SM 3832 — Elettricità e grafite — 2015

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La Gazzetta del Mezzogiorno, 29 dicembre 2015

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

I partecipanti alla conferenza per un accordo sul rallentamento dei cambiamenti climatici, svoltasi alcune settimane fa a Parigi col nome COP21, sono stati unanimi nell’indicare la necessità di abbandonare gradualmente l’uso dei combustibili fossili, carbone, petrolio e gas naturale, e di usare al loro posto fonti energetiche rinnovabili che non immettono nell’atmosfera i gas responsabili del riscaldamento del pianeta. Si tratta di trarre calore e elettricità soprattutto dal Sole e dal vento con tecnologie ormai collaudate e in rapida diffusione. Purtroppo il Sole e il vento sono “forze” naturali che cambiano di intensità nelle varie stagioni, nelle varie ore del giorno, e possono fornire elettricità utile soltanto se si trova un sistema per “raccoglierla” quando è prodotta e renderla disponibile quando è richiesta. Finora il problema è stato parzialmente risolto attraverso complicati sistemi di interscambio: chi produce elettricità solare o eolica la “vende” alle compagnie elettriche che restituiscono ai produttori, quando le fonti rinnovabili non sono disponibili, elettricità prodotta dalle grandi centrali a combustibili fossili.

La vera soluzione sarebbe offerta se ogni casa o fabbrica dotata di pannelli solari o di motori eolici potesse disporre di accumulatori di elettricità che si caricano quando il Sole e il vento sono disponibili e che restituiscono l’elettricità quando non sono disponibili. L’autonomia elettrica dell’abitazione di una famiglia dotata di pannelli solari richiederebbe un accumulatore ricaricabile capace di immagazzinare almeno una decina di chilowattore. Gli accumulatori di elettricità esistono già; i principali sono a piombo e acido, inventati nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté (1834-1889), quelli utilizzati a bordo delle automobili, ma sono pesanti e con limitata capacità di accumulo; occorrono circa 25 chili per immagazzinare un chilowattore di elettricità.

La vera svolta è oggi offerta dalle batterie di accumulatori a litio, inventati nella forma attuale nel 1990 dall’inglese John Goodenough e poi continuamente perfezionate; la prima fortunata applicazione è stata per piccole batterie capaci di alimentare orologi, calcolatori, telefoni cellulari e altre apparecchiature di microelettronica; ogni persona, senza saperlo, ne ha probabilmente in tasca almeno una. E’ oggi possibile disporre di accumulatori a ioni di litio capaci di immagazzinare un chilowattore in appena quattro chilogrammi, ricaricabili anche migliaia di volte, del tipo che ha alimentato il motore dell’aereo solare che sta facendo il giro del mondo. E’ prevedibile che le case del futuro traggano elettricità soltanto dal Sole tenendo in cantina un accumulatore di questo tipo, e che questi accumulatori forniscano energia ai motori di automobili tutte elettriche, ricaricabili alla presa di corrente di casa, che non bruciano benzina o gasolio e non inquinano. Il catodo di tali batterie è costituito da litio e altri metalli e l’anodo da grafite, separati da elettroliti liquidi o di polimeri organici. Litio e grafite, due sostanze presenti in natura, saranno quindi i nuovi protagonisti di una rivoluzione tecnico-scientifica capace di liberarci dalle fonti di energia fossile, dall’inquinamento atmosferico e di attenuare i cambiamenti climatici planetari.

La produzione mondiale di litio è aumentata, dal 1994 al 2014, da 6000 a 36.000 tonnellate all’anno, estratte principalmente in Australia, Cile e Cina. Il secondo protagonista è la grafite, una sostanza naturale nota dall’antichità e usata, fin dal XVI secolo, come materiale refrattario per crogioli in cui versare il ferro fuso. Soltanto alla fine del Settecento è stato chiarito che non si trattava di un metallo, come si credeva, ma di carbonio molto puro, dotato di buona conducibilità elettrica e termica, resistente alle alte temperature, molto tenero e facile da lavorare. Col passare del tempo sono stati scoperti molti usi della grafite nel campo della fusione dei metalli, come materiale refrattario e per la preparazione di elettrodi impiegati nei forni elettrici per acciaio e per altri metalli e nell’industria chimica. Il francese Nicolas-Jacques Conté (1755-1895) nel 1795 aveva inventato la matita, così come la conosciamo, mettendo un impasto di grafite e argilla all’interno di una bacchetta di legno; anzi il nome del minerale deriva proprio da grafein, la parola greca che indica “lo scrivere”. Per la sua struttura a lamelle la grafite si presta come lubrificante solido; dalla grafite è possibile ricavare delle fibre adatte per rinforzare materie plastiche e tessuti e ottenere materiali da costruzione più leggeri e resistenti agli urti per autoveicoli e aerei.

Per rispondere alla crescente richiesta mondiale di grafite l’americano Edward Acheson (1856-1931) alla fine dell’Ottocento aveva messo a punto un processo per ottenere grafite sintetica dal trattamento, a oltre 4000 gradi Celsius, del carborundum, il carburo di silicio che lui stesso aveva scoperto come materiale durissimo e abrasivo.

Oggi nel mondo ogni anno si producono circa 2,5 milioni di tonnellate di grafite, per circa un terzo sintetica. La grafite adatta per batterie a ioni di litio deve però essere ad altissima purezza e la sua produzione sta rapidamente aumentando e ha raggiunto oltre 130.000 tonnellate all’anno, in gran parte in Cina. Siamo, insomma di fronte ad una svolta che permetterà all’umanità di uscire dalla attuale trappola delle fonti energetiche inquinanti e nelle mani di pochi paesi, col rischio di farci cadere in un’altra trappola tecnologica, questa volta dipendente dai laghi salati ricchi di litio e dalle miniere di grafite.