Terre rare: cosa sono, a cosa servono e come uscire dalla dipendenza cinese

Ormai non passa giorno che, in tv, sui giornali o nei social network non veniamo messi in guardia sul problema delle “terre rare”, del quasi monopolio cinese nell’estrazione e raffinazione di queste famose terre rare e della recentissima guerra commerciale Cina-Usa su di esse.

Cosa sono le “terre rare”

Ma cosa sono le “terre rare” e, soprattutto, a cosa servono? Esse sono un gruppo di 17 elementi della tavola periodica degli elementi di Mendeleev che condividono proprietà chimiche simili.

Esse sono:

1. Scandio (Sc)
2. Ittrio (Y)
3. Lantanio (La)
4. Cerio (Ce)
5. Praseodimio (Pr)
6. Neodimio (Nd)
7. Promezio (Pm)
8. Samario (Sm)
9. Europio (Eu)
10. Gadolinio (Gd)
11. Terbio (Tb)
12. Disprosio (Dy)
13. Olmio (Ho)
14. Erbio (Er)
15. Tulio (Tm)
16. Itterbio (Yb)
17. Lutezio (Lu)

Come vedete, le terre rare non comprendono né il litio, né la grafite e né il cobalto, come invece questi ultimi vengono erroneamente fatti passare sui media, contribuendo così a creare solo confusione nella mente degli ascoltatori / lettori.

A cosa servono

Le terre rare hanno proprietà magnetiche, ottiche ed elettriche eccezionali che le rendono essenziali per applicazioni ad alta tecnologia. A dispetto del loro nome, non sono in realtà “rare” in termini di scarsità di reperimento ma sono di difficilissima estrazione in concentrazioni economicamente vantaggiose poiché si trovano disperse in altri minerali complessi.

La loro estrazione è infatti costosa e notevolmente inquinante a causa dei processi chimici intensivi e della presenza di elementi radioattivi come torio e uranio nei giacimenti.

Il loro utilizzo riveste importanza fondamentale in settori come quello elettronico (schermi, LED, componenti interni alle batterie ricaricabili), automotive (motori elettrici per veicoli ibridi ed elettrici), medicina (imaging a risonanza magnetica), industria militare (sistemi radar, laser, comunicazioni).

I magneti permanenti

Ultima applicazione ma non meno importante, alcune terre rare entrano nella fabbricazione dei magneti permanenti, i più diffusi e stabili di tutti sono quelli a base di neodimio-ferro-boro con aggiunte di disprosio e/o praseodimio per migliorare la resistenza alle alte temperature e la cosiddetta “coercitività”, cioè la capacità di mantenere il magnetismo.

Gli elementi in questione vengono portati alla temperatura di fusione, ottenendo così una lega metallica che viene successivamente finemente polverizzata. La polvere così ottenuta viene pressata in stampi sotto un forte campo magnetico, di solito di intensità di circa 2 Tesla, per conferire una polarizzazione preliminare ai grani magnetici.

La polvere pressata viene inoltre sinterizzata, cioè riscaldata in forno sottovuoto a circa 1000-1100 °C per compattare i grani in un blocco solido, e lavorata per ottenere la forma finale voluta con le precisioni necessarie. Infine, Il magnete viene sottoposto a un campo magnetico intenso (fino a 3-4 Tesla) per attivare le sue proprietà magnetiche permanenti. Questo passaggio finale allinea i domini magnetici nella direzione voluta.

Magneti permanenti nell’industria eolica

È proprio sui magneti permanenti che si gioca la partita dell’eolico per scelte fatte dai costruttori antecedenti agli sconvolgimenti geopolitici iniziati con la pandemia Covid e poi proseguiti con lo scoppio della guerra Russa-Ucraina e, ultimamente, con l’avvento dell’amministrazione Trump negli Usa e le conseguenti tensioni commerciali con la Cina.

Più in particolare, la questione verte sull’abbandono generalizzato, da parte dei principali player del settore, dell’uso dei buoni vecchi generatori elettrici asincroni in favore dell’adozione dei molto più performanti generatori sincroni multipolari a magneti permanenti, noti anche con la sigla PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generators).

Ma procediamo con ordine e cerchiamo di capire come sempre le cose dall’inizio.

1. Turbine eoliche tradizionali

L’evoluzione delle turbine eoliche ad asse orizzontale, dette anche HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines), ha visto per lunghi decenni prevalere la configurazione classica della catena cinematica composta da:

– Pale (rotore) + mozzo

– Albero lento

– Moltiplicatore di giri

– Albero veloce

– Generatore asincrono

– Interruttore generale di connessione a rete

Una volta collegata alla rete, tuttavia, questa soluzione semplicissima ha lo svantaggio di avere la velocità angolare del rotore pressoché inchiodata al valore di sincronismo dettato dalla frequenza di rete, a meno dello scorrimento del generatore asincrono (qualche %), secondo la formula:

g_l = (60 ∙ f) / (p ∙ τ)

Essendo:

g_l = giri al minuto albero lento [rpm]

f = freq uenza di rete, in Europa 50 [Hz]

p = numero di coppie polari del generatore, di solito 2

τ = rapporto di trasmissione del moltiplicatore di giri

Ad esempio, nel caso di 2 coppie polari e τ = 100, quando la turbina è in produzione ed è collegata direttamente alla rete, i giri al minuto di sincronismo del rotore sono:

g_l = (60 ∙ 50) / (2 ∙ 100) = 15 rpm = 1,57 rad/s

che, a meno di uno scorrimento solitamente nel range (0 – 10%), si traducono in un range di variazione 15 – 16,5 rpm ≡ 1,57 – 1,73 rad/s

Dovete poi sapere che la curva di rendimento aerodinamico del rotore dipende unicamente dal profilo alare delle pale e presenta generalmente un massimo in corrispondenza del cosiddetto TSR (tip-speed ratio) = 7

Essendo TSR (detto anche “λ”) il rapporto:

λ = ω ∙ L / w

Dove:

ω = velocità di rotazione del rotore (rad/s)

L = lunghezza di pala (metri)

w = velocità del vento al mozzo (m/s)

Nel caso in cui la turbina abbia le pale lunghe 40 metri, il rendimento aerodinamico è massimo per una velocità del vento al mozzo di 9 m/s. Tuttavia, per tutti gli altri valori di velocità del vento, essa produce energia sempre con rendimenti aerodinamici inferiori.

2. Turbine eoliche a giri variabili

Per ovviare all’inconveniente visto sopra, un miglioramento significativo è consistito nello svincolare il rotore dai giri fissi del sincronismo della rete frapponendo tra quest’ultima e il generatore un convertitore di frequenza in modo da far lavorare il rotore sempre al massimo rendimento aerodinamico variando la velocità angolare del rotore secondo la formula:

ω = λ_max / L ∙ w

lasciando cioè che la velocità angolare del rotore vari proporzionalmente alla velocità del vento secondo la costante di proporzionalità (λ_max / L).

In tale configurazione, il generatore asincrono può lavorare in un ampio range di frequenza perché il convertitore di frequenza, ricevendo in ingresso le grandezze elettriche sinusoidali a frequenza variabile, le converte sempre a 50 Hz, idonee cioè ad essere immesse in rete.

Questa è la configurazione più diffusa attualmente per le turbine eoliche di media-grande taglia installate sulla terraferma. Tuttavia, oltre a perdite aggiuntive nel convertitore di frequenza, anche questa configurazione presenta un inconveniente di fondo, e cioè che il generatore asincrono, costruito generalmente per essere ottimizzato per lavorare alla frequenza nominale di 50 Hz, si trova invece a lavorare per molta parte del tempo a frequenze anche significativamente differenti, con conseguenti maggiori perdite sotto forma di calore nel rame e nel ferro.

3. Turbine eoliche a giri variabili con PMSG

La soluzione più brillante che risolve al tempo stesso il problema delle perdite nel generatore ed elimina un componente meccanico soggetto a rottura, il moltiplicatore di giri, è quella basata sui generatori multipolari a magneti permanenti “direct drive”, calettati cioè direttamente sul rotore della turbina.

Un generatore multipolare a magneti permanenti (PMSG) è un generatore sincrono in cui il campo magnetico del rotore è generato da magneti permanenti senza bisogno di corrente di eccitazione esterna; come tutte le macchine sincrone, il rotore gira in perfetta sincronia con il campo magnetico dello statore eliminando l’inconveniente dello slittamento tipico dei generatori asincroni.

Come per la soluzione vista in precedenza basata su generatore asincrono, anche in questo caso la velocità è controllata tramite convertitore di frequenza per mantenere il rotore sempre alla velocità che garantisce, in base alla velocità del vento, la massima efficienza aerodinamica, con il vantaggio però che i magneti permanenti creano un campo magnetico costante, migliorando l’efficienza e la densità di potenza in un ampio range di velocità. Inoltre, aumentando il numero di coppie polari è possibile fare a meno del moltiplicatore di giri perché il generatore è già atto a lavorare a bassi giri.

4. Turbine eoliche offshore di grande taglia a giri variabili con PMSG

C’è un’ultima categoria di turbine eoliche, le più recenti e mastodontiche mai costruite finora, utilizzate esclusivamente per applicazioni offshore, in cui si è dovuto fare un trade-off tra taglia del generatore PMSG e campo di velocità di rotazione del generatore stesso.

È il caso ad esempio della turbina Vestas V236, potenza nominale 15 MW e pale lunghe 118 metri (diametro rotore 236 metri). In questo caso non sarebbe stato possibile realizzare un generatore sincrono multipolare a magneti permanenti PMSG “direct drive” che fosse in grado di lavorare a efficienze accettabili ai bassissimi giri di rotore, nel range dei 4-5 rpm. Ecco allora che esso è abbinato a un moltiplicatore di giri a media velocità. Questa combinazione ottimizza la velocità di rotazione del generatore, mantenendo alta l’efficienza e riducendo i costi rispetto a un sistema senza moltiplicatore di giri.

Quante terre rare ci sono in un PMSG?

Dopo questa lunga disamina, la domanda che nasce spontanea è: ma quante terre rare ci sono in un generatore multipolare a magneti permanenti? La risposta purtroppo è poco confortante, dal momento che parliamo di circa 50 kg per ogni MW di potenza nominale. Nella V236 vista prima, ci sono quindi circa 750 kg di terre rare, prevalentemente neodimio.

Tenendo conto delle proiezioni IRENA (International Renewable Energy Agency) per nuove installazioni eoliche per il 2025 che parlano di 130 GW, se queste fossero tutte basate su tecnologia PMSG parleremmo di un fabbisogno di terre rare di circa 6.500 tonnellate nel solo settore eolico.

Chi ha il dominio delle terre rare?

Nemmeno a dirlo, la Cina detiene il 37 per cento circa delle riserve globali, stimate in 120-150 milioni di tonnellate, e oltre il 60 per cento della produzione mondiale. A seguire ci sono il Vietnam e il Brasile, rispettivamente con il 18 per cento delle riserve mondiali, la Russia con il 10, l’India con il 6, l’Australia con il 5, l’Ucraina con il 2, gli Stati Uniti con l’1,5 e la Groenlandia con l’1 per cento. Il rimanente 1,5 per cento è contenuto in tracce nel resto del mondo.

Il dominio cinese crea ovviamente vulnerabilità geopolitiche, spingendo altri Paesi a diversificare le forniture attraverso nuovi progetti minerari e partnership internazionali. Questa vulnerabilità è, come vedremo, in larga parte figlia delle folli strategie perseguite da circa venti anni in buona parte del mondo occidentale, quelle cioè legate alle tecnologie cosiddette “green”.

Il “nuovo petrolio”

Oggi, proprio a causa del ruolo che le terre rare rivestono nell’ambito delle tecnologie green, esse sono state ribattezzate “il nuovo petrolio”: come abbiamo visto, la Cina domina il settore e, proprio di recente, con le restrizioni imposte sull’export, è causa di enormi tensioni geopolitiche che stanno spingendo gli Usa a investire in diversificazione. Ad esempio, l’accordo Usa-Ucraina sulle terre rare e l’interesse degli Usa per la Groenlandia riflettono proprio le strategie messe in atto dall’amministrazione Trump per ridurre la dipendenza dalla Cina.

Anche l’Ue sta tentando goffamente e, occorre dire, finora del tutto inefficacemente a diversificare le catene di fornitura ma capite bene che, stanti i falsi bisogni odierni imposti dal cosiddetto “green” e stante il predominio cinese nell’estrazione e raffinazione di questi elementi, è come svuotare l’oceano con un cucchiaino.

Cosa fare?

In termini specificatamente legati ai possibili rimedi per il settore eolico, occorrerebbe esplorare le seguenti possibilità:

1. Ricercare nuove soluzioni per la costruzione di magneti permanenti non basati sulle terre rare. Oggi purtroppo le alternative “rare-earth free” esistono ma sono molto meno performanti di quelle a base di neodimio e disprosio. Infatti, dove questi ultimi arrivano a valori di energia massima del prodotto magnetico (BHmax) fino a 40-50 megagauss-oersted (MGOe), i primi si fermano a non più di 30 MGOe.

2. Rinunciare all’utilizzo dei generatori sincroni a magneti permanenti e tornare a soluzioni più classiche di generatori sincroni a rotore avvolto ed eccitazione elettrica, anche se la loro manutenzione richiede molte più attenzioni, vista la presenza di contatti striscianti.

3. Ritornare a soluzioni con generatori asincroni ottimizzati per poter lavorare in un ampio range di giri, anche se a discapito dei rendimenti.

In termini più generali, poiché il mercato delle terre rare è legato per più del 40 per cento all’insieme delle tecnologie cosiddette “green” – rinnovabili, automotive, ecc. – il modo più drastico ed efficace per porre rimedio al predominio cinese sia sulle terre rare che, più in generale, sul monopolio di materie prime e manufatti nel settore “verde”, è cancellare drasticamente con un colpo di spugna tutte le prescrizioni autoinflitte in merito, con grande sollievo dell’industria europea e delle nostre tasche.

Troppo ardito? Probabilmente, ma vista la condizione miserrima in cui versa l’industria europea a causa delle follie green, sarebbe assolutamente il caso di muoversi in tal senso nel più breve tempo possibile.

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