Relazione sul progetto :
RICERCA DI LABORATORIO ED ANALISI TECNICHE INERENTI UN PROCESSO INDUSTRIALE SUL RICICLAGGIO DELLE BATTERIE Ni-MH ESAUSTE UTILIZZATE NELLA TELEFONIA MOBILE , NEI COMPUTER E NEGLI ELETTROUTENSILI.
Redatto : Prof. Davolio G. Ing. Rattighieri G. Ing. Cesaro C. Ing. Cau A.
Committente : TRED CARPI srl Via Remesina Esterna 27/A 41010 Fossoli di Carpi ( MO )
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INDICE
Capitolo
Titolo
Cap. 1
• • •
Cap. 2
• • • • •
Cap. 5
• • • • • • • •
Allegato 1 Allegato 2 Allegato 3
• • •
Cap. 3
Cap. 4
Premessa Descrizione chimico-fisica delle batterie ricaricabili Previsioni future sull’evoluzione del mercato delle batterie da cellulare e delle relative tecnologie Risultati del progetto di ricerca condotto dalla RG folloni engineering sas Batterie Ni-MH : Recupero del materiale attivo per realizzare altre batterie Batterie Ni-MH : recupero idruri metallici per altri utilizzi valutazione impatto ambientale e di sicurezza per il processo di riciclo batterie Ni-Mh esauste. Valutazione sul processo industriale e sul probabile tempo di ammortamento degli investimenti La cernita, addestramento al riconoscimento La macinazione e la classificazione Test di laboratorio : prove di macinazione e separazione L'impianto di riciclaggio , schema e disegno tecnico Destinazione dei sottoprodotti Idruri di metallo per immagazzinare l‘idrogeno Brevi note sulle celle a combustibile Valutazioni economiche L ‘ idrogeno : fonte di energia del futuro Gli elementi chimici principali Evoluzione della normativa comunitaria ed italiana sul riciclaggio
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pagina
CAPITOLO I Premessa
Lo smaltimento dei cellulari è un problema che deve essere affrontato per la consistenza totale ed il trend di crescita che questi hanno avuto negli ultimi anni . Se si pensa che solo negli Usa vi erano nel 2001 128 milioni di cellulari e che si è passati nel 2002 a 150 milioni, mentre in Europa si stima che a tutt’oggi siano circolanti 260 milioni di cellulari. A livello mondiale si sta raggiungendo ormai il miliardo di cellulari in circolazione . Considerando che la vita media di un cellulare è di appena 18 mesi e che
le nuove tecnologie in via
d’introduzione quali la
trasmissione d’immagini, di filmati , collegamenti ad internet porteranno alla trasformazione
del cellulare in un vero e proprio terminale
multimediale personale si può prevede che entro i prossimi 6-8 mesi circa il 40% dei cellulari attuali verrà sostituita con uno di nuova generazione. Si stima che entro il 2005 verranno gettati come rifiuti oltre 130 milioni di terminali all’anno, pari a 65 mila tonnellate. In Europa il fenomeno non è da meno, tanto che l’Unione Europea sta introducendo una direttiva che entro il 2004 obbligherà gli stati membri a mettere in atto forme di riciclaggio dei materiali elettrici ed i prodotti industriali in generale . I principali produttori, tra cui Alcatel, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Siemens, Sony-Ericsson e Philips, hanno già avvertito il problema ed hanno dato vita alla “Sustainable Partnership on the EnvironmentallySound Management of End-of-Life Mobile Phones” che gestirà le operazione di riciclaggio delle batterie dei cellulari. E molti centri commerciali operano già “rottamazioni” dei cellulari con conseguente
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necessità
di procedere successivamente nel riciclaggio dei vari
componenti e/o per lo smaltimento differenziato.
In Italia ormai ci sono quasi 40 milioni di telefonini e almeno 50-60 milioni di batterie circolanti. Un fenomeno che oltre ad aver evidentemente cambiato le abitudini degli italiani, è di grande impatto anche per l'ambiente. Non si può sottovalutare, infatti, che solo nel 1999 sono state "buttate" 966 tonnellate di batterie e si prevede che nel 2010 questa cifra salirà a 2550 tonnellate. Un volume di rifiuti notevole , ma che soprattutto contiene elementi chimici come il nichel, il cadmio e il cobalto, e le terre rare . I quali , se finissero direttamente in discarica, potrebbero causare gravi danni all'ambiente circostante, primi fra tutti l'inquinamento del suolo e delle falde acquifere. L'obiettivo principale che ci si deve porre, dunque, è quello di avviare a smaltimento la maggior quantità di batterie esauste. Tale smaltimento può avvenire utilizzando processi industriali economicamente validi , che abbiano un ritorno economico considerando la vendita
dei materiali recuperati.
Qualora questo non sia possibile perché il processo non è economicamente sostenibile occorre che questo sia integrato da un “costo di smaltimento“ che le società costruttrici di cellulari e di batterie, gli acquirenti finali o la società in generale debbano farsi carico. Il Cobat per esempio,( Consorzio obbligatorio smaltimento delle batterie al piombo esauste e dei rifiuti piombosi ), operativo su base nazionale, ha le seguenti prerogative : assicurare la raccolta delle batterie al piombo esauste e dei rifiuti piombosi e organizzare la raccolta , il riciclaggio e lo stoccaggio delle stesse ; •
cedere batterie esauste e rifiuti piombosi a imprese che ne effettuano
lo smaltimento tramite il riciclaggio;
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•
assicurare l’eliminazione di prodotti o parti di prodotti per cui non sia
possibile o economicamente conveniente il riciclaggio; •
promuovere indagini di mercato e ricerche tecnico-scientifiche per il
miglioramento tecnologico del ciclo di smaltimento. Si ritiene che quanto sviluppato dal Consorzio COBAT possa costituire un valido esempio da seguire per quanto riguarda il riciclaggio delle batterie della telefonia mobile . Brevemente possiamo ricordare che al consorzio partecipano tutte le aziende che smaltiscono tramite il riciclaggio batterie al piombo esauste e rifiuti piombosi ; i detentori di queste tipologie di rifiuti sono obbligati a conferirli al Consorzio o a soggetti incaricati dal Consorzio. I mezzi finanziari del Consorzio derivano da un sovrapprezzo di vendita delle batterie in base al contenuto in peso di piombo. Il sovrapprezzo viene applicato e pagato direttamente al Consorzio da produttori e importatori, con diritto di rivalsa sugli acquirenti in tutte le fasi successive alla commercializzazione. Il Cobat è un organismo di diritto privato istituito dalla Legge n.475 del 1988. Dal 1992, anno della sua piena operatività, il Cobat assicura la raccolta e il riciclaggio delle batterie al piombo esauste su tutto il territorio italiano realizzando il recupero di un rifiuto pericoloso altamente tossico. Il Ministero dell'Ambiente ed il Ministero dell'Industria sono rappresentati nel Consiglio di Amministrazione. Giunto al suo decimo anno di operatività , il Cobat, tramite la propria rete di raccolta, ha avviato a riciclaggio, presso
5 impianti consorziati,
166.500 tonnellate di batterie al piombo esauste segnando il suo miglior risultato di sempre con una percentuale di recupero del 95% sulle batterie d'avviamento. Dai volumi raccolti si sono ottenute circa 90.000 tonnellate di piombo riciclato, destinato principalmente a produrre nuove batterie. Il Cobat,
anche se ricicla solo le batterie al Pb, ha dovuto
necessariamente occuparsi anche di batterie al nichel-cadmio in quanto 5
queste sono spesso conferite insieme con quelle al piombo. Attualmente , per quanto ci costa , sono circa 350 le tonnellate di batterie al Ni-Cd di cui ogni anno il Consorzio provvede alla cernita ed alla consegna presso uno stabilimento di stoccaggio francese. Nel 2004 entrerà in vigore la direttiva UE per il riciclaggio dei rifiuti elettrici ed elettronici. I cellulari rappresentano una percentuale delle attrezzature interessate da questa nuova normativa , i computer e simili sono anche loro una percentuale significativa . Le batterie della telefonia mobile hanno minerali di pregio che potrebbero essere usati ancora. Il commercio dei telefoni cellulari ha avuto il suo incremento più alto lo scorso anno, arrivando a 400 milioni di unità contro i 40 milioni del 1995. Benché siano di piccola taglia, i cellulari includono dei materiali che potrebbero causare un inquinamento pericoloso. Le batterie al nickelcadmio usate soprattutto per i vecchi telefoni, per esempio, sono già considerate rifiuti pericolosi dall'UE. Con la nuova normativa , anche le aziende saranno responsabili di verificare se i loro nuovi prodotti sono riciclati, assicurandosi che la gente li renda al negozio o li porti nei luoghi atti al riciclo. La situazione attuale
Oggi le batterie dei telefoni cellulari sono classificate come rifiuti urbani, codice UE 2001-20, denominazione: "batterie a pile", soggette a generico smaltimento, senza alcun obbligo di riciclo né di raccolta differenziata. Le batterie Ni-MH, come del resto le Ni-Cd, vengono trattate come le comuni
pile
alcaline
Zinco-MnO2.
Ciò
rende
evidentemente
problematico l'avvio di un’attività di recupero dei materiali pregiati presenti in queste batterie, come le leghe ad assorbimento di idrogeno, il nichel metallo e l'idrossido di
nichel. Il problema comunque è 6
all'attenzione dei governi e dei laboratori di ricerca; articoli scientifici affrontano il tema del riciclo delle batterie ricaricabili da consumo. Lo scopo è duplice: da un lato sottrarre allo smaltimento in discarica elementi inquinanti e tossici (Cd , Ni , Terre Rare ), dall'altro recuperare metalli riutilizzabili per costruire nuove batterie. Cosa che già funziona egregiamente nel caso delle più grandi batterie al piombo. Esistono, ad esempio, in Francia, in Svizzera e in altri paesi ditte specializzate nel riciclo delle batterie Ni-Cd. Non risulta che ce ne siano in Italia , dove d'altra parte non abbiano neppure ditte produttrici di batterie ricaricabili del tipo in oggetto. Il problema delle batterie Ni-MH sta ora emergendo per le motivazioni ambientali sopra ricordate, alle quali va aggiunto anche l'alto valore economico che hanno gli elementi metallici che le costituiscono . Alla luce di quanto emerso, la Tred-carpi ha commissionato alla RG folloni engineering sas un progetto di ricerca , tale progetto ha avuto come premessa tutta una serie di prove effettuate in piccola scala presso il laboratorio di chimica dell‘ Università di Modena in collaborazione con il prof. Davolio Giovanni . Al termine della ricerca , se questa avrà esito positivo , l ‘azienda Tred Carpi potrà verificare se industrialmente potrà essere sostenibile un processo di riciclaggio e l‘allestimento di una “filiera” che partendo dalla raccolta porti al recupero dei componenti pregiati e quindi al completo riciclo delle batterie dei telefoni cellulari. La presente relazione, che è stata redatta in collaborazione con il prof. Davolio , ing. Rattighieri , ing. Cesaro ed ad altri tecnici dello studio RG Folloni engineering , dovrebbe avere lo scopo di analizzare, fase dopo fase, il processo industriale e valutare se l’investimento, per la realizzazione
di
un
eventuale
impianto
di
economicamente sostenibile da parte della Tred Carpi. 7
riciclaggio,
sia
Nella prima parte della relazione verranno analizzate le caratteristiche chimico-fisiche delle batterie per capire meglio come sono composte internamente , con quali elementi sono realizzati e quindi quali sono i problemi connessi con lo smaltimento dopo il loro ciclo di vita e che interazione ha quest’ ultimo processo con l’ambiente . Nella seconda parte si andranno ad esaminare i risultati della ricerca condotta preliminarmente presso il laboratorio di chimica dell ‘Università di Modena
da parte del prof.
Davolio Giovanni , descrivendo
sommariamente il processo industriale e le relative valutazioni di impatto ambientale e di sicurezza che quest’ ultimo ha sviluppato insieme alla Rg Folloni engineering sas . Nella terza parte invece verranno studiate tutte le fasi del processo andando a valutare quale possa essere il miglior processo di recupero , verranno analizzati diversi lay-out di processo , verranno valutati in prima approssimazione , i rendimenti del ciclo e delle macchine singole macchine .
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Descrizione chimico-fisica delle batterie ricaricabili Le attuali batterie ricaricabili presentano , sulla carta , il vantaggio di poter essere riciclate con sistemi sufficientemente efficienti e rispettosi dell'ambiente. Mentre le batterie non ricaricabili del tipo “usa e getta” di tipo alcaline dette normalmente “stilo” , richiedono molta più energia e materia prima per essere prodotte e sono difficoltose da recuperare o smaltire . Quest’ ultime devono essere eliminate separatamente come rifiuti chimici, in quanto un sistema di riciclaggio economicamente sostenibile non é stato finora accettato dalla comunità internazionale . ( costi elevatissimi ) Le batterie ricaricabili
Tendenzialmente il mercato delle batterie non ricaricabili è in grande aumento per l ‘elevata diffusione di apparecchi elettrici mobili anche se le batterie ricaricabili stanno lentamente acquisendo nuove quote di mercato. Nonostante gli innegabili vantaggi delle batterie ricaricabili nei riguardi di consumo di materia prima e della sicurezza dei sistemi di scarto/riciclaggio, sussistono ancora buone ragioni per utilizzare le "pile a secco" ,in certe applicazioni le “stilo” hanno una capacità molto maggiore rispetto alle loro controparti ricaricabili NiCd , Ni-Mh , Li-On. Per raggiungere quasi la stessa durata utile di un tipo alcalinomanganese, una batteria ricaricabile dovrà essere caricata due o tre volte. Le batterie a secco non ricaricabili sono vantaggiose quando si devono affrontare lunghi periodi di non utilizzo . In tali casi, le batterie ricaricabili risultano meno economiche e devono comunque essere 9
ricaricate dopo pochi mesi per compensare le perdite di energia causate dal fenomeno di autoscarica , qualora questa ricarica non avvenga si ha il deterioramento della batterie molte volte in modo irreversibile . Le batterie ricaricabili sono in crescita perché costituiscono la scelta migliore con apparecchi che assorbono una corrente relativamente elevata , sono più economiche , più rispettose dell'ambiente e durano anche più a lungo di una batteria non ricaricabile a secco . A causa della più elevata resistenza interna, la tensione erogata da un elemento alcalino scende molto più velocemente. La tensione di uscita di una batteria NiCd , Ni-MH rimane praticamente stabile durante l'intero periodo di scarica, persino con correnti relativamente elevate. Per questo motivo le batterie al Ni-MH costituiscono a tutt’oggi una quota importate per le batterie da cellulare , per gli elettroutensili , attrezzature mobili da officina , elettroutensili da cucina , apparecchi portatili per le telecomunicazioni , radio …. . Per un confronto di costi tra batterie alcalino-manganese a secco ed elementi NiCd Ni-MH basta tener presente che un singolo elemento NiCd , Ni-MH con "vita utile" di circa 700-800 cicli di carica, sostituisce circa 250 pile alcaline equivalenti Gli accumulatori: generalità
Un accumulatore è un elemento di struttura analoga a quella di una pila e, come tutti gli altri generatori elettrochimici, è in grado di erogare parte dell'energia chimica della sua materia attiva sotto forma di una corrente elettrica continua che circola nel circuito utilizzatore. Ma, a differenza delle pile ordinarie, che non sono ricaricabili, l'accumulatore, una volta che si è scaricato più o meno completamente, è in grado di immagazzinare di nuovo, per la sua particolare struttura e per la composizione degli elettrodi e dell'elettrolito, l'energia chimica 10
necessaria per una nuova scarica. La ricarica dell'accumulatore si ottiene mediante il suo collegamento con un opportuno generatore di corrente continua. Struttura e componenti
Nella
sua
forma
più
semplice,
un
accumulatore
comprende
essenzialmente due elettrodi, uno positivo e l'altro negativo (ciascuno formato da una o più "piastre" connesse in parallelo) e un elettrolito. Oltre ai due elettrodi , che contengono la materia attiva, in un accumulatore sono presenti altri componenti: i "collettori di corrente" che convogliano corrente elettrica da e verso gli elettrodi e i separatori, che evitano che i due elettrodi, positivo e negativo, entrino in contatto elettronico fra loro all'interno dell'elemento voltaico, provocando un cortocircuito. Un accumulatore può consistere in un solo elemento, ma , di solito, è formato da più elementi collegati fra loro in serie, e in questo secondo caso è chiamato "batteria".
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La tensione fra i morsetti di una batteria è quindi determinata, oltre che dal sistema elettrochimico utilizzato, dal numero degli elementi collegati in serie; ad esempio, una comune batteria al piombo per autovettura da 12 V è formata da 6 elementi al piombo, in serie fra loro, ciascuno da 2 V nominali . Più in generale, dato che gli apparecchi da alimentare funzionano a diverse tensioni e richiedono differenti livelli di potenza, il dimensionamento di un accumulatore, in tensione e potenza erogata, viene determinato scegliendo sia il sistema elettrochimico da adottare, sia il numero di elementi. In linea di principio, la capacità di un accumulatore di erogare energia elettrica non dovrebbe essere influenzata dal numero di cicli di carica e scarica sostenuti. In pratica invece, ad ogni ciclo di carica e scarica si verificano cambiamenti nella struttura e nel volume degli elettrodi, che riducono gradualmente le prestazioni dell'accumulatore. Per questo motivo, nel progetto di ogni accumulatore si deve tenere conto, in qualche modo, di questo effetto, cercando di compensarlo per quanto possibile. Principali parametri degli accumulatori
Per valutare le prestazioni di un accumulatore ne vanno considerati vari parametri: la tensione nominale, la capacità, l'energia, la potenza, la durata di vita e il rendimento. Altri parametri da tenere presenti sono: la tensione di lavoro e la tensione finale della scarica. • La tensione nominale può essere riferita a ciascun elemento dell'accumulatore o all'intera batteria, se questa è composta da più elementi collegati in serie. •
La capacità è la quantità di carica elettrica - generalmente espressa in amperora (Ah) - che l'accumulatore può mettere in circolazione nel circuito elettrico utilizzatore, durante la sua scarica (in condizioni che 12
vanno sempre specificate); essa dipende dalla massa delle materie attive. •
La capacità specifica indica la capacità dell'accumulatore per unità di massa (ad esempio Ah/kg) o per unità di volume (ad esempio Ah/dm3).
• L'energia, che l'accumulatore è in grado di erogare, è data dalla capacità moltiplicata per la tensione media di scarica ed è espressa generalmente in wattora (Wh). • L'energia specifica indica l'energia che può essere erogata dall'accumulatore per unità di massa (Wh/kg) o per unità di volume (Wh/dm3). • La potenza erogabile dall'accumulatore è data dalla tensione media di scarica moltiplicata per la corrente ed è espressa in watt (W). • Corrispondentemente la potenza specifica per unità di massa è espressa in watt/chilogrammo (W/kg) e la potenza specifica per unità di volume in watt/decimetro cubo (W/dm3). Per il rendimento si considerano: • il rendimento amperometrico (rapporto fra il numero di amperora che attraversano l'accumulatore durante la scarica e durante la precedente carica); • il rendimento di energia (rapporto tra l'energia erogata durante la scarica e quella assorbita durante la precedente carica). La durata di vita dipende sostanzialmente dalle condizioni di applicazione del dell'accumulatore e quindi può essere assegnata solo per determinati regimi di carica e scarica che vanno specificati. In particolare, quando l'accumulatore è soggetto a successivi cicli di carica e scarica, si considera la durata di vita ai cicli che indica l'attitudine di un accumulatore a resistere a successivi cicli di carica e scarica; in questo caso la durata di vita è indicata generalmente con il numero di cicli di 13
carica e scarica che danno luogo ad un abbassamento della capacità di un accumulatore ad una percentuale prefissata (generalmente l' 80%) del valore originario. • La tensione di lavoro è la tensione media presente fra
i due
terminali positivo e negativo quando l'accumulatore eroga corrente. • La tensione finale della scarica è la tensione di lavoro alla quale, per ragioni tecniche e/o economiche, conviene arrestare la scarica. Classificazione degli accumulatori in base al sistema elettrochimico utilizzato
Secondo il sistema elettrochimico utilizzato, si distinguono diversi tipi di accumulatori per cellulari . I sistemi industrializzati sono: • gli accumulatori alcalini (cadmio-nichel o nichel-idruri metallici) • gli accumulatori al litio Batterie NiCd e NiMH Le batterie al NiCd sono state tra le prime ad essere immesse sul mercato della telefonia mobile . Il voltaggio nominale delle celle Ni-Cd è 1.25V il voltaggio di fine carica è 1.8V. Il numero delle ricariche totali è circa 1000 e cattivi metodi di ricarica le riducono drasticamente .Hanno il vantaggio di non temere sovraccarichi e cortocircuiti , possono rimanere
scariche
per
un
tempo
indefinito.
Il problema principale con le Ni-Cd è che sebbene sopporti cariche veloci ( 90% dello stato finale dopo un ora) , esso soffre della crescita dendritica di minuscoli cristalli metallici che possono cortocircuitare la cella. Ciò viene ridotto utilizzando cariche a bassa corrente per un lungo periodo . Successivamente si è preferito effettuare la costruzione di un 14
elemento NiMH (nickel-idruro metallico). Esso é molto simile a quella degli elementi NiCd (più precisamente: elementi con un sistema nickelcadmio ad elettrolita alcalino). La differenza fondamentale sta nella struttura dell'elettrodo negativo. Il cadmio metallico (in condizioni di carica) é sostituito da una lega metallica in grado di assorbire grandi quantità di idrogeno, senza aumentare la pressione. Mentre i processi chimici all'elettrodo positivo sono gli stessi per entrambi i tipi di batterie, con l'elettrodo negativo le cose cambiano. In una batteria NiMH gli atomi di idrogeno si accumulano in una rete metallica dove, durante la carica, si produce idruro metallico. Gli atomi viaggiano nuovamente fuori dalla rete durante la scarica, lasciando come prodotto la sola lega metallica di base. Considerando la telefonia mobile ( cellulari e cordless ) , i computer ,i palmari ,i notebooks , le videocamere la presenza delle batterie NiCd e NiMH può essere così sintetizzata : Nel 1993-95 la quota di mercato degli elementi Ni-Cd e Ni-MH
é
stata circa il 5% Nel 1995-98 gli elementi NiCd hanno costituito circa il 70% del mercato totale delle batterie ricaricabili , Nel 2000-02 le batterie NiMH hanno rappresentato circa il 60-65 % del mercato Nel 2002-03 le batterie NiMH rappresentano circa il 40-45 % del mercato Tale importante quota di mercato poggia su alcuni vantaggi basilari di queste batterie al NiMH : a) non contengo metalli pesanti (niente cadmio, piombo o argento); b) relativamente alta densità energetica (fino a 1,2 Ah per pile mignon HP7/UM3); c) ridotto effetto "memoria". 15
La durata media dei cicli di ricarica 500-800 ; tensione di scarica di 1,2V, con una curva praticamente piatta; la tensione dell'elemento che aumenta fino a 1,55V durante la carica; corrente di carica normale pari a un decimo della capacità nominale, per una carica di 12-14 ore; possibilità di proseguire la carica per 100 ore alla corrente nominale di carica.. La curva di scarica di un elemento NiMH é quasi identica a quella di un elemento NiCd, ma la sua capacità é quasi doppia. Alle correnti più elevate, però, le batterie NiCd sono superiori alle NiMH, la cui capacità scende più rapidamente. La scarica a corrente elevata con più di 3 A é impossibile con una batteria NiMH mentre gli elementi NiCd non presentano problemi persino con correnti ancora maggiori. La tensione di carica di un elemento NiMH é generalmente poco più bassa rispetto ad un elemento NiCd. Il picco di tensione al termine di un periodo di carica ad elevata corrente é meno marcato con gli elementi NiCd rispetto a quelli NiMH. Quest’ ultime caratteristiche rendono significative l ‘utilizzo delle batterie NiCd per gli elettroutensili da officina Batterie Li-Ion Negli ultimi due-tre anni si è evidenziato l ‘inserimento nel mercato della telefonia mobile, in modo molto repentino , della nuova tecnologia delle batterie ricaricabili al Li-Ion cioè agli ioni di litio. In queste batterie gli elettrodi sono costituiti da una speciale miscela di Litio. La batteria Li-Ion si attiva quando gli ioni si spostano tra gli elettrodi in seguito alla carica/scarica. La batteria Li-Ion é caratterizzata da un elevato rendimento, che la rende utile in un ampia gamma di applicazioni. Tali batterie possono essere caricate più di 1000 volte e sono prive del cosiddetto "effetto memoria". Presentano un’elevata densità energetica: quasi tre volte quella di un'analoga batteria NiCd . La 16
differenza in rapporto al peso è di un fattore quasi 4 . Le batterie Li-Ion sopportano considerevolmente bene gli eccessi di carica. La carica quasi continua necessaria, per esempio, per la batteria di un telefono senza fili non presenta problemi per un pacco Li-Ion, mentre molti pacchiNiCd non resistono più di qualche mese. La perdita per autoscarica di queste nuove batterie é circa del 50% minore rispetto alle batterie NiCd e NiMH e comporta automaticamente un tempo di magazzinaggio più prolungato.
TIPOLOGIA
Ni-Cd
Ni-MH
Li-ion
CELLA
Polimeri di Litio
Densità nergetica
50
75
100
175
1500
500
300-700
600
1 1/2h
2-3h
3-6h
8-15h
1%
3-10%
1-2%
molto
(Wh/Kg) Ciclo
vitale
(
n°cariche /scariche) Tempo di carica veloce Autoscarica (%/giorno)
bassa
Voltaggio
1.25V
1.25V
3.6V
2.7V
di
molto alta
media
alta
bassa
le
/30
/90
N/D
N/D
Costo
basso
medio
molto alto
alto
Disponibilità
1970
1985
1995
2000
nominale cella Corrente scarica Giorni
per
max prestazioni
tecnica
del
prodotto
17
Lo svantaggio è che le batterie Li-Ion hanno un'elevata tensione per elemento (3,6V), pertanto non sono compatibili in tensione con le pile a secco o le batterie NiCd. La loro principale applicazione avviene perciò nei pacchi batteria, dove ogni elemento Li-Ion sostituisce tre elementi NiCd. Nel corso degli ultimi anni sono stati compiuti grandi passi avanti nel tentativo di allungare il più possibile le prestazioni raggiungibili da una batteria con una singola carica. I produttori si sono prodigati nel pubblicizzare la durata delle proprie batterie in termini di ore, enfatizzando, in particolare, due dati ad esse relativi: il tempo di standby e il tempo di conversazione (cioé il tempo reale durante il quale si chiacchiera). In realtà l'uso di un buon cellulare comporta entrambi gli aspetti. Le batterie Li-Ion hanno nella necessità di un corretto processo di ricarica uno dei principali limiti . Negli ultimi anni la curva di vendita delle batterie Li-Ion ha subito una rilevante impennata a danno delle batterie Ni-MH , per i vantaggi citati anche se non sono da sottovalutare gli aspetti legati alla scarsa compatibilità in tensione , alla scarsa capacità di sopportare cariche veloci
ed
ad
alta
corrente
,
alla
minore
affidabilità
.
Importante sottolineare il maggiore impatto ambientale nella costruzione delle batterie Li-Ion e nel loro smaltimento , fattore quest’ ultimo che potrà indurre i costruttori di cellulari ad un ripensamento anche in considerazione dell‘introduzioni delle nuove normative in tema di riciclaggio della Comunità Europea . Interessante sottolineare il caso di esplosione di una batteria Li-Ion ed il ferimento di un utente ; fattore che ha innescato un dibattito tecnico tra gli addetti ed una presenza significativa della notizia stessa sui giornali e sulle televisioni . Questa rilevanza ha determinato tutta una serie di test
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supplementari da parte delle società costruttrici ed importatrici tesi a verificarne la sicurezza . Sono state potenziate e verificate le valvole di sfogo ed i circuiti elettronici di sicurezza . I danni prodotti al volto nei due casi di esplosione citati hanno avuto una rilevanza a livello internazionale , sui media e di conseguenza sulle vendite delle batterie .
PARAMETRO
Batt. Piombo
Batt.
Batt. NiMH
Batt. Li-Ion
NiCd Densità energetica
Scarsa
Scarsa
Ottima
ottima
Cicli di ricarica
Scarsa
Ottima
ottima
Ottima
Fenomeno
Sufficiente
Sufficiente
Sufficiente
ottima
Ottima
Sufficiente
Scarsa
Ottima
sufficiente
Scarsa
autoscarica Capacità
di Scarsa
sopportare
una
ricarica veloce Capacità
di sufficiente
sopportare
una
ricarica a corrente elevata Affidabilità
ottima
Sufficiente
sufficiente
Scarsa
Costo
Ottimo
Sufficiente
scarso
scarso
in scarsa
Ottima
ottima
Molto scarsa
della scarsa
Ottima
ottima
scarsa
Scarsa
ottima
sufficiente
Compatibilità tensione Stabilità tensione
durante
l’ utilizzo Facilità
di
scarsa
riciclaggio
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Batterie Polimeri di Litio Tali batterie da cellulare presentano una certa plasticità ed una estrema facilità di adattamento agli ingombri ed agli spazi disponibili
nel
cellulare . Si prestano molto bene alla riduzione di ingombro e di peso per cui vanno incontro alla esigenza di miniaturizzazione dei cellulari . Attualmente solamente un costruttore di cellulari Ericsson ha immesso sul mercato cellulari con batterie ai polimeri . (2002) Sono composte da celle elettrochimiche interamente allo stato solido, formate da due elettrodi reversibili a ioni di Litio, uno funziona come sorgente di ioni di Litio durante la scarica, l'altro come corrispondente "fonte" per gli ioni di Litio. I due elettrodi sono separati da una sottile membrana polimerica, permeabile agli ioni, che funge da elettrolita e da separatore tra gli elettrodi. L'anodo è realizzato con una lamina ultra sottile di Litio che funge sia da sorgente di Litio che da assorbitore di corrente. Il catodo è realizzato in ossido di Vanadio, unito ad un elettrolita polimerico e a carbonio per formare un composto plastico. Si ha una migliore efficienza a temperature comprese tra i 40-60° per velocizzare il trasporto degli ioni di Litio e garantire elevata potenza. Una cella Litio Polimeri è realizzata da cinque lamine differenti un isolante, un anodo di Litio, un elettrolita solido polimerico, un catodo di ossido metallico e un assorbitore di corrente. Il laminato è avvolto per formare una cella. Modificando spessore e lunghezza dei materiali nella cella e nel numero e sistemazione delle celle, si può realizzare una batteria di varia forma e capacità.La possibilità di adattamento a diverse forme , la flessibilità del materiale costituitente
la batterie consentiranno lo
sviluppo di forme meno vincolanti sia per i cellulari che per i palmari .
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Oggi la tecnologia dei polimeri al litio è in ascesa nel settore delle batterie per i cellulari d’avanguardia e nei prossimi anni acquisiranno quote rilevanti del mercato . MERCATO DELLE BATTERIE
Tipi di accumulatori
Accumulatori nichel-cadmio Ni-Cd
RICARICABILI
Accumulatori
Accumulato
nichel-idruri
ri a ioni di
metallici
litio
Ni-MH
Li-Ion
Accumulatori stazionari per servizi ausiliari, illuminazione di emergenza, ecc.) Telefoni cellulari Radioricevito ri, riproduttori audio e video , Computer palmari ecc.
Videocamere
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Previsioni future sull’evoluzione del mercato delle batterie da cellulare e delle relative tecnologie
Per valutare i possibili sviluppi
delle tecnologie
delle batterie da
cellulare o per gli altri utilizzi citati abbiamo in queste 2 settimane contattato i vari costruttori , alcuni centri di ricerca del settore ed alcuni istituti universitari in modo da ricavare per quanto è possibile le linee di sviluppo future delle batterie per la telefonia mobile . Occorre inoltre precisare che gli uffici tecnici dei costruttori sono molto riservati e le informazioni forniteci vanno valutate in modo opportune ed in ogni caso confrontate con quelle emerse dai centri di ricerca universitari . Le aziende contattate sono state : • alcatel • saft • Motorola • Nokia • Samsung • Siemens • LG • Sony • Ericsson • Philips • Varta • Uranio • Cellular line Da questi
contatti
è emerso
che negli
ultimi anni, le tecnologie
applicate alle batterie ricaricabili hanno fatto passi da gigante. La ricerca 22
in questo settore è molto forte , anche sollecitata dal mercato in grande espansione . Se le batterie Nichel-Cadmio (NiCd), pur presentando buone prestazioni e prezzi contenuti, hanno ridotto di molto la loro presenza in quanto sono dannose per l'ambiente , soffrono l'effetto memoria e non hanno una elevata densità di energia cosa non compatibile con le nuove tecnologie che stanno trasformando il cellulare tradizionale in un terminale multimediale. Le
batterie al NiMH
vantaggi e sono più compatibili con
presentano diversi
l ‘ambiente . Le batterie, Li-Ion,
non sono soggette all'effetto memoria e offrono ulteriori vantaggi quali una maggiore densità di energia, che consente a sua volta l'uso di involucri più piccoli e leggeri. Presentano tuttavia, come contropartita, un prezzo notevolmente più elevato . Un’altra tecnologia da poco immessa sul mercato è quella delle batterie ai polimeri che presentato una elevata flessibilità nelle forme e spessori molto sottile fino a valori di 3 – 4 mm , flessibile , pieghevole ed in un prossimo futuro forse stampabile in forme predefinite ( es. coperchi ) Si ritiene che in futuro possano
emergere anche le sotto indicate
tecnologie Fuel Cell
Sono una delle possibili alternative alle batterie di accumulatori . Sfruttano una reazione chimica tra il metanolo od altri alcoli e acqua con l'aggiunta di specifici catalizzatori .Il tipo di cella che verrà utilizzata sui cellulari è stata denominata "micro fuel-cell " secondo il brevetto US 5,631,099 : un sottile strato di catalizzatore e sostanze metalliche che fungono da elettrodo , sono depositate su entrambi i lati della membrana centrale , la fuell cell opererebbe fornendo vapori di alcool ad un elettrodo e un gas ossidante all'altro . I prodotti della reazione chimica 23
saranno energia elettrica - acqua e CO2 che ovviamente verranno dispersi nell'atmosfera da apposite aperture ricavate sulla batteria . Si stima che abbia un ciclo vitale di 50 volte quello di una Ni-Mh standard e che si possano ottenere da 1 a 3 Watt/h per grammo di combustibile La Motorola , la prima ad aver annunciato l'immissione sul mercato di tali batterie Fuel Cell , sostiene che esse avranno un autonomia di circa una settimana e che avranno dimensioni ridotte .
Batterie da cellulare al Magnesio
Utilizza il magnesio al posto del Litio . Ha un elettrodo in magnesio metallico ed utilizza come separatore uno strato di elettrolita polimerico ai sali di magnesio. A parità di superficie e di tempo , la batteria la magnesio accumula una quantità di energia doppia rispetto alla Litio , pesando un decimo . Il range termico d funzionamento va da -40 a +200 C° ed ha un elevato numero di cicli di ricarica . E’ composta da elementi rispettosi poco inquinanti ed estremamente facili da recuperare e da riciclare . La batteria al magnesio è stata concepita in Italia .
24
CAPITOLO II Risultati del progetto di ricerca condotto dalla RG folloni engineering sas
Dopo un tormentato iter procedurale, è arrivata al traguardo la direttiva europea che disciplina i rifiuti elettrici ed elettronici, destinata a entrare in vigore il 31 dicembre 2006. Punto chiave della direttiva è l'impegno di ogni impresa a offrire una garanzia finanziaria per lo smaltimento del prodotto quando questo sarà immesso sul mercato. Quanto maggiore sarà la percentuale riciclabile o riutilizzabile del frigorifero, dello stereo o del cellulare, tanto minore sarà la garanzia da versare, conferendo così un vantaggio competitivo alle aziende più attente all'ambiente. Al produttore sarà lasciata la scelta se farsi carico individualmente dello smaltimento o partecipare a schemi collettivi di riciclaggio . In considerazione dei primi contatti
e dalle nostre analisi
tecnico-
economiche riteniamo che le aziende costruttrici di cellulari , aziende produttrici di batterie come ricambio , ditte costruttrici di elettroutensili saranno più propense a fare effettuare lo smaltimento tramite accordi bilaterali con aziende specializzate ed attrezzate per il riciclaggio . La grande diffusione dei telefoni cellulari,alimentati con accumulatori ricaricabili,sta ponendo all'attenzione il problema dello smaltimento, al termine del loro utilizzo. I sistemi di accumulatori oggi impiegati nell'alimentazione dei cellulari sono di 3 tipi principali: Ni-MH, Li-ioni, Ni-cd, queste ultime in via di eliminazione. 25
In prima battuta trattasi di sistemi non particolarmente pericolosi,in quanto sono contenuti in involucri di metallo, con valvolina di sfogo, per eventuali sovrapressioni interne. La tenuta è necessaria per il buon funzionamento del sistema stesso;essa tuttavia si attenua nel tempo per possibili maltrattamenti elettrici in particolare sovraccariche e temperature elevate. Essendo oggetti di piccole dimensioni,di peso nell'ordine di poche centinaia di grammi e largamente diffusi,queste batterie sono facilmente disperdibili. La pericolosità e costituita dai composti del sistema elettrochimico alla base del progresso di accumulo di energia. L'accumulatore diventa pericoloso nel momento in cui, per una qualsiasi ragione, si apre l'involucro contenitore metallico. Il tipo Ni-Cd è senz'altro il più pericoloso a causa dell'elevata tossicità del Cadmio e dei suoi componenti, che provocano danni irreversibili alla funzione renale e ai polmoni con possibile azione cancerogena. Il tipo Li-ion anche contiene composti tossici irritanti, pericolosi sempre in caso di rottura del contenitore. I composti del tipo Ni-MH appaiono i meno pericolosi ,tenendo conto che il nichel ossido idrato è pericoloso allo stato di polvere secca, mentre nella batteria e confinato in strutture porose alle quali è bene ancorato, anche se per l'aggiunta di leganti… Per questi motivi, in tutte le batterie ricaricabili per consumo a vendita libera al pubblico , e' chiaramente indicato di evitare le operazioni che possono causare fuoriuscita
dei composti chimici attivi , come
cortocircuitare i poli , gettare nel fuoco , aprire i contenitori e ricaricare con caricabatteria non specifico.
26
Il problema dello smaltimento
Le batterie ricaricabili hanno vita relativamente lunga , sia come numero di cicli che come tempo di utilizzo espresso in alcuni anni , tuttavia e' ben noto che la vita dei sistemi ricaricabili dipende dalle condizioni di utilizzo , quali la profondità di scarica , le correnti di carica e discarica , la temperatura di impiego , i periodi di inattività. Non e' facile stabilire con precisione quando la batteria del cellulare deve essere sostituita . D'altra parte la bassa incidenza del costo per la loro sostituzione sul costo totale del servizio , giustifica una decisione , molto spesso determinata da impressioni soggettive e imposta dalla massima affidabilità richiesta dalla comunicazione a distanza tramite cellulare . Questo determina una maggiore frequenza nella sostituzione della batteria e nella maggior parte dei casi la batteria “gettata” conserva ancora il 90% della propria capacità e della propria efficienza come dimostrato dalle prove effettuate presso il laboratorio dell‘ Università di Modena . Come accennato prima , il numero degli apparecchi telefonici cellulari è rapidamente cresciuto e proprio recentemente ha raggiunto in Italia i 50 milioni di unità in uso o dismessi di recente . Ammettendo una durata media temporale di 2 anni e considerando una energia installata per telefono variabile da 3 a 6 Wh , dovremmo avere ogni anno lo smaltimento di batterie per oltre 50 MWh. (25.000 x 0,5 x 4,5) , che , a densità di energia di 50 Wh/kg , portano a un totale da smaltire di 1000 tonnellate di materiale per anno ( dati riferiti ad una ricerca del 2001 ) Da studi effettati dalla RG folloni engineering s.a.s. emerge la possibilità di riciclare le batterie attraverso il riutilizzo degli elementi tal quali o
27
attraverso il recupero del materiale attivo . Nei capitoli seguenti saranno esaminate le due diverse tecniche. Batterie Ni-MH : Riutilizzo degli elementi tal quali
Lo stato delle batterie sostituite , e quindi destinate allo smaltimento , non è determinato ; anche per motivi sopra accennati , molte batterie presentano caratteristiche ( ciclabilità e capacità di accumulo ) solo di pochi percento inferiori a quelle originarie . E’stata condotta una ricerca su batterie Ni-MH ed stato riscontrato che molti elementi presentano caratteristiche più che soddisfacenti per altri impieghi , quale ad esempio , per la propulsione di biciclette elettromuscolari e di scooter elettrici . Questo tipo di soluzione comporta un lavoro duplice : per primo la scelta degli elementi utilizzabili ( selezione per gruppi omogenei ) ; per secondo il riassemblaggio degli elementi per formare una batteria che risponda alle funzioni richieste . Ad esempio , per le biciclette elettromuscolari è stato realizzato un sistema serie-parallelo per 24 V – 7 Ah , sono stati impiegati circa 150 elementi e l’operazione ha pertanto richiesto un notevole lavoro . La sperimentazione è stata eseguita nell’ambito del progetto “ speed bike” del Comune di Modena e dalla Comunità Europea . Per la scelta degli elementi ancora efficienti abbiamo sperimentato un metodo relativamente semplice , basato sulla resistenza di cella . Questa viene misurata con un normale ponte da 1000 Hz : per la batteria di 5 celle è accettabile una resistenza R di 0.2-0.3 Ohm , un secondo criterio , sempre legato al primo , è quello della tensione sotto corrente di carica : si carica la batteria a 0.5 C e la tensione non deve superare i 7.5 Volt , se R è nei limiti e la tensione sotto corrente supera i 7.5 V , la batteria è accettabile solo se nel giro di pochi secondi la tensione tende a diminuire, 28
scendendo sotto 1.5 volt per elemento . Questo secondo
caso può
verificarsi quando la batteria è rimasta scarica e inattiva per lungo tempo . Da queste brevi note appare evidente che il riciclo delle batterie riutilizzando gli elementi tal quali non sembra avere
applicazioni
possibili su larga scala soprattutto industriale , anche tenendo conto che sono in produzione tipi di elementi alquanto diversi tra loro , il che crea difficoltà nell’assemblaggio della nuova batteria partendo da elementi non omogenei , con capacità diversa e che pervengono, dopo la fase di raccolta, in condizioni completamente diverse . Batterie Ni-MH : Recupero del materiale attivo per realizzare altre batterie
Le
difficoltà
testé
descritte
hanno portato a sperimentare la
possibilità di recuperare direttamente il materiale attivo dell’elettrodo negativo , e impiegarlo nella costruzione di nuovi elettrodi . Con una tecnica
già positivamente sperimentata in piccola scala , si possono
costruire piastre di medie dimensioni , dell’ordine del centimetro quadrato, per batterie di grande capacità per veicoli elettrici ( scooter e auto elettriche ).
L’operazione è prevista in diverse fasi , alcune delle quali manuali , altre meccanizzate , le fasi iniziali richiedono una maggiore manodopera le ultime fasi possono essere completamente meccanizzate ed effettuate con semplici attrezzature. Ponendo che , attualmente, più del 30-40% delle batterie per cellulari sono del tipo Ni-MH , ( questa percentuale cresce per le migliori caratteristiche rispetto alle Ni-Cd , ma risultano negli ultimi 2 anni in costante crescita anche la quota delle batterie Li-on e 29
quelle ai Litio polimeri ) si avranno ogni anno la disponibilità di materiale attivo per costruire batterie per circa 300MWh . Trattasi di una notevole quantità , sufficiente ad esempio per equipaggiare 15000-20000 vetture elettriche , scooter elettrici , biciclette elettromuscolari . Dopo avere effettuato diverse sperimentazioni
si ritiene che la
soluzione, industrialmente migliore, sia quella di costruire le piastre per intrusione del materiale attivo in strutture porose conduttrici , quali feltri in nichel o schiume poliuretaniche metallizzate . Seguita da una pressatura della piastra e trattamento con resina per assicurare stabilità meccanica
all’elettrodo
e legare il materiale attivo
alla struttura
conduttrice . Piccole piastre di 10-20 centimetri quadrati , preparate con questa procedura da materiali di riciclo , nel laboratorio Universitario , hanno dato risultati positivi , sia per densità di energia , sia per le resistenza al ciclaggio ( numero di cicli di ricarica sopportabili dalle nuove batterie ) Batterie Ni-MH : recupero idruri metallici per altri utilizzi
Gli idruri metallici costituiscono un componente base delle batterie e rappresenta circa il 20 % in peso della batterie da cellulare ed hanno di recente trovato
un utilizzo
interessante
e che ha costituito
un
interessante ipotesi di lavoro . In particolare si ritiene che l ‘idruro metallico possa costituire un forte assorbitore di idrogeno quindi particolarmente adatto ad aumentare la capacità di immagazzinamento dell’ idrogeno nei serbatoi .
30
VALUTAZIONE IMPATTO AMBIENTALE E DI SICUREZZA PER IL PROCESSO DI RICICLO BATTERIE Ni-MH ESAUSTE.
Per ogni fase del processo previsto sono state effettuate una serie di valutazioni tecnico-normativo per gli aspetti ambientali e per gli aspetti della sicurezza per gli operatori sia durante la sperimentazione e sia durante la possibile futura messa in produzione del processo . Si sono valutati inoltre anche gli aspetti legati alla ISO 14000 ( tutela ambientale del processo produttivo ) ed alla 626 (tutela degli operatori).
L'operazione che si prevede che si possa di sviluppare di recupero delle batterie Ni-MH si svolgerà essenzialmente in sei fasi qui di seguito brevemente descritte : 1) Raccolta e trasporto delle batterie . Non ci sono problemi in questa fase in quanto si tratta di batterie ad elettrolita trattenuto , e con valvola di sfogo , per cui , a differenza delle batterie ad elettrolita libero , non necessita per il trasporto l'impiego di contenitori speciali antiacido a tenuta di liquido come nel caso delle batterie Pb-acido . Durante la fase di trasporto non sussistono pericoli di fuoriuscita di acido e nessun problema anche in caso di incidente stradale o di ribaltamento del veicolo . In presenza di contenitori integri in plastica delle batterie , durante il trasporto e per le alterne condizioni metereologiche non si sviluppano reazioni chimiche indesiderate o fonte di possibili situazioni pericolose o rilascio di sostante nell ‘aria
31
2) Separazione La separazione e la selezione manuale delle batterie sia nella fase di sperimentazione e sia nella fase industriale non presentano rischi per gli operatori o pericoli in genere . Anche qui non ci sono problemi attinenti a questa fase per gli operatori i quali riteniamo che possano essere semplicemente dotati di guanti generici e indumenti normali quali i camici . Nella prevedibile fase successiva di industrializzazione del processo e di eventuale meccanizzazione della selezione non vi sono comunque pericoli per gli operatori e per l ‘ambiente purchè vengano adottate normali procedure di sicurezza . 3) Frantumazione Il recupero della parte attiva delle batterie comporta la rottura del contenitore in ABS o di altri eventuali dei contenitori in plastica in pezzatura minuta e la successiva separazione magnetica delle celle . Processo industriale molto diffuso , ben noto che non presenta problema di carattere ambientale o di sicurezza per gli operatori purchè vengano adottate le normali procedure di sicurezza per gli operatori dotandoli di guanti e classici indumenti ( camice) e per lo stabilimento con sistemi antincendio , di filtrazione dell ‘aria e abbattimento delle polveri . 4) Triturazione La triturazione delle celle avverrà in trituratore o mulino a coltelli di opportuna dimensione e pezzatura . Tale operazione riteniamo che possa essere effettuata a secco , in base alle ultime prove effettuate in maggio 2003 , in quanto si è potuto costatare che la eventuale reazione del materiale attivo delle piastre negative con l'ossigeno atmosferico è molto limitata e facilmente tenibile sotto controllo. Nelle precedenti prove si era ritenuto di effettuare questa 32
fase in umido in modo che si riducesse il contatto tra gli idruri metallici e l’ossigeno dell ‘aria e si diminuisse anche la dispersione delle polveri nell‘ambiente . In considerazione del buon esito della frantumazione a secco si ritiene che sia possibile evitare la frantumazione in umido riducendo in tale modo i costi industriali ed eliminando la fase successiva di essiccazione. In tale fase sia che essa venga svolta a “secco “ o in “umido” non vi saranno pericoli per gli operatori ne danni per l ‘ambiente .
5) Separazione La separazione dei materiali in polvere dalle parti metalliche e di plastica potrà avvenire in acqua (che è ormai diventata una soluzione di idrossido di Potassio e di Litio) oppure a secco per vagliatura . Se in una prima fase della presente ricerca si era ritenuto indispensabile effettuare la frantumazione e la separazione in umido oggi , dopo le ultime prove effettuate , si ritiene preferibile effettuarle a secco anche in considerazione dei minori costi ed dei ridotti rischi derivante dal macinare a secco degli idruri metallici che tenderebbero in determinate circostanze di temperatura e di contatto con materiali infiammabili ad incendiarsi .
6) Classificazione La classificazione e la separazione delle polveri , nell’ ipotesi che il processo avvenga tutto in ambiente umido , avverrà in base al peso specifico e successivamente il materiale subirà un processo di essiccazione delle varie frazioni selezionate : in questa fase di essiccazione si dovranno utilizzare efficaci filtri a secco per evitare la 33
dispersione delle polveri nell ‘ambiente , di ioni particolari come quelli di ossido di nichel e di carbone eventuale. Nell’ ipotesi preferibile che la classificazione avvenga a secco questa comporterà una vagliatura a più setacci ed una separazione delle polveri molto fini che rischieranno di intasare i filtri . 7) Prodotti derivanti dalla separazione . Dopo la frantumazione e la vagliatura in uscita finale del processo avremo :
a) Polveri di idruri metallici b) Polveri di nichel idrossido e carbone c) Trucioli di acciaio nichelato d) Plastica (ABS) e) Soluzione di KOH+LiOH ( se in umido )
In definitiva si può affermare che nel processo di recupero , che si intende sviluppare , non c'è nulla da scaricare nell'ambiente e non presenta nessun pericolo specifico per gli operatori anche nella fase iniziale di ricerca e di sperimentazione . Anche nell’ ipotesi iniziale della frantumazione e separazione in umido si avrebbe un ricircolo di liquido .
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Valutazione sul processo industriale e sul probabile tempo di ammortamento degli investimenti
Dopo aver valutato il trend del mercato delle batterie per apparati radiomobili (vedi grafico seguente) si ritiene di consigliare che gli investimenti fatti debbano essere ammortizzati velocemente in 3-4 anni in considerazione della corsa tecnologica attualmente in atto tra i vari costruttori soprattutto nell’ottica di un aumento dell’autonomia e della capacità che devono avere la batterie per poter erogare maggiore potenza soprattutto in considerazione dei nuovi servizi offerti dalla telefonia mobile citati precedentemente
Grafico tendenziale
Si ritiene altresì che gli altri utenti delle batterie Ni-MH continueranno ad utilizzare tale batterie , di conseguenza queste saranno presenti sul mercato per molti anni . 35
Il grafico sopra riportato ha valore solo indicativo ed è dedotto dalle informazioni che sono state fornite dai costruttori citati . Si può considerare lo smaltimento della batterie da cellulare , da elettroutensile , da cordless sfasato di circa 1.5-2 anni rispetto al grafico in quanto le batterie ed i cellulari hanno una vita media di 18 mesi . Da questa analisi tecnico-commerciale emerge la necessità di prevedere che il ciclo trasformazione per il recupero della sole batterie Ni-Cd e NiMH debba essere esteso al recupero anche delle altre batterie quali Li-Ion e le Li-polimeri con diversa destinazione dei prodotti finali , ma utilizzando in linea di massima la stessa impiantistica in modo da consentire una vita utile dell ‘impianto di circa 10-15 anni .
Grafico tendenziale
Li-Polimeri
Ni-Cd|/Ni-Mh Li-ion Li-Polimeri
Ni-Cd|/Ni-Mh 1997
2003
2009
La ricerca industriale sviluppata per la TRED Carpi , non ha allo stato attuale valutato altri tipi di batterie da cellulare recuperabili quali ad esempio Ni-Cd , Li-On , Polimeri …. Però ha fin dalle prime fasi valutato un processo di 36
recupero abbastanza flessibile da potersi adattare successivamente ad altre batterie . La raccolta , la frantumazione e la vagliatura non cambierebbero nel caso d’altre tecnologie di batterie , gli impianti resterebbero gli stessi occorrerebbero solo limitate modifiche e occorrerebbe valutare e/o modificare la parte finale del processo ed individuare una possibile destinazione finale dei materiali recuperati cosa che a tuttoggi è stato valutato solo per le batterie Ni-MH .
37
CAPITOLO III La Cernita ( addestramento al riconoscimento ) Abbiamo prelevato circa 1450 kg di batterie dallo stabilimento di stoccaggio della ditta di servizi M.E.T.A. di Modena. Anche se questo campione non è molto significativo , infatti la raccolta condotta da questa società prevede l’ accumulo in un unico contenitore di tutte le batterie . Batterie al piombo, , batterie ad acido trattenuto , batterie stilo alcaline non ricaricabili . Su tale materiale disomogeneo abbiamo fatto una separazione per tipologie ed una successiva analisi statistica . La separazione è avvenuta per suddivisione tecnologica in particolare abbiamo raggruppato : NiCd ; NiMH , batterie alcaline stilo , batterie al Pb , batterie al litio.
Dalla valutazione del peso sono state ricavate le seguenti categorie
riassunte nel grafico e nella tabella seguente.
Tipologia
di batteria
Unità di misura
Quantità Pesata
Percentuale %
Ni-Cd
Kg
247.6
17.4
Ni-Mh
Kg
221.9
15.6
Alcalina (stilo)
Kg
736.5
51.8
Pb - acido
Kg
202.3
14.3
Li – Ion
Kg
13.5
0.9
Totale
Kg
1421,8
100
38
La cernita è stata effettuata manualmente poiché non si disponevano di altri mezzi per eseguirla , anche in considerazione che occorreva determinare le “ procedure “ per poterle distinguere . Importante è fare attenzione a ogni singola batteria al termine che compare sulla etichetta , al colore dell‘etichetta ed alla forma . Abbiamo raccolto inoltre,al fine di poter fare una sorta di classificazione visiva ,un campione per ogni tipologia di batteria in modo che possa successivamente costituire una libreria di riferimento molto utile per il personale da addestrare successivamente . Esistono infatti caratteristiche visive comuni per ogni tipologia di batteria. In questa fase l’operatore che effettuerà la cernita dovrà essere addestrato a riconoscere le diverse tipologie di batterie .
Pd 14% Alcaline 52%
Ni-Cd 17%
LI-ion Ni.MH Ni-Cd Pd Alcaline
LI-ion 1%
Ni.MH 16%
A titolo illustrativo/didattico abbiamo effettuato una serie di foto in modo
da
rendere
più
semplice
successivamente
il
compito
dell’operatore . Nella foto seguente si possono vedere i più comuni tipi di batterie al Ni-Mh presenti in commercio. Questa tipologia di batterie
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è caratterizzata generalmente da una “ banda verde “ posta nel retro, in alcuni casi la batteria stessa è ricoperta da uno strato di plastica verde. Nonostante per legge certi parametri debbano essere rispettati , al fine di favorire la cernita delle batterie, abbiamo notato che in alcuni casi, sebbene nel retro fosse presente una banda verde, le batterie erano di una tipologia diversa da quella specificata. Segno evidente che alcune marche di batterie utilizzano una serie di dati e di serigrafie simili ad altre tecnologie per fare apparire la batteria appartenente ad una categoria di una tecnologia più sofisticata . A titolo informativo invece abbiamo sezionato le batterie della foto precedente per mostrare come sono fatte internamente le batterie al NI-Mh, che generalmente sono composte da una o più celle elementari aventi ciascuna 1,2V di tensione e 300 mAh di capacità .
40
Le batterie al Ni-Mh più comuni in commercio
41
Sezione delle batteria al Ni-Mh
42
Sempre a titolo informativo , e per consentire un successivo addestramento del personale che dovrà separare manualmente le varie batterie , abbiamo effettuato una serie di foto anche alle batterie Ni-Cd. Questa tipologia di batterie ha una varietà di forme ben maggiore della precedente. Generalmente le batterie Ni-Cd sono contraddistinte da una banda bianca posta nel retro ,ma anche qui abbiamo notato una non uniformità da parte delle case costruttrici nel contraddistinguerle dalle altre tipologie. Nella foto seguente si possono vedere i più comuni tipi di batterie al Ni-Cd.
43
Come si può ben notare confrontando le due foto non è semplice distinguere le due diverse tipologie poiché in alcuni casi le Ni-Cd sono state ricoperte da uno strato di plastica azzurro,colore che in certi casi viene utilizzato per il guscio esterno delle NI-Mh. Abbiamo fotografato anche le batterie al litio. Queste,a differenza delle altre tipologie, hanno forme diverse , non si confondono poiché sono tutte caratterizzate o da una banda azzurra su sfondo bianco o da 44
un’etichetta argentata posta sempre nel retro. Inoltre anno un forma circolare di diametro maggiore 8-10 mm . Qui di seguito riportiamo una foto della batterie al litio e la loro cella caratterizzata da 3.6V e 600mAh.
Dall’esperienza diretta che abbiamo avuto durante la cernita, abbiamo costatato
che questa fase dovrebbe essere effettuata da personale
generico però addestrato a riconoscere le marche e gli elementi che caratterizzano , ben addestrato nel riconoscere i diversi tipi di batterie. 45
Per quanto riguarda la fase della selezione
riteniamo consigliabile
applicare un sistema costituito dalle seguenti fasi :
1. raccolta differenziata , proveniente dai negozi specializzati in telefonia mobile , elettroutensili o computer
in modo che
le
batterie raccolte siano solamente provenienti dai cellulari o da elettroutensili . Prevedendo una serie di accordi tra TRED Carpi e i vari operatori nazionali ed esteri , negozi specializzati , grande distribuzione di telefonia mobili .
2. di utilizzare una tramoggia di accumulo , alimentata da contenitori standard in metallo , predisposti per l ‘inserimento delle forche dei carrelli elevatori per la movimentazione e con capacità di ribaltamento in avanti . Questi alimenteranno una tramoggia opportunamente dimensionata che scaricherà le batterie su un nastro trasportatore di gomma , fatto a forma di U. Lungo questo nastro saranno posizionate una a destra ed uno a sinistra 2 operatori che selezioneranno le batterie a seconda della loro tecnologia e li riporranno in un sottostante contenitore . Il numero di 2 persone potrà variare in funzione della quantità oraria che si vuole trattare . Per caricare le batterie sulla tramoggia di carico del mulino a martelli si può utilizzare sempre lo stesso muletto a forche con i contenitori citati o utilizzare un trasportatore a tazze verticale.
46
A
B
C
Gruppi di separazione ( contenitori ) Primo operatore - batterie Ni- Cd ___________________A - batterie Ni – MH _________________ B Secondo operatore - batterie Li-On ___________________C - Batterie Li-polimeri _______________ D - Scarti o indefiniti _________________E
47
D
E
La macinazione e la classificazione
In questo capitolo verranno analizzate in maniera didattica e propedeutica tutte le fasi del processo di recupero. Lo scopo di questa analisi è fornire un quadro generale delle diverse operazioni e fasi che verranno eseguite. Inoltre verranno analizzate, per ogni diversa fase del processo, tutte le tipologie di macchinari possibili al fine di comprendere le diverse caratteristiche che li differenziano. Come vedremo, per ogni singola fase , citata nel capitolo precedente , esistono diverse tecniche e diversi macchinari che svolgono operazioni simili con rendimenti e costi diversi. L’analisi dovrebbe consentire quindi di creare le basi per poter riuscire a scegliere il macchinario più appropriato per ogni singola fase del processo di recupero delle batterie. Dalle ricerche effettuate dalla Rg folloni engineering sas è emerso che le principali operazioni che dovranno essere implementate sono: 1. frantumazione 2. separazione tra le parti metalliche e le plastiche 3. classificazione in ambiente umido ( o secco ) 4. separazione tra i diversi componenti presenti nell’affondante
Nei seguenti paragrafi verranno quindi descritte queste quattro operazioni facendo particolare attenzione nel sottolineare le diverse tipologie di macchinari che possono essere utilizzati. • La frantumazione • La Separazione Magnetica • La Flottazione
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Classificazione volumetrica: idroclassificatori Questa categoria di macchine e quella descritta nel capitolo dedicato ai classificatori pneumatici, benché molto diverse in quanto a struttura meccanica, funzionano sulla base di uno stesso principio: effettuano la classificazione volumetrica delle particelle secondo le loro differenze di velocità di spostamento relativo all'interno di un ambiente fluido. Questo fluido potrà essere un liquido, quasi generalmente acqua ed in questo caso tali macchine vengono definite idroclassificatori. Oppure potrà essere un gas, generalmente aria ed a volte un gas neutro come l'azoto, se si deve classificare un prodotto infiammabile o esplosivo, ed abbiamo le macchine per la classificazione pneumatica o separatori a vento . Un'altra caratteristica comune a tutte queste macchine è il fatto che esse sono generalmente riservate alla classificazione delle particelle fini e molto fini. In generale, quindi, esse costituiscono casi complementari, più che in concorrenza, dei vagli e dei setacci . Esiste tuttavia una zona di sovrapposizione, diciamo, per esempio, tra 100 e 2.000 micron, per la quale si deve effettuare una scelta, a volte abbastanza difficile, secondo le condizioni particolari di ciascun problema posto.
Generalità sulla classificazione fluida
La classificazione volumetrica delle particelle solide libere all'interno di un fluido può essere ottenuta solo se esiste un movimento relativo tra le stesse e l'ambiente fluido; quest’ultimo, d'altra parte, potrebbe esso stesso essere sia fermo che in movimento. Tale spostamento relativo può venire provocato dalla gravità (classificazione gravimetrica) o dall'effetto della forza centrifuga; quest'ultima permette di ottenere accelerazioni uguali a parecchie volte quella della gravità e, di conseguenza, di concentrare l'azione di classificazione in volumi più piccoli, ma i principi di base risultano sempre gli stessi. 49
La velocità di spostamento del grano solido all'interno del fluido sarà, in tutti i casi, la risultante della forza motrice iniziale (gravità o forza centrifuga) che è proporzionale alla massa, quindi contemporaneamente alla densità ed al volume del grano ed alla resistenza opposta dall'ambiente fluido. Questa resistenza dell' ambiente dipende anch' essa da numerosi elementi tra i quali la densità del fluido, il suo grado di viscosità, la forma elementare dei grani, il loro grado di dispersione all'interno'del quale si effettua la classificazione (effetto di parete).Tutti questi elementi influiscono, in misura diversa, sulla tecnologia delle macchine per la classificazione idraulica (o pneumatica), sul loro funzionamento e sui loro metodi di regolazione. Un punto importante sul quale è necessario insistere è che le costanti di densità e di viscosità del fluido portatore si evolvono a partire dal momento in cui esso ha ricevuto la carica delle dispersioni solide; così la densità di una polpa con il 45% di acqua e sabbia di quarzo di densità 2,5 avrà come valore apparente l,S. L'azione ritardante compiuta dalla resistenza dell' ambiente ha come effetto l'imposizione alle particelle di una velocità limitata, che sarà raggiunta tanto più rapidamente quanto più leggere saranno le particelle con cui si avrà a che fare. La classificazione fluida può quindi essere utilizzata in tre direzioni: a) classificazione volumetrica dei grani con densità uniforme ma con dimensioni varie; b) classificazione gravimetrica dei grani con lo stesso volume ma con densità differenti; c) classificazione equivalente : può accadere che volume e densità varino simultaneamente: si ottiene allora la classificazione per categorie dei grani detti equivalenti, poiché ogni categoria è costituita da un miscuglio di grossi grani con scarsa densità e di grani più piccoli con alta densità. Più la densità della soluzione si avvicinerà a quella dei grani solidi, più la velocità di spostamento di questi ultimi sarà ridotta e, al limite, potremo avere il caso dei grani che fluttuano nella sospensione. Giungiamo così agli apparecchi di separazione 50
gravimetrica tramite liquidi densi, molto utilizzati in particolare nella depurazione dei carboni. Nel presente capitolo tralasceremo le tecniche b) e c), utilizzate soprattutto per l'arricchimento dei minerali ma che sta prendendo piede anche nella separazione degli elementi provenienti dal riciclaggio dei prodotti industriali , per descrivere in dettaglio solo la classificazione volumetrica. Tuttavia non dovremo perdere di vista il fatto che, dal momento che i materiali trattati non sono perfettamente omogenei, potrà intervenire un effetto più o meno pronunciato di separazione ponderale che potrebbe turbare il rigore apparente della separazione volumetrica. Sarà in particolare il caso degli impianti di macinazione a ciclo chiuso quando si tratta di composti eterogenei o di miscugli di materiali con differenti densità (per esempio materiali crudi di cementerie o miscugli cemento/loppa, ecc.). Gli scopi della classificazione dimensionale per fluidi possono essere:
a) controllo della dimensione massima delle particelle in un prodotto macinato (macinazione a ciclo chiuso); b) separazione per ulteriori trattamenti appropriati di sabbie grosse e di sabbie fini; c) depolverizzazione, raffinazione o defilierizzazione di sabbie fini; d) separazione delle sabbie in più categorie per un controllo granulometrico ed una eventuale ricostituzione, conforme ad un fuso predeterminato.
In via umida queste operazioni sono spesso combinate a cicli di sfangamento, lavaggio, risciacqua tura, decantazione, addensamento o asciuga tura e, a volte, è molto difficile stabilire la distinzione tra le macchine progettate più specificamente per l'uno o per l'altro uso. Nel corso del presente capitolo ci proponiamo di studiare solo ciò che si riferisce alla classificazione volumetrica dimensionale propriamente detta. 51
Gli idroclassificatori effettuano la classificazione delle particelle solide grazie alle differenze di resistenza che l'acqua oppone alloro movimento, in funzione inversa alle loro dimensioni. Possiamo dividere queste macchine in tre grandi categorie: classificatori statici, classifica tori meccanici, classificatori centrifughi o cicloni. Classificatori statici Queste macchine (fig. 1) agiscono per decantazione, sotto l'azione della gravità, delle particelle la cui dimensione è superiore alla dimensione di taglio. Il deposito che costituisce l'underflow o addensato si concentra nella zona inferiore della macchina, mentre le particelle più fini sono trascinate dalla corrente e tracimano dallo sfioratore superiore.
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Il recipiente che costituisce la vasca di decantazione ha quasi sempre la forma di un cono o di una piramide rovesciata, nel vertice inferiore del quale una valvola, accoppiata ad un dispositivo manuale o automatico appropriato, consente l'evacuazione periodica o semicontinua del materiale decantato. Gli idroclassificatori statici si suddividono a loro volta in macchine con corrente di superficie (caduta libera), con corrente ascendente (caduta impedita) o ancora con movimenti combinati (sbarramenti e risucchi).
Vasche decantatrici a sezione rettangolare La forma più semplice è rappresentata dalle vasche decantatrici, di cui la fig. 2 fornisce un esempio.
Queste vasche sono rettangolari con una base piramidale chiusa da una valvola di evacuazione; generalmente appoggiano in equilibrio su due coltelli e su due travi e vengono mantenute in posizione da contrappesi regolabili. Il miscuglio di acqua e di polveri proviene da un canale inclinato da 3° a 6° ed è versato regolarmente su uno dei lati della vasca. Il liquido in eccesso tracima sopra lo sfioratore situato sul lato opposto. Si stabilisce quindi una corrente di superficie la cui velocità dipende dalla quantità della polpa e dalla larghezza 53
della vasca. La velocità così ottenuta, moltiplicata per la lunghezza della vasca, condiziona la durata del percorso e, di conseguenza, l'altezza di caduta delle diverse particelle solide all'interno della vena liquida. Tutte quelle che, per la loro dimensione, saranno potute scendere nettamente al di sotto del livello della soglia di scarico resteranno nella vasca e si accumuleranno nella parte troncopiramidale. Le altre, trasportate dalla corrente, supereranno con essa lo sfioratore. Quando il peso del materiale depositato nella vasca raggiunge un determinato valore, provoca un certo squilibrio nell'insieme e la valvola posta alla base si apre liberando il passaggio ad una certa quantità di materiale che scorre giù per gravità. Quando il livello di quest'ultimo nella vasca si è sufficientemente abbassato si ristabilisce l'equilibrio iniziale e la valvola si richiude; lo scarico delle polveri dunque avviene ad intermittenza. Non occorre dire che queste polveri , così genericamente definite ma sarebbe meglio definirle fanghi, sono sature di acqua (circa il 30%) e devono subire uno sgocciolamento più o meno completo prima di qualunque altra lavorazione. Alcune considerazioni di ingombro e di peso limitano la capacità delle vasche di decantazione i cui modelli più grossi hanno una superficie di circa l,8x2,2 m, corrispondente ad una capacità totale di 3,5 m3 e ad una possibilità di decantazione che varia da 25 a 40 m3 di polveri secondo la finezza di queste ultime. Si possono assemblare insieme parecchie vasche in modo da ottenere tagli con dimensioni successive, ma generalmente questi ultimi non potranno essere inferiori a 300 o 400 micron. Sono macchine semplici e non necessitano di nessuna forza motrice, ma la capacità di produzione oraria è limitata, la precisione dei tagli è solo molto relativa e si prestano male al recupero del prodotto fine. I mezzi di regolazione sono molto ridotti e si limitano infatti alla possibilità di agire sulla quantità di acqua introdotta nella macchina. Infine, come abbiamo detto, le polveri recuperate sono sature di acqua, cosa che, oltre alle difficoltà di sgocciolamento,
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presenta l'inconveniente di una fase in più che è quella di essiccazione delle polveri di idruri metallici . Tale macchina non è idonea la nostro caso .
Coni decantatori I coni decantatori costituiscono una forma un po' più evoluta dei bacini statici per la decantazione. Qui il bacino ha forma circolare ed il condotto di alimentazione arriva al centro della circonferenza, mentre lo sfioratore occupa tutta la lunghezza. E' così possibile, con uguale impiego di acqua, avere uno stramazzo molto minore e di conseguenza recuperare meglio i prodotti più fini. I movimenti della valvola di evacuazione dei fanghi costituiti dalle polveri di idruri e dell’acqua potrebbero avvenire automaticamente per mezzo di diversi meccanismi che possono avere come base sia il peso della polvere depositata o come nelle vasche precedentemente descritte, sia la densità della polpa nella zona di decantazione che infine un indicatore di livello a mulinello .
A titolo di esempio, un cono Babittless tipo CD 24 con 2,4 m di diametro, ha un ingombro totale in altezza dell' ordine di 5,5 m e può ricevere da 220 a 350 m3/ ora c acqua, permettendo di decantare, secondo la finezza desiderata, da 120
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a 220 tonnellate/ ora di fanghi .Il suo peso a vuoto è di 5 tonnellate, a carico è di circa 21 tonnellate.
Decantatori a base piana Per ottenere un' evacuazione corretta dei materiali decantati, la parete dei coni deve avere una pendenza di almeno 60-70° sull'orizzontale, cosa che aumenta notevolmente l'ingombro in altezza (quando si usano i grandi diametri) e provoca una pressione idrostatica sulla punta del cono tale che il funzionamento della valvola può venire ostacolato. Così ben presto venne l'idea di sostituire la base conica, a forte pendenza, con una base quasi piana sulla quale un sistema di rastrelli in lenta rotazione recuperasse i materiali decantati e li riportasse, in modo continuo, verso l'orifizio di evacuazione posto al centro. Così sono nate le vasche decantatrici, i classificatori a tazze e gli addensatori sistema Dorr, di cui in seguito sono state costruite numerose varianti. Questo dispositivo può essere applicato a bacini con diametro di lO e più metri e per le dimensioni standard che hanno non si prestano alla portata oraria dell ‘impianto che si desidera realizzare .
Decantatori rettangolari Un altro tipo di classificatore statico è quello costituito dalle macchine per la classificazione e la ricomposizione delle polveri dette Sand Sorters o Sand Classifying Tanks. Sono vasche a forma rettangolare molto allungata, generalmente larghe da 2 a 3 m e lunghe da 6 a 12 m. L'alimentazione avviene su uno dei lati più corti, mentre lo sfioratore a forma di U abbraccia il lato più corto opposto e i 2/3 circa del lato maggiore. Sul fondo della vasca sono ripartite da 5 a lO valvole per permettere l'evacuazione dei solidi decantati. Queste valvole di solito vengono comandate automaticamente da un relè elettroidraulico o elettropneumatico collegato ad un indicatore di livello del deposito. A questo scopo, in prossimità di ogni valvola, è situata un'asta verticale che presenta nella 56
parte inferiore un piccolo mulinello metallico la cui rotazione è assicurata da un motore elettrico posto sull'asta. Quando il livello di polvere deposto impedisce la rotazione del mulinello, un relè elettrico disinnesta subito il dispositivo di apertura della valvola corrispondente. La chiusura è garantita dal momento in cui la resistenza davanti alle pale del mulinello scompare. La macchina funziona secondo il principio delle correnti di superficie. Le parti più grosse e pesanti decantano fin dalla loro entrata nel bacino, i fini sono trasportati sempre più lontano verso l'uscita; solo gli elementi inferiori per esempio a 80 o 100 micron sfuggono con l' overflow. Nei canali che raccolgono i prodotti decantati si ottiene una successione di particelle con granulometria decrescente; di conseguenza si offrono diverse possibilità, sia di ricostituire il miscuglio integrale in una sola categoria, sia di costituire più categorie separate come grossi, medi e fini, sia infine, eliminando tutto o parte di questa o di quella categoria in eccedenza, di ottenere per ricomposizione una granulometria che risponda esattamente alla curva desiderata. Le macchine del tipo SandSort, come le vasche ed i coni decantatori semplici,liberano prodotti saturi di acqua che bisogna quindi asciugare successivamente tramite passaggio in macchine apposite, di solito decantatori a coclea (vedi nel proseguo).
Classificatori a corrente ascendente I classificatori a corrente ascendente, detti anche classificatori a sedimentazione ostacolata, effettuano la classificazione delle particelle all'interno di una corrente ascendente dentro una colonna verticale o molto inclinata. La velocità di questa corrente è regolata in modo tale che i grani con dimensioni inferiori alla dimensione del taglio siano trascinati verso l'alto, mentre i grani con dimensioni superiori cadono verso la base della colonna dove un ugello regolabile permette la loro evacuazione. 57
Al fine di migliorare le condizioni della separazione, vengono effettuate alla base o in diversi punti della colonna di separazione una o più aggiunte di acqua limpida .
Nella forma originale l’elemento principale ha l’aspetto di una colonna verticale troncoconica ristretta verso l’alto e collegata nella parte inferiore ad un serbatoio a forma di pera
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Le polveri di idruri provenienti dal sottovaglia sono grezze e mescolate all' acqua vengono introdotte a mezza altezza tramite aperture laterali ricavate a questo scopo. Nella parte rigonfia dell' apparecchio viene introdotta acqua limpida in quantità e pressione costanti, in modo da creare una corrente ascendente la cui velocità andrà leggermente crescendo a causa della conicità ella colonna. I grani fini sono quindi trascinati verso lo sfioratore superiore mentre i grani grossi cadono e sono evacuati da un orifizio posto alla base. Grossi e fini sono molto impregnati di acqua, quindi si dovrà decantare in seguito ed asciugare più o meno completamente. La macchina progettata in questo modo permette di effettuare un taglio abbastanza preciso in tutte le dimensioni comprese tra 200 e 2.000 micron, con capacità che variano da 2-6 tonnellate/ ora di affondante grezzo trattato.
si può solo rimproverarle il suo grande ingombro in altezza ed anche il fatto che consente un solo taglio. Una variante è costituita dal separatore orizzontale, formato da coni decantatori con una forte iniezione di acqua limpida nella zona dell' ugello di uscita (fig. 9). Questi coni si prestano molto bene al taglio nelle dimensioni più piccole, ma la loro precisione di separazione è molto minore di quella della macchina verticale. Per rimediarvi si possono installare più coni in serie, sia sovrapposti che in linea, con intercomunicazione in controcorrente trami travaso di aria compressa per mezzo di pompe. Una terza versione , presa in considerazione per questo processo , è quello del separatore combinato nel quale un dispositivo a colonna verticale opera la selezione dei grossi mentre l'overflow è diretto verso uno o più separatori orizzontali che effettuano la depolverizzazione ed il recupero dei fini. Il separatore principale può essere sia del tipo a colonna (schema della fig. precedente) che del tipo a chicanes (come schematizzato nella fig. 9).
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Figura 9
Questa combinazione permette quindi di ottenere due categorie di polveri depurate che si possono utilizzare sia separatamente sia rimescolate nella proporzione voluta. Nel Lavodune (fig. 10) la separazione tramite corrente verticale avviene in un recipiente cilindroconico
che
comprende
più
pareti
concentriche. L'iniezione di acqua chiara s: effettua dall' alto verso il basso tramite una tubazione centrale. La corrente è diretta verso una succhieruola situata sopra il dispositivo di regolazione dello scarico dei grani) poi risale tra le due pareti del diffusore biconico, all'uscita del quale incontra i grani decantati.
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Il materiale da classificare e separare ,viene introdotto nello spazio anulare tra le due tubazioni concentriche centrali, incontra le correnti ascensionali all’uscita del diffusore. La formazione di una duna di sabbia costantemente rinnovata sulla circonferenza del cono inferiore permette di assicurare un perfetto lavaggio e separazione di quest’ultimo e dà il nome alla macchina. Questa attrezzatura viene costruita in sei modelli con diametri scaglionati da 500 a 1.800 mm e con capacità di produzione che vanno da 4 a 130 tonnellate/ ora, secondo la grandezza della machina e la dimensione del taglio. Può essere regolata per tutti i tagli tra 200 e 1.000 micron. Tale apparecchiatura pur essendo valida per il processo che si intende implementare risulta di dimensioni e di capacità esuberanti rispetto al ciclo previsto per il riciclaggio delle batterie da cellulare .
Abbiamo considerato anche gli idroclassificatori inglesi Duosizer e Floatex di Carpco (fig. 11)
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Essi sono costruiti secondo principi molto simili ai precedenti ma il primo è stato studiato per effettuare simultaneamente due tagli.
Classificatori meccanici
Tutte le macchine statiche che abbiamo descritto hanno come inconveniente il fatto di liberare miscugli solido-liquidi e quindi devono obbligatoriamente essere completate da macchine per la decantazione e l'addensamento e l‘ essiccazione Esiste tuttavia una categoria di macchine che opera tramite separazione in corrente di superficie e nella quale le polveri o i fini decantati sono estratte e fatte risalire in continuazione lungo un piano inclinato tramite un dispositivo di trasporto meccanico. Quest'ultimo può essere una noria a tazze forate,un nastro o una catena a rastrelli,un rastrello con movimento alterno o una coclea; attualmente sono più o meno utilizzati solo questi ultimi due. Il piano inclinato si prolunga oltre il livello del liquido tanto quanto occorre perché le sabbie trasportate abbiano il tempo di asciugarsi adeguatamente. Si giunge così ad ottenere direttamente all’uscita di questi idroclassificatori un addensato che non contiene più del 16-18% di acqua e che è dunque possibile movimentare su un trasportatore a nastro normalmente inclinato. I classificatori meccanici del tipo standard permettono di effettuare la classificazione,in polpa spessa, con dimensioni di taglio comprese tra 150 e 1.000 micron (da 100 mesh a 20 mesh Tyler). Per la separazione con maglie più fini, da 50 a 80 micron, si è obbligati ad agire su polpe più diluite e quindi a far circolare, per una stessa quantità di solido, maggiori quantità di acqua, da evacuare più lentamente in lame più sottili al di sopra dello sfioratore. Tuttavia lo sviluppo dell’impiego degli idrocicloni (vedi proseguo) ha permesso di migliorare con spese minime la classificazione tramite installazione in serie di 62
due tipi di macchine (schema fig. 12).
Classificatori a rastrelli
Uno dei modelli più classici tra i classificatori meccanici in umido è il classificatore a rastrelli . E’ costituito da una vasca rettangolare con fondo piatto, che si installa con una pendenza che può variare da 9 a 14° secondo la dimensione di taglio voluta. La parte inferiore costituisce la vasca di decantazione. La polpa da classificare viene introdotta tramite un canale trasversale posto ad una certe distanza dalla parete inferiore della vasca, parete che serve essa stessa da sfioratore. Le particelle più fini, così come le maggior parte dell’acqua vengono evacuate dalla zona superiore dello sfioratore. Le particelle con granulometrie maggiore alla dimensione di taglio cadono sul fondo delle vasca da dove vengono continuamente riprese da uno o più rastrelli con movimento alterno. I depositi solidi vengono così fatti uscire progressivamente dall’acqua, poi spinti sulla parte delle vasca che si trova all’aria aperta, dove si può perfezionare i loro sgocciolamento, ed infine sono evacuati all’estremità superiore dell’ apparecchio.
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Classificatori a coclea I1 loro principio di funzionamento (fig. 13) È esattamente lo stesso di quello dei classificatori a rastrelli, ma qui l’elemento meccanico di risalita delle polveri o dell ‘affondante è una coclea con grande diametro a passo semplice, doppio e a volte anche triplo. Il valore di questo passe è normalmente scelto tra 0,5 e 0,75 del diametro. Le spire sono di solito costituite di: un nastro di acciaio il cui bordo è protetto da settori di usura in ghisa speciale. Generalmente la coclea è sostenuta da un supporto stagno completamente immerso, posto all'estremità del tubo che serve da anima alla coclea stessa. Il perno fisso sul quale poggia questo supporto è sospeso ad un argano idraulico o elettromagnetico. che permette di far salire la coclea, la cui estremità opposta riceve il supporto di spinta. Tramite questo sistema è possibile liberare la coclea dopo un arresto della macchina e rimetterla in posizione abbassandola progressivamente senza dover vuotare la vasca dei depositi solidi. Questi classificatori, grazie alloro movimento continuo, provocano minor turbolenza nella vasca di decantazione. Possono funzionare con pendenze leggermente superiori a quelle dei classificatori a rastrelli e restituire sabbie asciugate di ottima qualità. Così spesso essi vengono utilizzati come decantatori o addensatori, al fine di separare gli eccessi di acqua contenuti nell'underflow dei classificatori statici.
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Dopo questo excursus , didattico ,
sui separatori
riteniamo i separatori
centrifughi (cicloni) i più idonei per il processo alla TRED Carpi . Al di fuori del settore strettamente minerario, il classificatore a coclea viene impiegato sia come macchina per la classificazione, sia come lavatrice decantatrice, sia come addensatore .
Classificatori centrifughi idrocicloni
Tutti gli idroclassificatori che abbiamo fin qui esaminati utilizzano, come forza che provoca i movimenti differenziali delle particelle, quasi unicamente la gravità. Ciò porta come abbiamo visto, a macchine con considerevoli ingombri sia in superficie che in altezza e ciò tanto più quanto più piccoli devono essere i tagli e quanto migliore deve essere il recupero degli ultra fini. L' introduzione della forza centrifuga consente di accelerare considerevolmente i processi di separazione e di utilizzare macchine molto meno ingombranti , fattore importante per il processo alla TRED Carpi e per la quantità stimata di prodotto da
separare . Per analogia con le macchine già impiegate nella
separazione pneumatica e nella depolverizzazione, sono chiamate Cicloni.
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La polpa abbastanza diluita (concentrazione volumetrica dal 10 al 20%) viene introdotta a pressione elevata nella parte cilindrica del ciclone tramite un ugello tangenziale e assume un movimento di rotazione a turbina attorno alla colonna d'aria che si forma lungo le pareti . Tutta la zona assiale e si divide in due correnti. La corrente principale si evacua dall' orifizio centrale superiore, che serve da sfioratore e trascina le particelle fini.
La corrente secondaria si evacua da un ugello regolabile posto sulla punta del cono, contemporaneamente alle grosse particelle che la forza centrifuga la proiettato contro la parete da cui sono scivolate verso detto cono di scarico. I cicloni classificatori possono differire per le loro dimensioni e proporzioni, per la forma dell'ugello di introduzione che può essere cilindrico, conico o a spirale, ed infine per il materiale che costituisce le pareti e gli ugelli. Data la velocità molto elevata delle correnti che attraversano il ciclone,l'usura può effettivamente essere molto rapida soprattutto nel caso di materiale abrasivo. Da ciò deriva 66
l'impiego di cicloni e di ugelli in ghisa o in acciai speciali o anche di rivestimenti in gomma tipo Linatex o infine di materiali di ceramica (grès o porcellana). Al fine di trarre il miglior rendimento dalla forza centrifuga senza dover ricorrere a velocità tangenziali e quindi a pressioni di introduzione eccessive, si limita il più possibile il diametro degli idrocicloni ed eventualmente, quando la produzione lo necessita, si può istallarne tutta una serie in parallelo. I diametri delle macchine attualmente in uso vanno così da 50 fino a ca. 600 mm; i coni di evacuazione hanno quasi sempre un angolo alla sommità dell'ordine di 30°. I cicloni funzionano generalmente con l'asse verticale ma possono, quando si vuole guadagnare in altezza, essere installati con l'asse inclinato fino a 45° sull'orizzontale. Oltre al loro impiego normale come classificatori, gli idrocicloni possono funzionare come macchine per la concentrazione gravimetrica, come addensatori, come disidratatori o come sfangatori. Se le dimensioni del ciclone sono state ben scelte esso darà una buona separazione tanto quanto i classificatori a rastrelli o a coclea ed i prodotti ottenuti all'underflow saranno un po' più diluiti (dal 25 al 30% di acqua). Secondo i casi, il ciclone dovrà quindi essere seguito da una macchina per l'asciugatura se si vogliono ottenere polveri adeguatamente disidratate, oppure servirà esso stesso da addensatore per concentrare la polpa molto diluita di un overflow di classificatore statico
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La ciclonatura permette di effettuare separazioni da qualche micron fino a 500 micron e più. I soli mezzi di regolazione, una volta scelta la macchina, risiedono nella pressione di introduzione (da 0,2 a 5 bar) e nel grado di diluizione della polpa; se si vuole ottenere un taglio regolare queste ultime devono quindi essere perfettamente costanti. Da molti anni ormai l'idrociclone ha preso il posto degli idroclassificatori meccanici negli impianti di macinazione fine a ciclo chiuso. Infinitamente meno ingombrante e meno costoso necessita, tuttavia, della messa in pressione della polpa tramite pompe che assorbono potenza e sono soggette all'usura. Per ciò che riguarda la questione potenza si è fatto osservare che quella necessaria per il pompaggio non supera la somma di quelle necessarie per l'idroclassificatore meccanico e per la chiocciola di rialimentazione del mulino (essendo quest'ultima più grande di quanto si immagina generalmente). Nella tabella di fig. 17, a titolo d esempio, viene riportata qualche costante di funzionamento degli idrocicloni
Teoria della classificazione idraulica Come abbiamo detto all'inizio di questo capitolo, la classificazione è l'operazione di calibratura solida tramite la sedimentazione in un liquido. La sedimentazione avviene in modo che le particelle fini siano trascinate dalla corrente idraulica. Quando quest'ultima percorre la vasca di classificazione per tutta la sua lunghezza, si ha la classificazione per corrente orizzontale (o corrente 68
di superficie). Quando al contrario è diretta dal basso verso l'alto per traboccare nella parte superiore, la classificazione è detta per corrente verticale o ascendente. Infine, quando si effettua in una corrente a turbolenza si ha a che fare con un sedimentazione accelerata (classificazione centrifuga o ciclonica). La velocità di sedimentazione misura la rapidità con la quale le particelle cadono attraverso la polpa. Questa velocità, accelerata all'inizio, raggiunge presto un valore limite che dipende dalla resistenza al movimento opposta dall'ambiente liquido, o meglio solido-liquido (polpa). Lo studio sperimentale delle velocità di sedimentazione ha mostrato che queste ultime decrescono regolarmente man mano che diminuisce la dimensione delle particelle, secondo una legge complessa che si è provato a definire con diverse formule, più o meno derivate dalla legge di Newton come quella proposta da Von Rittinger:
• R= è la velocità di sedimentazione in mI al secondo, • D =il diametro della particella in mm, d1 il peso specifico della particella, • d2 = il peso specifico della polpa, • f = il coefficiente di attrito che dipendi dallo stato della superficie e dalla forma delle particelle, • g = l'accelerazione dovuta al peso. Per grani rotondi di quarzo il valore medio di f√2g è 87. Ma questa formula è applicabile solo per valori di D superiori a 0,2 mm (200 micron). A questa dimensione corrisponde una zona critica al di sotto della quale le velocità di caduta osservate diventano molto inferiori a quelle che darebbe la formula di Rittinger. Si pensa che questa anomalia possa essere spiegata dal fatto che al di sotto di detta massa critica la resistenza al movimento opposta dall' ambiente liquido cambi in genere e diventi preponderante la nozione di viscosità. La caduta delle particelle più fini obbedirebbe allora alla legge di Stokes: 69
K coefficiente il cui valore può essere fissato a 424 per sabbie di quarzo. Infatti fino al valore di D=200 micron i risultati sperimentali concordano perfettamente con la formula di Stokes; la formula di Rittinger è spesso contestata a riguardo della sua applicabilità nella zona compresa tra 200 e 2.000 micron, che è proprio quella della maggior parte delle separazioni per via idraulica. Il collegamento matematico tra le due formule ha dato luogo a numerosi studi che utilizzano in particolare due nuovi coefficienti: coefficiente di resistenza:
ed un coefficiente detto numero di Reynolds V è il coefficiente di viscosità. La combinazione delle due ha permesso di determinare una curva di collegamento relativamente sufficiente (formula di Castleman). L’interesse principale di questi sviluppi matematici è quello di permettere il controllo, la coordinazione ed eventualmente 1'estrapolazione dei risultati da dati sperimentali, che si sono potuti trascrivere sotto forma di tavole o di abachi ai quali è comodo riferirsi per il calcolo dei dati di base delle macchine. Tuttavia non bisogna perdere di vista che i dati medi registrati sono soggetti ad eventuali correzioni secondo: -la viscosità della polpa che varia con la temperatura e col tipo di solidi in sospensione; dipende : - dalla sua densità; - dal coefficiente di forma dei grani;
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- dal metodo di sedimentazione: libera, ostacolata, accelerata (ciclonaggio) e la relativa velocità ( vedi tabella seguente).
E' per questo motivo che è indispensabile poter disporre sugli idroclassificatori industriali di mezzi di regolazione che permettano di far variare, entro limiti il più ampi possibili, i loro diversi parametri di funzionamento, per poter adeguare questi ultimi al tipo particolare di prodotti trattati. Prendendo come dati di base il volume della polpa da trattare, la dimensione di taglio desiderata e la velocità di caduta che corrisponde secondo le formule o le tavole, a detta dimensione, sarà possibile farsi una prima idea delle proporzioni generali del classificatore adatto o anche, al contrario, della produzione che potrà assicurare un classificatore con date dimensioni.
Caso del classificatore con corrente di superficie Se Q è la quantità di polpa da trattare (litri/ ora), D è la dimensione di taglio! R la velocità di sedimentazione di detta dimensione, W la larghezza dello sfioratore, H lo spessore della vena liquida al di sopra dello sfioratore, la lunghezza L del bacino dovrà essere tale che tutte le particelle con dimensione superiore a D abbiano il tempo di percorrere all’interno della vena liquida una distanza verticale superiore ad H. Infatti 1'esperienza mostra che, per avere una
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probabilità del 100% di trattenere la particella D bisogna che essa abbia avuto il tempo di percorrere da 1,9 a 2,6 H. Essendo la velocità teorica di corrente:
L dovrà essere tale che:
o anche sostituendo V con il suo valore secondo la formula
Ma bisogna comprendere bene che un calcolo simile, così come quelli che seguiranno, può dare solo ordini di grandezza. Non tiene conto né della preclassificazione che può avvenire nei condotti di portata, né della turbolenza provocata dall’alimentazione, né di quella che deriva dalla evacuazione periodica o continua delle sabbie depositate. Ogni macchina avrà bisogno di fattori correttivi propri del suo metodo di costruzione.
Caso dei classificatori a corrente ascendente Qui la velocità della corrente ostacola la caduta dei grani e, al limite, la neutralizza. La classificazione al punto di taglio avviene quindi sotto l'effetto di bassissime velocità relative e la formula di Stokes sarà in ogni caso applicabile. Tuttavia 1'azione dei classificatori con corrente ascendente è molto complessa e sfugge in gran parte al calcolo. In effetti, ed a dispetto di tutte le precauzioni prese, non si è certi di avere una velocità uniforme su tutta la sezione della colonna. Nel punto di cambio di direzione della corrente si provocano 72
obbligatoriamente mulinelli e movimenti vorticosi che hanno effetto sulla decantazione, provocando la costituzione di dune o di banchi. Infine, anche le introduzioni di acqua limpida hanno un effetto perturbatore poiché abbassano localmente la densità della polpa. Qui il calcolo può intervenire soltanto nella misura in cui, secondo determinazione sperimentale delle costanti di funzionamento di un dato prototipo, si cercherà di estrapolare tali risultati su una macchina simile ma con dimensioni differenti.
Caso della decantazione accelerata : ciclonaggio Qui la sedimentazione è assicurata non più dalla gravità, ma grazie a forze centrifughe (fig. 20) il cui valore di accelerazione raggiunge normalmente parecchi g. In questo caso non ci sono velocità di caduta critiche e si può ammettere che la formula di Rettinger sia applicabile per tutte le dimensioni delle particelle. Queste ultime sono proiettate contro la parete cilindrica con una forza F proporzionale al quadrato della velocità di rotazione della corrente:
D, d1 e d2: stessa notazione di prima; V = velocità di entrata della polpa; r = distanza della particella dal centro di rotazione Le particelle più grosse si aprono un passaggio fino alla parete mentre le altre formano uno strato di dimensioni decrescenti; le più fini restano vicino al centro dove sono in qualche modo "schiumate" dalla corrente di overflow. Così la dimensione di taglio risulterà da un complesso rapporto da stabilire tra il diametro interno della parete cilindrica del ciclone e quello del1'ugello di ammissione, del1'ugello di evacuazione del1'overflow (vortetx) e dell'ugello di evacuazione della polpa (apex) 73
TEST DI LABORATORIO :
Prove di macinazione e separazione
Presso un laboratorio attrezzato e dotato di tutti i macchinari necessari abbiamo provveduto ad effettuare, ai fini di una verifica di quanto testato nel laboratorio dell ' Univesità di Modena, un approfondito test in scala maggiore . Abbiamo successivamente effettuato due serie successive di prove di macinazione/separazione ed un’analisi dello stato dimensionale del materiale frantumato dal mulino,scomposto in più classi mediante vagliatura frazionata. Le informazioni ottenute dall’analisi granulometrica risultano utili per calcolare la percentuale cumulativa passante,percentuale che posta in grafico fornisce le suddette “curve granulometriche” attraverso le quali si può valutare se la granulometria è conforme a certi requisiti;se è troppo grossa o troppo fine e se difetta di qualche frazione intermedia. Abbiamo quindi analizzato la parte più fine usando una serie di setacci che vanno dai 841,595,420,300,212,150,106,75,53,38 micron(vedi la tabella con le relative quantità di materiale non passato e i grafici riportati di seguito).
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Prove di frantumazione e vagliatura effettuate il 15/05/2003 Quantità iniziale Dimensioni del setaccio
107,9 g Rifiuto (g)
Rifiuto %
841
16,58
15,366
595
11,32
10,491
420
9,36
9,0867
300
9,43
8,7396
212
10,46
9,6942
150
7,90
7,3216
106
8,46
7,8406
75
7,82
7,2475
53
7,28
6,747
38
10,62
9,8424
(micron)
Figura: curva granulometrica del rifiuto ( 15/05/2003 ) curva granulometrica del rifiuto
26 24 22 20
peso del rifiuto
18 16
g
14 12 10 8 6 4 2 0 841 595 420 300 212 150
106
75
75
53
38
Figura : curva granulometrica della percentuale del rifiuto (25/05/03) curva granulometrica del rifiuto
0,3
0,25
0,2
%
% del rifiuto
0,15
0,1
0,05
0 841 595 420 300 212 150 106
75
53
38
Curva Granulometrica cumulativa del passato
100 90 80 70 % 60 50 40 30 20 10 0 0
38
53
75
106 150 212 300 420 595 841 1000
76
Dimensioni del setaccio
Rifiuto (g)
Rifiuto %
Passato ( g)
Passato in %
(micron) 841
16,58
15,366
92,1537
85,4
595
11,32
10,491
80,8337
74,9
420
9,36
9,0867
71,4737
66,2
300
9,43
8,7396
62,0437
57,5
212
10,46
9,6942
51,5837
47,8
150
7,90
7,3216
43,6837
40,4
106
8,46
7,8406
35,2237
32,6
75
7,82
7,2475
27,4037
0,253
53
7,28
6,747
20,1237
0,186
38
10,62
9,8424
9,5037
0,0880
Per
effettuare
l’analisi
granulometrica
abbiamo
utilizzato
un
vibrosetacci a movimenti sussultori (vedi foto seguente). Inoltre avendo “spinto” l’analisi fino a 38 micron abbiamo dovuto utilizzare il pennello per fare passare parte del materiale che, anche se di dimensioni più piccole del setaccio,non passava.
77
Prima
Dopo l’utilizzo del pennello
78
Seconda macinazione
Vagliatura 15mm
Parte fine che contiene ferro lana e idruri
Lana contenente idruri
Separazione in ambiente umido Vagliatura 2 mm
Parte più fine con elevato tenore di idruri metallici
Parte che contiene ferro e poca lana
79
Mulino a martelli utilizzato per le prime due fasi di macinazione Motore 15 Hp
80
Prova di macinazione del 30/06/2003
Totale materiale integro di batterie Ni-MH
21.1 kg
Caricamento
: tramite tramoggia di carico alla rinfusa
Prima passata
: mulino a martelli oscillanti
velocità 1000 rpm
Rottura scatola in plastica , separazione plastica dal macinato Dopo diverse prove ed esperienze è stato trovato il metodo di apertura delle carcasse senza frantumarle eccessivamente , fattore ottimale per il processo in sviluppo dalla TRED . In precedenza si era testata la apertura a mano degli involucri operazione che avrebbe determinato una incidenza alta della manodopera , la rottura delle batterie per "cesoiamento" che ha comportato un'eccessiva frantumazione , e costi alti di separazione delle particelle di ABS e di metallo dalle polveri . Seconda passata : mulino a martelli rigidi ,
velocità 1500 rpm
Rottura celle e frantumazione fine
Per verificare il migliore rendimento della frantumazione si sono fatte diverse prove , sia con mulini a martelli fissi e rigidi , con mulini a sfere fino a trovare la macchina e la velocità ottimale per il processo
MATERIALE Carcasse in plastica Parti metalliche Feltro Polveri metalliche sotto 1.5 mm TOTALE
PESO Kg
% per tipo di materiale
4.2 6.9 2.1 7.9
19.9 32.7 9.9 37.5
21.1
100
81
L'impianto di riciclaggio , schema e disegno tecnico
Dalle valutazioni teoriche effettuate , dalle prove tecniche sviluppate inizialmente nel Laboratorio dell' Università di Modena e successivamente nel Laboratorio di trattamento dei minerali di Pavia abbiamo estrapolato una notevole messe di dati che ci hanno consentito di sviluppare il processo industriale ed il progetto dell'impianto di riciclaggio .Sono state definite le portate , i consumi , le macchine più idonee ed le condizioni migliori per avere dei buoni rendimenti secondo lo schema riportato.
Ni - MH
SEPARAZIONE PER TIPOLOGIA DI BATTERIE
RACCOLTA
FRANTUMAZIONE
STILO ALCALINE Pb – ACIDO
VAGLIATURA
PLASTICA
METALLO FELTRO
NI – Cd
Li - On POLVERI METALLICHE ( contenenti idruri metallici POLIMERI
ALTRI PROCESSI DI RECUPERO
PLASTICA
FERRO
POLVERI METALLICHE
82
)
Descrizione del ciclo di processo
L'operazione che pensiamo di sviluppare si svolge essenzialmente in sei fasi qui di seguito brevemente descritte : Raccolta e trasporto delle batterie . Previa accordo con le case costruttrici , importatrici e di telefonia mobile viene organizzato dalle stesse il trasporto verso il centro di smaltimento . Nessun problema in questa fase in quanto si tratta di batterie ad elettrolita trattenuto, e con valvola di sfogo, per cui, a differenza delle batterie ad elettrolita libero ( es. piombo acido ) non necessita per il trasporto l'impiego di contenitori speciali antiacido a tenuta di liquido. Si ritiene indispensabile che la raccolta avvenga nei negozi o nei grandi centri commerciali in modo che pervengano alla TRED CARPI solamente batterie da cellulare, da elettroutensile o da computer . Non possono pervenire dai centri di raccolta e dalle municipalizzate batterie alla rinfusa in quanto la loro selezione comporterebbe costi alti . Si ritiene molto utile che le batterie viaggino in contenitori appositi , con dimensioni non elevate e facili da sollevare con carrelli elevatori. Separazione , come riportato nello schema precedente si ritiene che 2 persone siano sufficienti alla selezione manuale , l'ipotesi meccanizzare tale operazione risulta tecnicamente molto complessa per la varietà di forme e di colore delle batterie. La selezione manuale delle batterie nella fase di sperimentazione e di produzione non presenta nessun problema di sicurezza. Il mulino pos. 4 effettua una prima rottura , che sostanzialmente apre l'involucro, facilitando l'espulsione delle batterie vere e proprie . Frantumazione . Avviene facendo caricare , tramite un nastro trasportatore il mulino a martelli oscillanti ( vedi fotografia ) in modo che si abbia una prima separazione del contenitore in plastica dalle celle .Successivamente passa attraverso un secondo mulino a martelli di uguale portata , ma di caratteristiche e velocità diverse in modo che frantumi le celle ed i loro contenitori metallici .
83
In questo modo otteniamo la triturazione delle celle in opportuna dimensione e pezzatura. Il feltro tenderà ad arrotolarsi ed avrà al suo interno una minima parte di polvere metallica. La velocità di rotazione pulisce i batufoli di feltro arrotolati. Le parti metalliche , per effetto della rotazione tendono ad arrotolarsi formando palline di fascette metalliche , senza quindi spezzettarsi in frazioni fini . La conservazione integra delle parti metalliche rende i sotto prodotti di maggior pregio . Per lo stesso motivo della velocità di rotazione e della forza centrifuga da essa indotta si otterranno "palline" metalliche sufficientemente puliti dalla polvere. Il mulino in pos. 10 rompe la parte dura delle batterie consentendo la fuoriuscita delle polveri. Separazione . Avviene tramite una vagliatura a secco dei materiali in polvere ed una successiva separazione dalle parti metalliche e di plastica. Il vaglio nella pos. 7 ed il sistema magnetico pos. 8 eseguono la prima cernita. Gli involucri non completamente aperti (A) saranno riciclati di nuovo nel mulino pos.4 , la plastica pulita sarà rimossa (B) . Le batterie liberate dall'involucro passano al secondo mulino pos. 10 . Il vaglio pos.11 con il sistema magnetico pos.12 rimuove la plastica ed il feltro liberate (D) in questa fase e separa le polveri magnetiche riponendole in (C). Classificazione separazione delle polveri in vagli con maglie molto fini . successivamente si ipotizza una fase di arricchimento adottando eventualmente adottando un ciclone separatore , quindi in ambiente umido, in base al peso specifico e successiva essiccazione delle varie frazioni selezionate : in questa fase di essiccazione si dovranno utilizzare efficaci filtri a secco per evitare la dispersione delle polveri, di ioni particolari come quelli di ossido di nichel e di carbone eventuale. Il vaglia pos.13 esegue la classificazione granulometrica delle varie polveri ottenute Mentre il filtro pos.14 ed il sistema gas inerte pos. 15 provvedono alla tutela ambientale .
84
In uscita finale del processo avremo dal processo • Polveri di idruri metallici • Polveri di nichel idrossido e carbone • Trucioli di acciaio nichelato • Plastica (ABS) E nella ipotesi di adottare un processo di arricchimento per valorizzare meglio gli idruri metallici si effettuerà una ulteriore classificazione/arricchimento tramite un processo in umido adottando un idrociclone . in tale caso si otterranno delle soluzione di KOH+LiOH ( idrossido di potassio , idrossido Ni e Li ).
L'impianto si sviluppa su due piani ed occupa un'area di 18 x 6 metri Con un altezza dell 'impianto di 5.3 metri che diventano circa 9-10 metri considerando l'impianto di abbattimento delle polveri e l'annesso camino.
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CAPITOLO IV “ destinazione degli idruri metallici “
Premessa Inizialmente,dalle prove ottenute in laboratorio,avevamo pensato che fosse economicamente realizzabile la separazione dei diversi metalli al termine del ciclo di macinazione e vagliatura. Nel 2002 si pensava che le operazioni di lisciviazione fossero economicamente sostenibili, ma dopo alcune valutazioni tecnicoeconomiche e di impiantistica si è valutata la strada non percorribile anche in considerazione del calo delle batterie Ni-MH rispetto alle Lion . Oltre a questi fattori si è ritenuto fondamentale, in accordo con la TRED CARPI, implementare un processo di recupero flessibile in modo che si potesse recuperare con lo stesso impianto anche le nuove batterie Li-on , ai polimeri e tutte quelle prevedibili per nel futuro. Dalle prime prove effettuate all ' Università e dai lusinghieri risultati ottenuti è emersa la possibilità di poter utilizzare gli idruri ,ottenendoli semplicemente dopo dalla seconda macinazione e successivamente verificare la possibilità di utilizzare gli idruri metallici , nella forma risultante dalla macinazione a secco , per aumentare significativamente l’immagazzinamento dell’idrogeno. Attualmente infatti le tecnologie di immagazzinaggio e trasporto si sono molto sviluppate rispetto a quelle di produzione. Gli svantaggi, però, sono legati alle diverse tecnologie di produzione e alle applicazioni pratiche dell’idrogeno. Infatti, nonostante l’enorme
versatilità
delle
caratteristiche
fisiche
e
chimiche
dell’idrogeno, è spesso molto difficile abbinare agli impianti di 90
produzione delle idonee tecniche di immagazzinaggio, così come non sempre i metodi di trasporto soddisfano le necessità degli utilizzatori finali. Nei successivi paragrafi effettueremo l'analisi della tecnologia d'immagazzinaggio e trasporto dell'idrogeno attraverso l’utilizzo degli idruri metallici . Se la parte economicamente più interessante risultano essere gli idruri metallici non sono da trascurare gli altri metalli in particolare si potrebbe spingere il processo di recupero fino ai singoli elemnti oppure fermarsi ai composto comi gli idrossidi di Ni e di Potassio
Possibili destinazioni finali dei componenti metallici di base Metallo NICHEL
Simbolo Ni
COBALTO
Co
ALLUMINIO
Al
LITIO
Li
CROMO
Cr
Settore di utilizzo Usato in fonderia , industria chimica come catalizzatore , E' usato in molte leghe e come ricoprente attraverso elettrodeposizione per la sua resistenza alla corrosione. Con il cadmio forma la coppia redox nelle batterie. E' impiegato anche come catalizzatore e nelle monete metalliche ., nichelatura di metalli . Entra nelle leghe di Argentana, nicromo , platinite, acciaio inox, lega Monell , Buona commercializzazione in truccioli Minore valore se in polvere Prezzo finale in funzione della purezza Usato in fonderia come additivo , nelle leghe metalliche . nell'industria ceramica , per fabbricare il vetro , nel settore medicale , come catalizzatore , fabbricazione di magneti permanenti , nella fabbricazione di colori e smalti Il prezzo finale dipende molto dalla purezza e dallo composizione Usato in fonderia , recuperato e rifuso per realizzare infissi , contenitori particolari meccanici , per fabbricare esplosivi , forma le leghe Ammonal , Magnalio , duralluminio , Zincaglio , bronzoalluminio . Sotto forma di polvere nell'industria estrattiva Buona commercializzazione in truccioli Minore commercializzazione in polvere Usato dai fabbricanti di batterie , industria vetraria ed in quella farmaceutica, usato come additivo nei grassi di lubrificazione , dalle industrie ceramiche ceramiche Prezzo finale in funzione della purezza Usato come additivo nelle fonderie , settore ceramico , per i vetri , componenti elettrici , industria galvanica per la cromatura , Prezzo finale dipendente dal grado di purezza 91
MOLIBDENO Mo RAME
Cu
CADMIO
Cd
LANTANIO
La
Usato in fonderia per realizzare leghe di acciai , industria spaziale , Prezzo finale dipendente dal grado di purezza Usato in fonderia e nell 'industria , per preparare anticrittogamici , leghe di ottone , argentana , bronzo Buona commercializzazione in truccioli Minore valore se in polvere Prezzo finale in funzione della purezza Usato per la costruzione di batterie , come additivo in fonderia , come protettivo antossidazione , usati dall'industria delle vernici , industria elettrica Prezzo finale in funzione della purezza e della composizione chimica Usato per realizzare batterie , nell'industria ottica , nella fabbricazione di magneti permanenti . Componenti (pins, deflettori, contatti, ecc.) per lampade ad incandescenza, per lampade alogene, per lampade ad alta intensità, resistori per forni sottovuoto. Prezzo finale in funzione della purezza e della composizione chimica
Uno dei nostri obiettivi è quello di poter utilizzare gli idruri metallici per immagazzinare l 'idrogeno in condizioni economicamente più vantaggiose rispetto alla tecnologia del freddo spinto ( H liquido ) o delle nanostrutture ancora nella fase embrionale della ricerca . Negli Stati Uniti l 'utilizzo degli idruri è un metodo ormai sufficientemente diffuso a livello industriale . L’utilizzo dell‘idrogeno come fonte di energia alternativa al petrolio è molto avanzata , è uno dei settori dove si ha la maggior concentrazione di ricerca a livello mondiale. Ricerca si sviluppa nei seguenti settori - trazione elettrica - movimentazione persone e delle merci - fonte di energia locale in assenza di collegamenti elettrici - produzione di energia elettrica primaria
92
- fuell cell per la produzione di energia elettrica sia per veicoli che per utilizzi stazionari Tali applicazioni consentiranno portare a valori quasi a zero le emissioni nell’atmosfera e gli effetti inquinanti .
Il Combustibile del futuro: l’Idrogeno L'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'universo, ma sulla terra non si trova allo stato libero perché il suo atomo, costituito da un solo protone e da un elettrone, è 14 volte più leggero dell'aria e non viene trattenuto dalla gravità. La sua molecola (H2), però, è la componente fondamentale di tutta l'acqua (H2O) degli oceani e si trova anche nel carbon fossile, negli idrocarburi e nei composti organici, per cui si può tranquillamente affermare che, come carburante, sarebbe disponibile in quantità pressoché illimitata. I problemi che si oppongono all'utilizzo dell'idrogeno come carburante, al posto dei derivati dal petrolio, sembrano essere solo la sua estrazione e il suo contenimento. Uno dei sistemi usati oggi per estrarre l'idrogeno è il cosiddetto "Steam Reforming" (trasformazione con vapore) che si basa sulla reazione fra metano, nichel e vapor d'acqua a 800°C. Oppure si può far reagire il vapor d'acqua col carbon coke a 900°C. Questi metodi, tuttavia, hanno delle
componenti
fossili
che
sarebbe
opportuno
evitare.
Il metodo naturale per la produzione dell'idrogeno è invece l'elettrolisi (la separazione dell'ossigeno dall'idrogeno nelle molecole d'acqua), ma questa reazione avviene a circa 3500K per cui si tende a privilegiare reazioni che coinvolgano ossidoriduzioni a temperature più basse. Tecnologie d'immagazzinaggio dell'idrogeno Un processo d'immagazzinaggio pratico ed economico dipende dalla capacità, dall'integrità strutturale del materiale impiegato, dal costo 93
totale e da altre condizioni quali temperatura, pressione e purezza dell'idrogeno (National Renewable Energy Laboratory, 1998). Le tecnologie di immagazzinaggio analizzate sono: • Idrogeno compresso. • Idrogeno liquefatto. • Idruri di metallo. • Idruri chimici. • Sistemi basati sul carbonio. • Microsfere di cristallo. I primi due metodi, sono in genere usati in impianti per la produzione di energia e per il rifornimento degli autoveicoli. La tecnologia ad idruri chimici, invece, è idonea per l'immagazzinaggio a lungo termine dell'idrogeno. Abbiamo detto che l'immagazzinamento può avvenire sottoforma di gas compresso in appositi serbatoi (lo stesso sistema utilizzato per il metano). Purtroppo, se lo confrontiamo con quest'ultimo, per produrre la stessa quantità di energia sarebbe necessario immagazzinare una quantità di idrogeno 4 volte superiore o aumentare considerevolmente la pressione dei serbatoi con maggiori rischi per gli utenti. Oppure può essere utilizzato lo stoccaggio sotto forma di liquido. Dato, però, che l'idrogeno ha un basso punto di ebollizione (-253°C a una atmosfera), è necessaria molta energia per mantenere l'idrogeno liquido refrigerato ( sistema attualmente in uso presso alcuni costruttori automobilistici tedeschi BMW ). Questo inconveniente limita di fatto le applicazioni dell'idrogeno liquido a situazioni molto particolari (per esempio lo Shuttle usa idrogeno
94
liquido). Un modo alternativo, più pratico e sicuro dei precedenti, risulta essere l'immagazzinamento sotto forma di idruro metallico. Idruri di metallo per immagazzinare l‘idrogeno Gli idruri di metallo sono dei composti che trattengono idrogeno nello spazio interatomico di un metallo. Fino ad oggi il motivo di questo disinteresse era dovuto al fatto che gli idruri conosciuti erano di tipo "binario" cioè composti solo da un metallo e dall’idrogeno e anche quando furono sperimentati i primi idruri di tipo "ternario" fu inizialmente quasi impossibile controllare le loro proprietà meccaniche e termodinamiche.
Semplificazione della reazione d’idrogenazione del metallo.
Questi problemi rimasero irrisolti fino a quando si crearono i primi idruri a base di leghe di metalli le cui diverse proprietà furono adeguatamente impiegate e le applicazioni pratiche degli idruri rese così possibili. Gli idruri si formano ed agiscono attraverso due fasi: l’assorbimento ed il rilascio dell’idrogeno. L'assorbimento dell'idrogeno nello spazio interatomico (idrogenazione) è un processo esotermico che richiede
raffreddamento
mentre
la
sottrazione
di
idrogeno
(deidrogenazione) è un processo endotermico che richiede calore. 95
Quando la pressione dell’idrogeno viene inizialmente aumentata l’idrogeno si dissolve nel metallo e quindi comincia a legarsi con esso. In questa fase la pressione operativa rimane costante fino al raggiungimento del 90% della capacità di immagazzinaggio. Al di sopra di questo limite è necessario operare con pressioni elevate per raggiungere il 100% della capacità. La dispersione di calore durante la formazione dell’idruro devono essere continuo per evitare che l’idruro si infiammi. Se l’idrogeno viene estratto da un altro gas, una parte di esso può essere liberata in modo che porti via gli elementi estranei che non si legano al metallo. Con la deidrogenazione invece, si spezza il legame formatosi tra il metallo e l’idrogeno e la pressione operativa aumenta all’aumentare della temperatura. Inizialmente si opera a pressione elevata e viene rilasciato idrogeno puro quindi in seguito alla rottura del legame con il metallo la pressione si stabilizza fino a ridursi drasticamente quando nell’idruro residua circa il 10% dell’idrogeno. Quest’ultima parte di gas è molto difficile da rimuovere essendo quella più saldamente legata al metallo e quindi spesso non può essere recuperata nel normale ciclo di carico e scarico. La temperatura e la pressione di queste reazioni dipendono dalla composizione specifica dell'idruro. Il calore di reazione può variare da 9.300 fino a 23.250 kJ/kg di idrogeno e la pressione può anche superare i 10 MPa. La temperatura di deidrogenazione a sua volta può superare i 500 °C. considerato questo vasto campo di temperatura e pressione, la costruzione di unità d’immagazzinaggio presenta notevoli difficoltà. Inoltre, ogni lega ha differenti caratteristiche quali il ciclo di vita e la temperatura di reazione. Il contenitore dell’idruro deve essere pressurizzato ( si deve evitare che entri aria umida )e contenere una area sufficientemente grande per lo scambio del calore al fine di garantire la rapidità delle fasi di carico e scarico dell’idruro per le quali è richiesta, 96
inoltre, stabilità termica e strutturale della lega impiegata. Anche se per la deidrogenazione è necessario calore, l'eventualità che si verifichino perdite di idrogeno non riveste particolare importanza , per la limitatezza del fenomeno, ed è questo il motivo per cui tali tecnologie sono considerate sicure. Gli svantaggi sono, però, la pesantezza dei sistemi, la bassa densità gravimetrica dell'idrogeno (1%-7%) ed i costi generalmente elevati che non consentono ancora la realizzazione di sistemi di immagazzinaggio ad idruri di metallo funzionanti commercialmente su larga scala per l 'elevato costo degli stessi . I costi operativi per tali sistemi includono quelli relativi alle operazioni di raffreddamento
per
l'idrogenazione
e
riscaldamento
per
la
deidrogenazione. L'ammontare di calore richiesto dipende dal tipo di metallo e dalle sue applicazioni. Se, per esempio, il sistema è integrato con una cella a combustibile, la quantità di calore necessaria può essere fornita dal carico di raffreddamento della cella ed avere in questo modo un costo insignificante. Così, idruri a bassa temperatura potrebbero ben integrarsi con celle PEM (Polymer Electrolyte Membrane ) che operano a 80 °C, mentre idruri ad alta temperatura con celle del tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) e MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) che operano rispettivamente a 1000 °C e 650 °C. Analizzeremo queste tipologie
di
celle
nel
prossimo
capitolo.
Gli
altri
sistemi
d'immagazzinaggio, invece, non hanno la possibilità di integrarsi con tali tecnologie. Il costo totale di questi sistemi è influenzato fortemente dal costo dell'idruro di metallo e sono ulteriormente penalizzati dall'assenza di economie di scala. Queste leghe, inoltre, non hanno attualmente un largo impiego, per cui sono prodotte in quantità limitate. Una crescita della loro domanda, con conseguente carenza di materiali disponibili, avrebbe come conseguenza incrementi notevoli dei loro costi e l'impossibilità, quindi, di realizzare economie di scala. Per il 97
futuro, anche se si prevede un incremento del costo delle leghe di idruri impiegate, si auspica che almeno sistemi molto piccoli possano essere competitivi con altre tecnologie .
Le attuali possibilità di applicazione industriale dell’idrogeno sono la generazione stazionaria di energia e l’applicazione mobile. Nel primo caso, l’attenzione sempre maggiore verso sistemi di produzione da fonti rinnovabili ed il parallelo interesse per impianti di produzione in grado di minimizzare i consumi di combustibile, ha spinto fortemente l’interesse della ricerca verso le celle, o pile, a combustibile. Esse sono capaci di coprire un’ampia gamma di potenze e caratterizzate da elevati rendimenti di conversione oltre che da impatto ambientale praticamente nullo. Per quanto riguarda l’applicazione nel settore dei trasporti, oltre all’attuale impiego dell’idrogeno in campo aerospaziale, come combustibile, la ricerca è particolarmente attiva nello studio di applicazioni su veicoli leggeri, come le automobili, e pesanti, come gli autobus. Quindi, lo sviluppo e le prospettive di applicazione di tali sistemi, considerati gli innumerevoli vantaggi in termini di risparmio energetico e salvaguardia ambientale, rivestono particolare interesse. Proprio per mettere in luce vantaggi e difficoltà tecnologiche ed economiche legate alla realizzazione di tali strutture, nei seguenti paragrafi evidenzieremo lo stato attuale della tecnologia e gli specifici problemi relativi ad ogni singola applicazione.
98
Gli idruri metallici • • • • • • • • • •
Gli idruri metallici catturano l ‘idrogeno L ‘idrogeno si lega chimicamente al metallo Gli idruri consentono l’effetto spugna cattura/rilasciano l’ idrogeno Durante l’operazione si ha una variazioni di volume e di entalpia Cambio di struttura interna L’idruro è messo nel serbatoio sotto forma di polvere entro un contenitore o un sacchetto a maglie molto fini Reversibilità del ciclo Numero elevato di cicli possibili ( cattura/rilascio ) Stabilità termodinamica dell’ idruro Inserimento in un serbatoio in acciaio inox, sottovuoto
idruri a base di lantanio Capacità max 2 % del peso
La Ni5 H6.5
Numero cicli buono
La Ni4.7Al0.3H6.5
Capacità 1.8-1.9 % del peso Perdita numero di cicli nel tempo
FeTiH2 ZrV2H5.5
Alta capacità di immagazzinamento
Idruri complessi NaAlH4 LiAlH4
Ciclo non reversibile
99
SCHEMA DEL CICLO DELL ‘ IDROGENO “ combustibile del futuro ”
SORGENTI ENERGETICHE • • • • • •
METODI PRODUTTIVI IDROGENO
Combustibili fossili Idroelettrica Biomasse Eolica Solare Nucleare
• • •
Elettrolisi Reforming Fotoconversione
STOCCAGGIO • • • •
DISTRIBUZIONE • • • • •
Trasporto con serbatoi a alta pressione Tubazioni per gas/liquido Produzione locale trasporto con serbatoi a bassa pressione
Stato gassoso Stato liquido Immagazzinato negli idruri Immagazzinato nelle nanostrutture
UTILIZZAZIONI INIZIALI PREVALENTI • • •
100
Generazione di corrente elettrica per piccole utenze Trazione veicoli elettrici fuel cell Utilizzo settore industriale
Possibili soluzioni stoccaggio idrogeno
IDRURI METALLICI • • •
SITUAZIONE ATTUALE
Idruri a base di Lantanio Idruri a base Fe, Zr, Mg, Ni, Ti Idruri complessi
•
Sperimentazione avanzata
•
Fase iniziale di produzione
Si stanno valutando altre soluzioni a livello di ricerca universitaria
• •
Carboni Nanotubi
101
Brevi note sulle celle a combustibile
Nel parlare di questa tecnologia, dobbiamo innanzitutto evidenziare come nonostante i numerosi vantaggi che essa offre, le applicazioni delle celle a combustibile siano tuttora relegate a sistemi sperimentali. I motivi di queste mancate realizzazioni pratiche sono principalmente di carattere storico. La NASA sviluppò le celle a membrana polimerica a partire dagli anni 1960 dalla General Electric. Successivamente, proprio i numerosissimi contratti di collaborazione avviati dalla NASA per portare avanti la ricerca e la sperimentazione di queste tecnologie, ne hanno consentito l’impiego nelle principali missioni spaziali e la diffusione delle nozioni tecniche acquisite anche per diverse applicazioni nel settore energetico. Le ragioni di questo lungo periodo di stasi quindi, così come dei recenti sviluppi, sono dunque numerose e di varia natura; esse sono state influenzate da numerosi fattori quali disponibilità di materiali e tecnologie sempre più adeguati, forti cambiamenti nel panorama energetico
mondiale,
crescenti
vincoli
ambientali,
graduale
superamento dei problemi tecnologici, concrete prospettive di riduzione dei costi. Prima di affrontare con maggiore dettaglio questa analisi, daremo una breve descrizione del funzionamento delle pile a combustibile a cui seguiranno, nei paragrafi successivi, le trattazioni specifiche di ciascuna diversa tecnologia.
Il funzionamento delle celle a combustibile All’interno di una cella a combustibile entrano un combustibile ed un ossidante che reagendo chimicamente provocano la scissione del 102
carburante stesso in molecole di idrogeno e ossigeno. Al termine del processo, dalla cella escono energia elettrica, acqua e vapore. I principali meccanismi funzionali sono assicurati essenzialmente da due elettrodi, anodo e catodo, ove avvengono le reazioni chimiche che complessivamente
presiedono
all’ossidazione
"controllata"
del
combustibile, da un elettrolita con funzioni di trasporto degli ioni dall’anodo al catodo (o viceversa secondo il tipo di elettrolita e la carica, positiva o negativa, degli ioni) e dai sistemi di inserimento dei gas di processo e di prelievo della corrente elettrica.
In parole povere, una Fuel Cell è un dispositivo elettrochimico per la conversione di energia tramite due elettrodi di carica opposta che producono elettricità, acqua, e calore per mezzo di un combustibile e un ossidante. L'equazione che sta alla base di questa reazione è la seguente:
103
Principali caratteristiche ed applicazioni delle diverse di pile a combustibile.
Temperatura Temperatura Ioni Rendimen media di del calore trasferit to elettrico Applicazione esercizio residuo i (%) (°C) disponibile
Elettrolita
AFC (Alkalin OHFuel cell) PEM (Polymer Electrolyte Membrane) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
60-100
50
<60
Spaziale (mobile)
H+
80-120
40
60-80
Mobile (stazionaria)
H+
180-200
40
70-80
Stazionaria (mobile)
CO3=
630-670
50-55 (60-65)
600-700
Stazionaria (mobile)
O=
800-1000
50-55 (60-65)
700-1000
Stazionaria (mobile)
Tuttavia una configurazione tipica di un sistema di generazione a celle può essere del tipo riportato in modo schematico nella figura 4.2. La sezione elettrochimica, che rappresenta il cuore del sistema, è situata al centro ed è costituita da un insieme di celle singole assemblate in uno o più pacchi (pile o Stack). A monte vi è una sezione di trattamento del combustibile (reformer, spesso preceduto da un sistema di clean-up) che, come peraltro è stato già ampiamente discusso nel secondo capitolo, serve a trasformare il combustibile primario (gas naturale, biogas, gas di discarica o landfil gas, gas da carbone, gasolio, metanolo) in un gas ricco di idrogeno (superfluo quando sia disponibile direttamente idrogeno), che alimenta le celle. Poiché l’uscita elettrica di una pila a combustibile è in corrente continua, è anche necessario un sistema
di
condizionamento
della 104
potenza
elettrica
per
la
trasformazione in alternata (inverter), per l’adeguamento della tensione e, in caso di collegamento in rete, per assicurare le corrette interfacce e le opportune regolazioni (ad esempio, la potenza reattiva). Il calore prodotto dalla pila viene poi smaltito tramite un sistema di regolazione e recupero del calore, il cui compito principale è di fornire l’apporto termico richiesto dal sistema di trattamento del combustibile e permettere il recupero del calore residuo a fini di cogenerazione. Un sistema di supervisione e controllo infine, consente di coordinare il funzionamento delle diverse sezioni e di intervenire, quando necessario, per mantenere la sicurezza dell’impianto, o per far fronte a possibili avarie o malfunzionamenti di qualche sua parte . Le celle alcaline (AFC) Le celle alcaline (AFC, Alkalin Fuel Cell), classificabili come celle a bassa temperatura, usano come elettrolita una soluzione acquosa di idrossido di sodio o potassio ed hanno elettrodi porosi a base di nichel. Hanno prestazioni abbastanza elevate anche con l’impiego limitato di catalizzatori pregiati agli elettrodi, ma richiedono gas di alimentazione molto puri (idrogeno e ossigeno) in quanto non tollerano la presenza di composti a base di carbonio che reagiscono con l’elettrolita. La loro tecnologia è praticamente matura, ma le particolari caratteristiche ne limitano l’impiego ad applicazioni speciali come quelle spaziali (Apollo, Shuttle) ove sono direttamente disponibili Le celle a membrana polimerica (PEM o SPFC) . Un forte interesse stanno invece suscitando in questi ultimi anni le pile a combustibile a membrana polimerica (PEM, Polymer Electrolyte Membrane o SPFC, Solid Polymer Fuel Cells), anch’esse classificabili come celle a bassa temperatura, che utilizzano come elettrolita una membrana solfonica perflorurata sulla quale vengono depositati direttamente gli elettrodi a 105
base di platino. Questa membrana semipermeabile consente il passaggio dei protoni ma isola i contatti elettrici. Allo scopo di migliorarne ulteriormente le prestazioni, ridurne i costi e, soprattutto, aumentarne la temperatura di funzionamento, sono in corso diversi studi per varianti o per affinamenti di queste membrane.
Proprio in ragione di queste particolari caratteristiche la loro applicazione è preferibile per la produzione decentralizzata di energia elettrica, di acqua calda per uso domestico ed altre applicazioni minori. Se invece la richiesta è quella di sistemi con efficienza relativamente alta e basse emissioni, allora le celle PEM possono avere notevoli vantaggi rispetto alle tecnologie competitive.
106
Vantaggi e prospettive di applicazione delle celle PEM
In generale le celle a combustibile, ed in particolare la tecnologia PEM, con la loro alta efficienza di conversione in energia elettrica (a pieno e, soprattutto, parziale carico), in applicazioni sia in larga che piccola scala e con le loro ridottissime o nulle emissioni, sembrano avere le caratteristiche ideali per applicazioni in centri urbani ed aree metropolitane.
I
principali
impieghi
potrebbero
riguardare
la
produzione dedicata di energia, la produzione combinata di calore ed energia nei settori domestici e commerciali così come in quello delle applicazioni mobili come autobus, tram, automobili, ecc. Dato che le celle a combustibile PEM hanno la caratteristica di essere tecnologie di conversione dell’energia completamente prive di emissioni, se alimentate con idrogeno, esse costituiscono lo strumento ideale per l’introduzione di energia rinnovabile, soprattutto, come vedremo nei successivi paragrafi, nel settore mobile. Anche se l’idrogeno continuasse ad essere prodotto dal reforming dei combustibili fossili, tenendo conto dell’attuale stato dell’arte di questo metodo di produzione, l’alta efficienza dei reformer e delle celle consentirebbe a questo sistema di essere competitivo con le attuali tecnologie di conversione. Inoltre, contribuirebbe ad aumentare l’importanza del ruolo dell’idrogeno nella fase di transizione del passaggio, previsto per i prossimi decenni, ad un’economia basata completamente selle fonti rinnovabili. Un’ulteriore vantaggio delle celle PEM è quello di avere pochissime parti mobili. E di essere particolarmente silenziose. Pressante a causa dell’alta
densità
di
popolazione
(centri
metropolitani,
grossi
agglomerati urbani, ecc.), senza dimenticare le aree naturali più sensibili come sorgenti termali, parchi nazionali, ecc.. 107
Il costo di tali sistemi, dovuto alla produzione dei materiali e all’assemblaggio della cella, è attualmente molto elevato, anche se le prospettive di riduzione sono molto promettenti. Ed è ai piccoli sistemi che puntano i piani di commercializzazione. Si prevede, infatti, che piccoli impianti, inferiori ai 50 kW, forniranno energia a singole abitazioni, mentre sistemi più potenti, fino a diverse centinaia di kW, alimenteranno centri commerciali ed altre imprese. Oltre ai requisiti posseduti dalle celle PEM, la loro applicazione, sia mobile che stazionaria, prevede alcuni affinamenti tecnologici quali l’ulteriore riduzione di peso, volume, pressione operativa e contenuto di metalli nobili; la produzione di massa dei componenti (membrane, lamiere bipolari, scambiatori di calore, compressori, reformer, impianti di purificazione)e dei motori ad azionamenti elettrici. Affinché la tecnologia PEM entri definitivamente nel mercato automobilistico è necessario, innanzitutto, ridurre i costi delle applicazioni
stazionarie
e
delle
infrastrutture
(sistemi
d’immagazzinaggio, rifornimento, ecc.) necessarie per il loro utilizzo.
Le celle ad acido fosforico (PAFC) Le pile a combustibile ad acido fosforico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) sono particolarmente interessanti, in quanto sono ormai sul mercato da più anni, quindi costituiscono l’unica filiera oggi commerciale. Esse usano come elettrolita una soluzione relativamente concentrata di acido fosforico imbilito in una matrice di carburo di silicio posta tra due elettrodi a base di grafite opportunamente trattati con piccole quantità di platino con funzione di catalizzatore. Funzionando a circa 200 °C sono classificabili come celle a media temperatura.
108
Le celle a ossidi solidi (SOFC) Questa tipologia di celle utilizza un elettrolita (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) costituito da ossido di zirconio stabilizzato con ossido di ittrio, mentre l’anodo e il catodo sono costituiti rispettivamente da un cermet a base di nichel-ossido di zirconio e da manganito di lantanio opportunamente modificato. Il fatto che queste celle debbano operare ad alta temperatura (900-1000 °C), per raggiungere determinati valori di conducibilità ionica, comporta interessanti vantaggi dal punto di vista delle cinetiche chimiche, della tolleranza ai contaminanti, dei rendimenti elettrici, dell’assenza di catalizzatori e della possibile integrazione in cicli combinati, ma pone problemi di materiali, tecnologie, tempi di avviamento. Nel complesso, tuttavia, le celle del tipo SOFC, presentano ancora numerose difficoltà tecnologiche, per cui si ritiene che il loro sviluppo a livello commerciale possa avvenire soltanto fra qualche anno.
Le celle a carbonati fusi (MCFC) Le celle a carbonati fusi (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) impiegano come elettrolita una miscela di carbonati, principalmente di litio e potassio, fusa alla temperatura di funzionamento di 600-700 °C, trattenuta da una matrice porosa costituita da alluminato di litio. Gli elettrodi, porosi, sono a base di nichel (anodo: nichel con piccole percentuali di cromo; catodo: ossido di nichel litiato) e non necessitano di catalizzatori "nobili". Esse inoltre possono essere costruite semplicemente utilizzando dell’acciaio puro. Il meccanismo di funzionamento richiede la continua formazione al catodo di ioni carbonato; il che si ottiene facendo ritornare al catodo l’anidride carbonica prodotta all’anodo.
109
Data l’elevata temperatura di esercizio, le celle a carbonati fusi presentano gli stessi pregi delle celle a ossidi solidi in termini di cinetiche di reazione, possibilità di impiegare diversi combustibili (compreso l’ossido di carbonio) ed elevata qualità del calore residuo.
110
CAPITOLO V
Valutazioni Economiche
In questo capitolo faremo alcune considerazioni preliminari sugli aspetti economici legato all’impianto di trattamento delle batterie Ni-MH che stiamo sviluppando. Abbiamo condotto una ricerca di mercato per comprendere al meglio il volume di merce che dovrà essere trattata e il conseguente bilanciamento della linea di montaggio. Sono stati presi in considerazione i dati forniti dai costruttori di cellulari , dagli importatori di batterie per la telefonia mobile, costruttori ed importatori di batterie per i computer , per i gruppi di continuità e per gli elettroutensili industriali . Secondo altri dati messi a disposizione dalla Cobat la quantità di batterie al Pb ( avviamento+trazione) in circolazione ammonta a circa 300.000 tonnellate ;si è calcolato che nel ’99 sono state "buttate" circa 900 tonnellate e si prevede che questo trend arrivi fino a 2500 tonnellate nel 2009. La società Cobat, leader in Europa con il 94% delle batterie di avviamento esauste recuperate e riciclate, già oggi recupera circa 250 tonnellate all'anno di batterie al Nichel Cadmio di provenienza prevalentemente industriale. Alla luce di questi dati,considerando inoltre che non esistono impianti che trattano le batterie da cellulare in Italia ed in Europa ( per quanto ci costa ) abbiamo stimato che inizialmente il nostro impianto potrà trattare un volume pari a 2 tonnellate al giorno che,considerando una media di 210 giorni lavorativi, in un anno equivale a circa 420/450 tonnellate di batterie da cellulare equivalenti a circa 3.5-3.8 milioni di batterie Ni-MH riciclabili all’anno . Tale quantità rappresenta circa il 8-10% del parco 111
batterie da telefonia mobile circolante in Italia . Sottolineamo anche che il tempo medio di rinnovo della batterie è sui 12 mesi ed il rinnovo del cellulare è di 20 mesi . In
funzione di questi dati di massima si è provveduto ad un
dimensionamento preliminare dell' impianto di recupero ed ad una valutazione dei costi/ricavi del processo industriale . I macchinari , riportati nello schema dell'impianto , riescono a trattare volumi di materiale molto maggiori. Questo fatto non deve però essere considerato come un costo di eccesso di capacità produttiva,infatti i macchinari che si ritiene di adottare necessitano di poca manutenzione e il loro consumo è funzione del tasso di utilizzo. Abbiamo inoltre previsto un aumento della produzione nei due anni seguenti del 20% fino ad arrivare ad un volume pari a 800 tonnellate tra cinque anni. In considerazione di quanto detto nel capitolo I, relativamente all’evoluzione del mercato delle batterie da cellulare che si sta spostando dalle batterie Ni-MH, alle batterie Li-on ed alle nuove batterie ai polimeri abbiamo ridefinito le specifiche tecniche e riprogettato l’impianto industriale rendendolo il più flessibile . La parte dell‘impianto relativo alla selezione ed alla frantumazione può essere utilizzato per tutte le tipologie di batterie . La parte relativa alla separazione cioè vagliatura grossolana , separazione magnetica delle parti ferrose , può essere utilizzata per tutti i tipi di batterie . La parte di di arricchimento e separazione delle polveri probabilmente dovrà essere modificata in funzione delle diverse richieste di separazione dei metalli e diversa pezzatura fine .
112
oggi Ni-MH
Frantumazione Vagliatura
Metalli idruri Plastica Metalli ferrosi Polveri Ni, C, Al
Separazione
Domani Ni-MH Li-on
Frantumazione Vagliatura
Separazione
LiPolimeri
Metalli idruri Plastica Metalli ferrosi Polveri Ni, C, Al, Co Plastica Metalli ferrosi Polveri di Li, Ni, C, Al
All' ultimo paragrafo del capitolo III è stato riportato lo schema dettagliato dell'impianto di frantumazione/vagliatura industriale sviluppato per il riciclaggio delle batterie Ni-MH mentre uno schema a blocchi semplificato è riportato in tale capitolo . Tramite una serie di contatti con i costruttori di batterie abbiamo dedotto i costi medi di smaltimento applicati dalla COBAT per le batterie al piombo per avere un parametro economico di confronto. Costi che sono variabili da anno ad anno in funzione dei ricavi della citata società che risulta un ente senza scopo di lucro di conseguenza adatta annualmente i costi di smaltimento .
113
Tipologia batteria Piombo Batteria da avviamento capacità < 55 A Batteria da avviamento capacità > 55 A Batteria da avviamento motociclo
Peso Kg 15-20
Unità di riferimento Prezzo al pezzo
Costo smaltimento Euro 0.83 Euro/pezzo
18-25
Prezzo al pezzo
1.65 Euro/pezzo
2-4
Prezzo al pezzo
0.21 Euro/pezzo
Batteria trazione Modular 240 Ah/20h
32-38
Prezzo riferito alla capacità
0.0031 euro x elemento/amp 1.2-1.5 Euro/pezzo ( 6 lire/amp x elemento ) Prezzo riferito 2 % del prezzo di al valore di vendita al vendita rivenditore/utilizzatore
Batteria da trazione ad elementi di 2.2 volt per carrelli elevatori
Quotazioni attuali delle polveri e dei truccioli metallici recuperati . Elemento
Simbolo
Stato
metallico Idruri metallici Nichel
Rame Rame Alluminio Alluminio Cadmio Cobalto Litio Carbonio
Prezzo medio di vendita
fisico MH
Polvere Polvere
N i C u C u A l A l C d C o L i C
Truccioli
2-3 euro/kg resa fuso 80% partendo da 1 kg polvere 1.1-1.2 Euro/Kg
Polvere Truccioli
0.52-0.57 euro/kg
Polvere
0.08-0.09 euro/kg
Polvere polvere Polvere Polvere
114
Il costo dell’impianto Il costo dell’impianto ,considerando solamente i mulini, i vagli, i nastri trasportatori e tutte le altre parti fisse , ammonta a circa 150.000E a cui vanno aggiunti circa 50.000E per la messa in opera e settaggio delle macchine. Altri 150.000E serviranno per i restanti macchinari che tratteranno la parte dell’umido. L’investimento iniziale sarà di circa 300.000-330.000 E. ai quali vanno aggiunti i costi di impiantistica civile di fondamenta e fissaggio . A tali costi occorre aggiungere l' impianto elettrico , gli allacciamenti idraulici e le centraline di comando .
Tabella 1 Il costo dei vari componenti dell’impianto
Il costo dell’ impianto è dato dalle seguenti voci
Euro
impianto di macinazione e vagliatura 100.000 impianto di separazione e di arricchimento ( idrociclone in acqua ) 150.000 impianto di essiccazione e di separazione polveri 50.000 manodopera montaggio , installazione , messa in funzione, 30.000 sistema elettronico di controllo e gestione centralizzato 25.000 costo impiantistica civile opere murarie , fondazioni, strutture 50.000 impiantistica elettrica 35.000 impiantistica idraulica 10.000 sistema antincendio 10.000
Totale 460.000
Abbiamo considerato inoltre che due persone saranno necessarie per la fase di cernita e movimentazione delle batterie ,mentre un’altra per la fase di controllo della linea di macinazione/vagliatura con funzione di controllo e di manutenzione ordinaria . Calcolando un costo medio per addetto di 25.000 E , abbiamo un importo di 75.000 di costi fissi ai quali
115
andranno sommati i costi della manutenzione dei macchinari e altri costi fissi quali illuminazione , acqua , lubrificanti etc. Considerando inoltre che le macchine , trattando una quantità di materiale pari a 1-2 tonnellate al giorno,cioè circa 250 kg ora, lavorando a circa 5060% della loro capacità produttiva,consumano circa 100Kw/h. Nell’arco di un intero anno quindi i macchinari assorbono una quantità di energia pari a 160.000 Kw che equivale in termini monetari a circa 15.00023.000 Euro.
Per quanto riguarda invece la copertura dei costi di smaltimento/recupero ed i ricavi derivanti dalla vendita dei sottoprodotti, per la presente ricerca, si è fatto riferimento a quanto oggi la COBAT fa pagare lo smaltimento delle batterie al piombo o quanto la CONAI fa pagare per lo smaltimento degli imballi . Da questo può essere dedotto che possa essere ipotizzato un "costo" di smaltimento delle batteria per la telefonia mobile pari al 2% del prezzo della batterie al costruttore/importatore. Questo "costo di smaltimento" va calcolata sul prezzo di acquisto del rivenditore e non su prezzo finale. Considerando che il prezzo di acquisto di una batteria è circa 9-11 Euro, il rivenditore pagherà una tassa di circa 15-20 centesimi di euro per batteria. Ogni batteria al Ni-Mh pesa circa 80-100 g, quindi per ogni kg di batterie trattate il contributo allo smaltimento potrebbe ammontare a circa 1.5- 2 Euro/Kg . Valore alto anche in considerazione dell'elevata pericolosità ambientale dei metalli contenuti nelle batterie da cellulare rispetto a quelle al piombo .
116
Tabella 9 Previsione dei volumi trattati
2004
180 t
2005
240 t
2006
280 t
2007
330 t
2008
350 t
2009
380 t
Nello schema a pagina seguente ,dove andremo ad illustrare il valore del progetto, per valutare i costi variabili abbiamo soltanto usato il consumo di energia elettrica fem ed altre piccole voci , mentre per valutare i costi fissi abbiamo considerato la manodopera, l’illuminazione, i costi di settaggio e manutenzione. Questi costi ammontano a circa 95.000 Euro l’anno. Per valutare questi costi abbiamo considerato il seguente schema: Tabella 2 Ripartizione dei costi Fissi
I Costi Fissi sono cosi’ ripartiti annualmente
Euro
Manodopera
75.000
Illuminazione
3.000
Manutenzione
13.000
Settaggio macchine Costi di gestione
2.000 2.000
Totale
117
95.000
Per valutare il progetto abbiamo utilizzato il criterio del van (valore attuale netto). Questo criterio prevede che i flussi di cassa F(t) siano calcolati come indicato di seguito:
+ Reddito operativo - Imposte sul reddito operativo + Ammortamenti + Acc.to TFR = Flusso di circolante della gestione corrente -/+ Investimento/Disinvestimento in capitale circolante = Flusso di cassa della gestione corrente
Investimenti non discrezionali = Cash Flow
I flussi CF rappresentano gli importi annui resi disponibili dalla sola attività operativa dell’azienda, considerando anche gli investimenti non discrezionali necessari al mantenimento in azienda dell’assetto competitivo minimo per garantire la quota di mercato in essere. La sommatoria dei flussi CF, attualizzata utilizzando il costo medio del capitale (k0), di cui si dirà più avanti e del flusso finale F(n), attualizzato sempre usando il tasso (k0), costituisce la “ricchezza” potenzialmente generabile dalla stessa attività. Procederemo
ora alla definizione e alla stima di alcuni parametri e
grandezze chiave che intervengono nel processo di determinazione del valore del capitale economico. Risulta in particolare necessario in questa sede identificare chiaramente i tassi di capitalizzazione e di attualizzazione impiegati per scontare il valore finanziario del tempo. Ogni qual volta valutiamo un’impresa con 118
criteri basati sui flussi, è necessario dedicare particolare attenzione alla scelta dei tassi di capitalizzazione ed attualizzazione.
In particolare
intenderemo: rf rendimento di attività prive di rischio; rm rendimento di un portafoglio di attività rappresentativo del mercato; k e tasso di remunerazione “normale” in funzione del grado di rischio dell’impresa. Di seguito illustriamo le modalità di determinazione dei singoli tassi. a) Il tasso rf Il modo migliore di stimare la misura di tale tasso consiste nel ricercare il rendimento di un portafoglio privo di rischio e non correlato al rendimento di altre attività economiche. La dottrina e la prassi fanno riferimento al rendimento medio dei Titoli di Stato a media/lunga scadenza. Per la presente valutazione verrà utilizzato il rendimento medio dei Titoli di Stato a 5 anni, al quale verrà poi sottratto il corrispondente tasso di inflazione, al fine di giungere alla determinazione di un tasso reale coerente coi flussi ricavati dal budget. Il rendimento medio di tali Titoli risulta pari al 4,60% ed il tasso di inflazione al 2% ( Fonte: Il Sole 24 Ore). b) Il tasso rm ed il premio per il rischio di mercato ( rm – rf ) La teoria del Capital Asset Pricing Model individua con rm il rendimento atteso del portafoglio di mercato complessivo, ovvero di un portafoglio comprendente tutte le attività rischiose presenti sul mercato. Data la notevole difficoltà di calcolare un simile indice, la pratica fa sempre riferimento all’indice del mercato azionario, che è considerato un
119
indicatore molto prossimo a quello di un vero e proprio portafoglio di mercato. In Italia, per esempio, gli indici Mib 30 e Comit sono i più diffusi per ottenere questa misurazione . La differenza tra i tassi rm ed rf
viene utilizzata, a sua volta, per
esprimere il premio per il rischio di mercato, ovvero il maggior reddito atteso da un generico investitore per il fatto di investire nel portafoglio di mercato (che è rischioso) piuttosto che nel portafoglio di attività a rischio zero. La prassi valutativa adotta comunemente un premio compreso tra il 7% ed il 9%. Sulla base degli studi effettuati il premio per il rischio puntuale cui fare riferimento è il 7,5% pari alla media geometrica dei premi per il rischio dal 1929 al 2001 per il rendimento dell’indice Standard&Poor’s 500, rispetto a quello delle obbligazioni governative ( T-Bonds) a lungo termine. La possibilità di assumere tale misura anche con riferimento al mercato italiano è subordinata all’esistenza di un rapporto di correlazione tra l’andamento dei due mercati finanziari. A questo proposito, Morgan Stanley Dean Witter, una delle più note banche d’affari nel panorama internazionale, ha calcolato la differenza tra il rendimento di un indice appositamente predisposto per il mercato italiano (Morgan Stanley Capital Index 36) e i Titoli di Stato a più lunga scadenza. La differenza in questione è risultata assai simile, per il mercato domestico, a quella verificata negli USA. Si è quindi deciso di adottare quale premio per il rischio il tasso del 7,5%. I due tassi ed il premio per il rischio sono indispensabili per l’applicazione del Capital Asset Pricing Model. Non prima però, di avere determinato il “coefficiente β” del settore di appartenenza della Società che rappresenta la rischiosità finanziaria media delle aziende appartenenti 120
ad un determinato settore rispetto alla rischiosità media del mercato finanziario di riferimento. Su questo aspetto torneremo in seguito. c) Il tasso ke Questo tasso è sicuramente il più utilizzato dalla prassi valutativa internazionale, perché viene normalmente applicato nelle valutazioni reddituali, finanziarie e miste. Esso indica il tasso di rendimento minimo che rende indifferente un investimento nel capitale di rischio della società in questione rispetto ad un investimento privo di rischio. Il metodo più usuale per la scelta di questo tasso consiste nel determinare il suo valore come somma tra il tasso "free risk" (rf ) ed un premio per il rischio, di norma indicato con s. In sostanza: ke = rf + s Il valore di s è, a sua volta, funzione sia del premio di rischio rm-rf
sia
del coefficiente β espressivo della volatilità del rendimento di un titolo rispetto all’andamento del mercato nel suo complesso. Infatti : s = β (rm – rf) In estrema sintesi, affermiamo che un titolo con un valore di β superiore a 1 è un titolo aggressivo, poiché il suo rendimento oscilla in modo più ampio del rendimento di mercato e viceversa nel caso di valore di β inferiore a 1. La formula , dunque, permette di trovare con facilità il tasso ke di una società quotata in borsa, poiché tutti gli elementi da immettere nella formula sono di pubblico dominio e aggiornati con continuità. Al contrario, nella valutazione di un’azienda non quotata, questo non è immediatamente possibile perché non esistono quotazioni continue del titolo e, quindi, non è possibile calcolare il coefficiente di rischiosità β della società. Per risolvere questo problema, dovrebbe essere selezionato un panel di società il più possibile simili a quella in oggetto ed impiegare 121
il valore di rischiosità medio così determinato come proxy del valore di rischiosità dell’azienda in questione. Nel caso specifico, tuttavia, vista la pressoché totale assenza dai listini della Borsa Italiana di società operanti nel settore del trattamento di rifiuti elettronici, si è ritenuto preferibile a qualsiasi ipotesi di comparazione con valori “settoriali” di β desunti da comparazioni non coerenti riferite al listino italiano, assumere come riferimento un campione di società quotate nei mercati USA ed Europa e appartenenti ad un settore “vicino” (trattamento rifiuti) a quello in cui opera
l’azienda
TRED
CARPI
oggetto
di
valutazione.
Dalla
comparazione è risultato confermato quanto già si poteva attendere da una ragionata interpretazione del profilo di rischio dell’azienda e del suo stesso settore di appartenenza che non presenta le caratteristiche, tipiche ad esempio delle società della “new economy”, di elevata volatilità, essendo piuttosto considerato un settore “difensivo”. Il risultato che emerge è comunque un valore medio di riferimento del coefficiente di volatilità pari a 0.6279 che conferma la tipologia non ”aggressiva” della società in questione. In sintesi, il valore di ke , nel caso di specie risulta: ke = 2,60% + 0,6279x 7,5% = 7,323%
Risulta pertanto opportuno stimare un tasso, ko che sconti tanto il rendimento del capitale proprio quanto il costo dei mezzi di terzi ( ki) Quest’ultimo è stato calcolato nel modo seguente: prime rate: 7,25% (Fonte: IL Sole 24 Ore) Una volta noti sia ke che ki, la stima del costo medio ponderato del capitale (WACC) è il risultato della formula: Ko = (D/(D+C)) x ki x (1-t)+(C/(D+C)) x ke In cui: 122
D = importo dei debiti onerosi C = importo del patrimonio netto contabile Ki = costo del capitale di debito, pari al 7,25% (1-t) = beneficio della deducibilità degli oneri fiscali, pari a (1-34%) Ke = costo del capitale proprio, pari al 7,323%.
Nel caso della società in questione utilizzando gli indici calcolati come sopra esposto e dai dati del bilancio consolidato al 31/12/2002 si ottiene il seguente valore: Ko risulta essere pari al 6,9%. di qui seguito andremo a valutare il progetto considerando i ricavi in funzione dei volumi prima ipotizzati e scontando
flussi di cassa in
funzione di Ko.
Tabella 3 Valore Attuale del progetto considerando il tasso di sconto = 6,9% anno 0
€
Investimento iniziale
anno 1
anno 2
anno 3
anno 4
anno 5
anno 6
460.000 € 180.000
€ 240.000
€ 280.000
€ 330.000
€ 350.000
€ 380.000
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
50%
55%
60%
65%
70%
75%
€ 0,0892
€ 0,0918
€ 0,0945
€ 0,0972
€ 0,1000
€ 0,1029
Costi di Produzione
€ 16.862
€ 19.086
€ 21.424
€ 23.883
€ 26.466
€ 29.179
Costi Fissi
€ 95.000
€ 96.900
€ 98.838
€ 100.815
€ 102.831
€ 104.888
Ricavi Ammortamento in anni
9
Utilizzo Capacià Produtiva Costo energia elettrica KW/h
0,087
Costi Totali
€0
€ 111.862
€ 115.986
€ 120.262
€ 124.698
€ 129.297
€ 134.066
Profitto al lordo delle Imposte
€0
€ 17.027
€ 72.903
€ 108.627
€ 154.191
€ 169.592
€ 194.823
€0
€ 6.811
€ 29.161
€ 43.451
€ 61.677
€ 67.837
€ 77.929
Flusso Operativo
€0
€ 61.328
€ 94.853
€ 116.287
€ 143.626
€ 152.866
€ 168.005
Flusso di Cassa
-€ 460.000
€ 61.328
€ 94.853
€ 116.287
€ 143.626
€ 152.866
€ 168.005
Imposte
40,0%
13,06%
TIR VAN
6,9%
€ 100.680
123
Avendo però trovato il costo opportunità del capitale attraverso il modello del Capital Asset Pricing, conviene fare un’analisi di sensibilità in funzione di questo parametro,in modo tale da poter vedere come cambiano i flussi di cassa. Effettueremo una serie di rilevazioni in funzione del parametro Ko senza andare a modificare gli altri dati
Costo del Capitale
Van
6,8
102.681
6,3
112,895
6
119.193
7
98.000
7,3
93.000
Tabella 4 Andamento del van in funzione del costo del capitale
Può inoltre essere interessante andare a valutare l’andamento del van in funzione di una diversa previsione dei volumi di batterie trattati. Potremo infatti andare a valutare due diversi scenari: uno ottimistico
e uno
pessimistico, per poi fare un’altra analisi incrociata in funzione del costo del capitale. Valutazione sulle quantità di batterie da smaltire Tabella 5 Scenario Pessimistico
Tabella 6 Scenario Ottimistico
2004
150 t
2004
210 t
2005
200 t
2005
230 t
2006
250 t
2006
280 t
2007
250 t
2007
330 t
2008
280 t
2008
360 t
2009
280 t
2009
390 t
Lo scenario pessimistico prevede una partenza simile ,poiché prevediamo di arrivare primi nel mercato, e una crescita molto moderata dei livelli di
124
produzione dovuti ad un inserimento di più concorrenti. Andremo ora ad illustrare i risultati lo schema del van dei due diversi scenari Tabella 7 Scenario ottimistico con costo capitale a 6,9% Previsione Ottimistica
anno 0
€
Investimento iniziale
anno 1
anno 2
anno 3
anno 4
anno 5
anno 6
460.000 € 210.000
€ 230.000
€ 280.000
€ 330.000
€ 360.000
€ 390.000
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
50%
55%
60%
65%
70%
75%
€ 0,0892
€ 0,0918
€ 0,0945
€ 0,0972
€ 0,1000
€ 0,1029
Costi di Produzione
€ 16.862
€ 19.086
€ 21.424
€ 23.883
€ 26.466
€ 29.179
Costi Fissi
€ 95.000
€ 96.900
€ 98.838
€ 100.815
€ 102.831
€ 104.888
Ricavi Ammortamento in anni
9
Utilizzo Capacià Produtiva Costo energia elettrica KW/h
0,087
Costi Totali
€0
€ 111.862
€ 115.986
€ 120.262
€ 124.698
€ 129.297
€ 134.066
Profitto al lordo delle Imposte
€0
€ 47.027
€ 62.903
€ 108.627
€ 154.191
€ 179.592
€ 204.823
€0
€ 18.811
€ 25.161
€ 43.451
€ 61.677
€ 71.837
€ 81.929
Flusso Operativo
€0
€ 79.328
€ 88.853
€ 116.287
€ 143.626
€ 158.866
€ 174.005
Flusso di Cassa
-€ 460.000
€ 79.328
€ 88.853
€ 116.287
€ 143.626
€ 158.866
€ 174.005
Imposte
40,0%
14,22%
TIR VAN
€ 121.336
6,9%
Tabella 8 Scenario Pessimistico con costo del capitale al 6,9%
€
Investimento iniziale
460.000 € 150.000
€ 200.000
€ 250.000
€ 250.000
€ 280.000
€ 280.000
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
€ 51.111
50%
55%
60%
65%
70%
75%
€ 0,0892
€ 0,0918
€ 0,0945
€ 0,0972
€ 0,1000
€ 0,1029
Costi di Produzione
€ 16.862
€ 19.086
€ 21.424
€ 23.883
€ 26.466
€ 29.179
Costi Fissi
€ 70.000
€ 71.400
€ 72.828
€ 74.285
€ 75.770
€ 77.286
Ricavi Ammortamento in anni
9
Utilizzo Capacià Produtiva Costo energia elettrica KW/h
0,087
Costi Totali
€0
€ 86.862
€ 90.486
€ 94.252
€ 98.167
€ 102.236
€ 106.464
Profitto al lordo delle Imposte
€0
€ 12.027
€ 58.403
€ 104.637
€ 100.722
€ 126.653
€ 122.425
€0
€ 4.811
€ 23.361
€ 41.855
€ 40.289
€ 50.661
€ 48.970
Flusso Operativo
€0
€ 58.328
€ 86.153
€ 113.893
€ 111.544
€ 127.103
€ 124.566
Flusso di Cassa
-€ 460.000
€ 58.328
€ 86.153
€ 113.893
€ 111.544
€ 127.103
€ 124.566
Imposte
40,0%
8,34%
TIR VAN
6,9%
€ 23.211
125
Tabella 9 valutazione del van in funzione del costo del capitale
scenario pessimistico costo del capitale
van
6
-36000
6,3
-40000
6,9
-47000
7
-49000
7,3
-53000
Tabella 10 valutazione del van in funzione del costo del capitale
scenario ottimistico costo del capitale
van
6
138.000
6,3
131.000
6,9
121.000
7
117.000
7,3
111.000
Questo progetto di riciclaggio delle batterie da cellulare da sviluppare presso la TRED CARPI quindi anche nella più pessima delle ipotesi genera un van positivo. Non dobbiamo inoltre dimenticare che per valutare i ricavi , in questa simulazione abbiamo considerato solamente i proventi
derivanti
dal
costo
dello
smaltimento
a
carico
dei
costruttori/importatori . Da una stessa simulazione economica/finanziaria fatta considerando un costo di smaltimento di 1 euro/Kg pari ad un valore del 1% sul prezzo
di vendita
del fabbricante/importatore
positivi , anche se in tono minore .
126
i parametri restano
Con un costo di smaltimento pari a 0.5 Euro/kg la copertura del costo dell'impianto avviene in 8-9 anni.
Vendita dei sottoprodotti
Come descritto nei capitoli precedenti dal processo di trattamento delle batterie Ni-Mh riusciamo ad ottenere materiali e componenti che possono essere venduti e quindi incrementare notevolmente i ricavi. Qui di seguito mostriamo una tabella che elenca le percentuali in peso dei vari sottoprodotti uscenti dal ciclo di frantumazione/separazione .
Tabella 11 Percentuale in peso dei vari sottoprodotti
PRODOTTO
% peso
Descrizione- simbolo
20
ABS , polimeri , polistirolo
40
Acciaio nichelato, alluminio, contatti di rame Vegetale o animale
Plastica mista Parti metalliche Feltro Idruri metallici Carbone Ossidi di nichel
3 20 7 10
Qui di seguito sono elencati alcuni dati indicativi del valore sul mercato del riciclaggio di alcuni metalli.
127
Tabella 12 Simbologia e prezzo indicativo dei prodotti e del loro stato fisico Elemento metallico
Simbolo
Stato fisico
Idruri metallici Nichel
MH Ni
Polvere Polvere
Rame Rame Alluminio Alluminio Cadmio Cobalto Litio
Cu Cu Al Al Cd Co Li
Truccioli Polvere Truccioli Polvere Polvere polvere Polvere
C
Polvere
Carbonio
Prezzo medio di vendita
6-7 Euro/Kg 2-3 euro/kg resa fuso 80% partendo da 1 kg polvere 1.1-1.2 Euro/Kg 0.4-0.6 euro/Kg 0.52-0.57 euro/kg 0.08-0.09 euro/kg 3-4 euro/kg -
Abbiamo inoltre contattato il diversi venditori , raccoglitori di truccioli, fonderie , stampisti in plastica per aver informazioni riguardo il prezzo di vendita della plastica abs, del ferro, dell'alluminio e del rame; nella tabella di pagina seguente abbiamo riportato le informazioni raccolte. Abbiamo ricavato altri valori , a volte molto contrastanti tra loro , alla borsa dei metalli riciclati .
Tabella 13 Prezzi stimati di vendita
PRODOTTO Plastica mista
Plastica selezionata Acciaio , ferro Alluminio riciclato Rame riciclato Nichel
Simbolo ABS , polimeri , polistirolo Gomma
Prezzo stimato Euro/Kg 0.15
ABS
0.35
Fe Al Cu Ni
0.05 0.7 0,8 -
128
Tabella 14 ricavi previsti ( valutazione riferita allo scenario pessimista ) Primo anno 150 tonn di batterie riciclate
PRODOTTO
Peso %
Quantità totale Kg
Stima prezzo medio di vendita Euro
Importo stimato Euro
20
30.000
0.15
4.500
40
60.000
0.05
3.000
3 20 7 10
4500 30.000 / 15.000
/ 6 / 2
/ 180.000 / 30.000
Plastica mista Parti metalliche Feltro Idruri metallici Carbone Ossidi di nichel
I valori indicati per il prezzo di vendita dei sottoprodotti derivanti dal riciclaggio sono estremamente variabili , con il mercato , con la stagione e soprattutto con il grado di purezza degli elementi metallici . Abbiamo potuto costatare che nei mesi della presente ricerca i prezzi dei metalli sia sotto forma di trucciolo e sia sotto forma della meno pregiata polvere variano anche del +/- 50% . Nel caso del rame, dell' alluminio e del ferro
sotto forma
variazione sono nettamente inferiori mercato stabilizzato ( fonderie ) .
129
granulare o di trucciolo le
dato che per essi esiste già un
CONCLUSIONI In quest’ultimo capitolo cercheremo di sintetizzare i risultati della ricerca da noi effettuata al fine di trarre delle conclusioni in merito al progetto di riciclaggio delle batterie Ni-MH e successivamente per tutte le altre tipologie . Inizialmente, durante la fase di ricerca, avevamo tratto alcune conclusioni che non sono state poi considerate valide nella stesura del progetto finale dell’impianto.
Avevamo
infatti
pensato
che
fosse
realizzabile
semplicemente un impianto anche per la separazione dei vari metalli presenti nel composto post-macinazione. Inizialmente infatti durante le prime ricerche avevamo macinato le batterie con un trituratore a coltelli con il risultato di ottenere una polpa abbastanza fine che conteneva tutti i materiali presenti nella batterie compresi ferro plastica in particelle molto fini. Quando siamo andati invece nel laboratorio attrezzato per le prove di macinazione e di vagliatura , per fare alcune considerazioni tecnicoeconomiche riguardo i consumi
delle macchine impiegate, abbiamo
avuto la “fortuna” di testare un altro macchinario che sfruttava un’ altra tecnologia di macinazione. La sorpresa è stata a dir poco entusiasmante: si riusciva ad eliminare con solo un macchinario due elementi, quali ferro e plastica, direttamente in fase di macinazione; evitando nel contempo di frantumare eccessivamente i contenitori di plastica ed i contenitori metallici delle pile. A questo punto ci siamo trovati di fronte alla necessità di effettuare una scelta tra le due diverse tipologie di impianto. Considerando che i macchinari per il trattamento e la separazione dei metalli non hanno un grande rendimento quando devono trattare materiali molto fini, abbiamo 130
optato per la soluzione impiantistica che prevede due diverse macinazioni con due macchinari uguali in serie. In questo modo, con una spesa un po’ maggiore dal punto di vista dell’investimento, siamo riusciti ad ottenere una buona separazione della plastica e del ferro dagli elementi chimici pregiati contenuti nelle batterie sotto forma di polvere .
Inizialmente infatti avevamo considerato un impianto che prevedeva queste operazioni :
Figura 1 Progetto iniziale delle fasi dell’Impianto
RACCOLTA differenziata
TRASPORTO senza vincolo
SEPARAZIONE manuale
TRITURAZIONE FINE
SEPARAZIONE LAVAGGIO in ambiente umido
ESSICAZIONE
VAGLIATURA POLVERI separazione idruri
131
SEPARAZIONE MAGNETICA
A questa struttura abbiamo preferito invece quella a pagina seguente :
Figura 2 Progetto finale delle fasi dell’Impianto
RACCOLTA differenziata
TRASPORTO senza vincolo
SEPARAZIONE manuale
FRANTUMAZIONE mulino a martelli
TRITURAZIONE mulino a martelli
SEPARAZIONE vagliatura delle polveri
CLASSIFICAZIONE Separazione idruri Fascia 150-250micro Processo optionale In funzione delle prove nel serbatoio
H
ARRICCHIMENTO Per aumentare la purezza degli idruri
132
Con questa soluzione adottata, inoltre, il flusso dei materiali all’interno dell’impianto risulta molto più lineare riducendo così i costi di movimentazione. Una volta individuato il ciclo produttivo, a nostro avviso più idoneo, siamo passati alla vera e propria stesura del progetto andando così ad individuare i macchinari per le rispettive operazioni , i flussi dei materiali, i consumi, i costi dell’investimento. Figura 3 Schema del ciclo produttivo
SCHEMA CICLO
Ni - MH
SEPARAZIONE PER TIPOLOGIA DI BATTERIE
RACCOLTA
FRANTUMAZIONE
STILO ALCALINE Pb – ACIDO
VAGLIATURA
PLASTICA
METALLO FELTRO
NI – Cd
Li - On POLVERI METALLICHE ( contenenti idruri metallici POLIMERI
ALTRI PROCESSI DI RECUPERO
PLASTICA
FERRO
POLVERI METALLICHE
133
)
Dopo aver individuato i macchinari e aver bilanciato la linea produttiva, abbiamo eseguito una valutazione economica attraverso il metodo del valore attuale netto considerando vari scenari possibili con i rispettivi volumi di materiale trattati. Abbiamo illustrato le direttive di massima che la ditta TRED CARPI dovrà intraprendere per ottimizzare la raccolta delle batterie. In particolare essa dovrà stringere accordi con i costruttori/importatori di cellulari e di batterie di ricambio per accettare di riciclare le batterie in cambio di un costo di smaltimento . La stessa cosa l'azienda la dovrà fare con le municipalità e le multiutility comunali e provinciali questo anche in considerazione dell' entrata in vigore della normativa europea che impone ai costruttori/importatori il recupero/smaltimento dei cellulari .
Figura 4 Metodologia di raccolta
ACCORDI CON COSTRUTTORI DI BATTERIE
ACCORDI CON AZIENDE MUNICIPALIZZATE ACCORDI CON COSTRUTTORI DI CELLULARI
ACCORDI CON IMPORTATORI DI BATTERIE
ACCORDI CON SOCIETA’ DI TELEFONIA MOBILE
Ditta di Riciclaggio
ACCORDI CON ALTRE SOCIETA’ DI RICICLAGGIO
ACCORDI CON COSTRUTTORI DI ELETTROUTENSILI
Conferimento delle batterie all’impianto di riciclaggio ACCORDI CON COSTRUTTORI DI BATTERIE PER ELETTROUTENSILI
dietro pagamento di una "costo di smaltimento"
134
ACCORDO CON COSTRUTTORIIMPORTATORI COMPUTER-PALMARI GRUPPI DI CONTINUITA’
Infine abbiamo fatto , soprattutto nel capitolo IV,
delle ipotesi al
riguardo dell’utilizzo degli idruri metallici, Attualmente stiamo procedendo ad una serie di test in collaborazione con un'azienda reggiana per valutare quello che per noi sarebbe la destinazione finale tecnicamente migliore e cioè l 'uso degli idruri metallici come "spugna" nei serbatoi di idrogeno. Il quale è ritenuto il combustibile del futuro. Le prove servono a valutare il grado di purezza che questi idruri devono avere per poter essere utilizzati nei serbatoi o se è possibile utilizzarli così come sono provenienti dalla vagliatura a secco.
Abbiamo inoltre considerato il possibile utilizzo degli idruri per costruire nuove batterie o più semplicemente l’ipotesi di vendita. Nello schema a pagina seguente abbiamo riassunto, per ogni diversa ipotesi di utilizzo degli idruri metallici, i vantaggi e gli svantaggi conseguenti alla scelta che dovrà effettuare il managmet dell’impresa che effettuerà il riciclo delle batterie ricaricabili.
135
Ipotesi di utilizzo degli idruri metallici recuperati
Vantaggi : - recupero ideale
UTILIZZO DEGLI IDRURI PER FARE ALTRE BATTERIE
Svantaggi : - elevata selezione del materiale - nessun costruttore in Europa di batterie Ni-MH - incidenza del trasporto per l ‘Asia
Vantaggi :
POLVERE DI IDRURI METALLICI
UTILIZZO DEGLI IDRURI PER IMMAGAZZINARE IDROGENO
-
Svantaggi : - scarsa diffusione odierna dell’utilizzo dell’idrogeno sia per trazione che come fonte di energia alternativa - ridotto numero di potenziali clienti costruttori di serbatoi e venditori di H
Vantaggi : -
VENDITA IDRURI METALLICI PER ALTRI UTILIZZI CHIMICO- INDUSTRIALE
136
recupero ideale minori costi di riciclaggio richiesta di polveri meno pure prevedibile espansione dell’utilizzo dell’idrogeno come fonte di energia
recupero ideale varie possibili ipotesi di commercializzazione
Svantaggi : - non definibilità delle caratteristiche finali richiesti agli idruri - maggiori costi di recupero - necessità di un impianto di recupero con elevata flessibilità
Infine abbiamo analizzato il valore
del progetto per valutarne la
sostenibilità economica considerando le 4 seguenti ipotesi .
costo industriale e utile aziendale derivante solamente dai proventi forniti dalle ipotesi
ditte costruttrici/importatrici di cellulari/batterie
(soglia minima 1 Euro/kg)
pessimista costo industriale e utile aziendale derivante dai proventi forniti dalle ditte costruttrici/importatrici di cellulari/batterie (soglia minima 0.5 Euro/kg) e dai proventi derivanti dalla vendita dei sottoprodotti
costo industriale e utile aziendale derivante solamente dai proventi forniti dalle ditte costruttrici/importatrici ipotesi
(soglia 2 Euro/kg)
ottimista
costo industriale e utile aziendale derivante dai proventi forniti dalle ditte costruttrici/importatrici di cellulari/batterie (soglia 1 Euro/kg) e dai proventi derivanti dalla vendita dei sottoprodotti
Il risultato è stato positivo anche con ipotesi di volumi di materiali trattati molto inferiori rispetto alla capacità produttiva. Concludendo, a nostro avviso, questo progetto potrà creare un valore aggiunto all’impresa che si adopererà per attuarlo.
137
138
