 MW. Una produzione più dispersiva comporta inoltre la necessità di ampliare la rete elettrica per il trasferimento dell’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 necessita di una brezza costante e quella solare funziona solo durante le ore diurne. Per compensare i periodi naturali di bassa produzione, avremo bisogno di capacità produttive e di stoccaggio aggiuntive per stare al passo con la domanda, il che significa più rame per un maggior numero di impianti di energia rinnovabile. Questo è un altro motivo per cui abbiamo bisogno di una rete elettrica più solida: quanto più tutti i siti di generazione e consumo sono interconnessi, tanto più diventa facile 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 senza emissioni di carbonio per l’uso finale 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 quella necessaria per un veicolo alimentato da un motore a combustione interna.

Entro il 2040, l’energia elettrica pulita sarà il principale consumatore di rame, ma questo metallo viene utilizzato anche in alcuni sistemi non elettrici che contribuiscono alla transizione verso l’obiettivo “Net Zero”. Ad esempio, in quanto eccellente conduttore termico, il rame viene spesso impiegato negli impianti di riscaldamento e raffreddamento, come quelli presenti nelle pompe di calore, che stanno svolgendo un ruolo fondamentale nella riduzione dell’uso dei combustibili fossili per il riscaldamento.

Infine, la ricerca dell’efficienza energetica stessa richiede un uso intensivo di rame. Secondo la legge di Joule, l’energia persa 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, meno energia viene sprecata sotto forma di calore e, di conseguenza, più efficiente è il sistema. Ciò vale anche per gli avvolgimenti dei trasformatori e dei motori elettrici. In sostanza, più rame utilizziamo in ciascuna applicazione, più energia risparmiamo.

Ce n'è abbastanza?

L'Agenzia internazionale per l'energia ha pubblicato due scenari relativi alla domanda futura di rame. Lo scenario «Stated Policies Scenario» (STEPS) si basa su quanto i governi si sono già impegnati a realizzare, mentre lo scenario «Sustainable Development Scenario» (SDS), 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 una quantità di rame sufficiente a 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 invece la transizione verso l’energia verde e il miglioramento degli standard di vita globali. Attualmente disponiamo di riserve di rame sufficienti per circa 41 anni — ovvero il rame presente nel sottosuolo delle miniere operative — e di risorse previste, ma attualmente non sfruttate, sufficienti per un massimo di 250 anni.

Sorprendentemente, il numero di anni di riserve di rame è rimasto pressoché invariato per decenni. Proprio come nel caso del petrolio, più il rame si fa raro, maggiori sono gli sforzi profusi per trovarne altro.

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 essere 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 ambito di ricerca è il grafene, che è anch’esso tre volte più leggero del rame ma più di due volte più conduttivo ed è composto da carbonio, un elemento dieci volte più abbondante. Si tratta di una materia 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 per oltre 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 ambientale

È fondamentale massimizzare il riciclaggio del rame per mantenere in circolazione il rame secondario. Le proprietà del rame elettrico, come la purezza, ne favoriscono il riciclaggio, che ha un impatto ambientale 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 prevista per il 2040. Inoltre, i rottami post-consumo diventano disponibili solo al termine del ciclo di vita delle apparecchiature, che per un trasformatore, ad esempio, è di circa 30 anni.

Rame verde

Per ora, almeno, lo sfruttamento delle risorse esistenti per l’estrazione del rame primario è essenziale. Infatti, senza l’attività mineraria non può esserci il “Net Zero”. Sebbene un’attività mineraria a impatto zero sia impossibile, essa deve essere responsabile — un delicato equilibrio tra sfide economiche, ambientali, politiche e sociali.

In alcuni casi, è difficile raggiungere tale 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 a livello nazionale, 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, costringendola a cessare le attività 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 vantaggi 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 percentuale 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 zero emissioni nette per le emissioni di Scope 1 e 2 entro il 2050. Oppure si consideri The Copper Mark, uno standard settoriale volto a promuovere 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 dalla 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 utilizzarlo per altre migliaia di anni: forse la sua epoca di massimo splendore deve ancora arrivare.