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GESTIONE DEI RIFIUTI IN OTTICA DI ECONOMIA CIRCOLARE Parte inorganica La valorizzazione di matrici complesse in ottica di Economia Circolare – il caso delle batterie agli ioni di litio Varese (on-line), 2 dicembre 2020 Federica Forte – SSPT-USER-T4RM
La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare
IMPRESE Pubblica
Amministrazione
COMMISSIONE
FORMAZIONE
EUROPEA
GESTIONE DEI RIFIUTI IN OTTICA DI ECONOMIA CIRCOLARE Parte inorganica–
UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020
Le Materie Prime Critiche
Le materie prime (critical raw materials, CRMs) costituiscono la base della nostra economia e sono essenziali per il
mantenimento e il miglioramento della qualità della vita.
Esse sono fondamentali per guidare il cambiamento, ad esempio attraverso tecnologie digitali, tecnologie
energetiche a basse emissioni di carbonio (pannelli solari, turbine eoliche, illuminazione a efficienza energetica) e
mobilità sostenibile (veicoli elettrici), settori in cui sono attualmente insostituibili.
Sebbene tutte le materie prime siano importanti, alcune di esse sono maggiormente critiche in termini di
approvvigionamento sicuro e sostenibile e per la loro importanza ecomomica.
Nel 2008 la Commissione Europea ha emanato la
comunicazione COM(2008)699 “Communication on
the Raw Materials Initiative - Meeting our critical
needs for growth and jobs in Europe” con lo scopo di
stabilire una strategia integrata per affrontare le sfide
legate all'accesso e all’approvvigionamento delle
materie prime non agricole e non energetiche in
Europa, con un approccio basato su tre pilastri:
o garantire condizioni di parità di accesso alle
risorse
o promuovere l’approvvigionamento sostenibile di
materie prime provenienti da fonti europee
o incrementare l'efficienza dello sfruttamento delle
risorse disponibili e promuovere il riciclo
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Le Materie Prime Critiche
Critical raw materials for the EU (Giugno 2017)
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Le Materie Prime Critiche
Critical raw materials for the EU (Gennaio 2020)
La lista dei CRMs 2020
conferma 26 dei CRM
2017.
Tre CRM non erano stati
considerati critici nel
2017: bauxite, litio e
titanio.
Al contrario l’elio, critico
nel 2017, non lo è più nel
2020.
Lo stronzio è l'unico
nuovo CRM che si trova
nell’aggiornamento 2020.
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Tavoli tecnici internazionali
European Innovation Partnership on Raw Materials
EU Directorate-General Internal Market, Industry, Entrepreneurship and SMEs
L’Innovation Partnership, insieme agli stakeholders europei, promuove soluzioni
innovative per affrontare la sfida europea sui Raw Materials (European Innovation
Partnership on Raw Materials COM(2012) 82 final. 2012).
Obiettivi:
o ridurre la dipendenza dalle importazioni
o fornire alternative
o portare l’Europa all’avanguardia nel settore dei Raw Materials
o mitigare l’impatto ambientale
L’ENEA è all’interno di:
o Operational Groups (OGs EIP RM)
o Supply Group on Raw Materials (expert groups RMSG X01353)
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Tavoli tecnici internazionali
o RECREEW (European network for innovative recovery strategies of rare earth and other critical
metals from electric and electronic waste), Cost Action ES140
o ERECON European Rare Earths Competency Network
o A.SPIRE - Sustainable Process Industry trough Resource and Energy Efficiency
o Batteries Europe European Technology and Innovation Platforms (ETIP)
Batteries Europe is the Technology and Innovation
Platform of the European Battery Alliance (EBA).
It aims to accelerate the establishment of a globally
competitive European battery industry, driving the
implementation of battery-related research and
Batteries Europe Working Groups and Task Forces
innovation actions of the Strategic Energy Technology
(SET) Plan and the Strategic Transport Research and
Innovation Agenda.
Full name: Building an attractive European R&I
ecosystem on batteries
Call: ENER-2018-453-A7 (tender)
Funding period: 2019-2022
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Lo sviluppo di tecnologie per la valorizzazione di
matrici complesse
Recupero di metalli da RAEE
Recupero di metalli (Ti da ceneri, V da tar
petroliferi, Co e Mn da catalizzatori industriali
Recupero di terre rare da esausti)
catalizzatori, batterie e magneti
permanenti
I RIFIUTI SONO UNA RISORSA,
Recupero di Co, Ni, Mn, Li da
NON UN PROBLEMA batterie agli ioni di litio esauste
Recupero di Ni, Cd, Zn e Mn da batterie
esauste per dispositivi mobili
Recupero di Pb, plastica, silice micronizzata e Recupero di PGMs da catalizzatori
energia da batterie al piombo acido esauste esausti per autotrazione
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Lo sviluppo di tecnologie per la valorizzazione di
matrici complesse
Matrici complesse:
«strutture» nelle quali sono presenti materiali di differente tipologia con specie
chimiche diverse in differenti concentrazioni di origine naturale o antropica (rocce
come bauxite, bastnaesite, apparecchiature Hi-tec, fanghi, …)
Otranto: lago di bauxite
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Lo sviluppo di tecnologie per la valorizzazione di
matrici complesse
STRATEGIA
o La necessità di recuperare materie prime secondarie (con focus particolare su quelle ritenute critiche) e di ridurre il fardello ecologico
causato da rifiuti ha spinto i legislatori a promuovere iniziative volte allo studio di processi di riciclo/recupero dei materiali in essi
contenuti (Pacchetto Economia Circolare).
o L’eterogeneità di tali matrici, la presenza di una grande quantità di differenti specie chimiche in differenti concentrazioni rende
necessario utilizzare tecniche selettive per la separazione e la purificazione delle sostanze in esse contenute. Le tecniche
idrometallurgiche costituiscono un efficace strumento per la separazione e la purificazione selettiva di specie chimiche diverse nel caso
di matrici complesse.
o In tali matrici la sostenibilità dei processi di recupero è realizzabile solo valorizzando la maggior quantità possibile di materie prime
secondo un approccio metodologico che vede l’intero rifiuto come risorsa e che miri al maggior numero di materiali da recuperare in
termini di quantità e varietà (Approccio Prodotto-Centrico).
o Tale approccio si riflette sia nelle metodologie analitiche che di processo con la finalità di verificare in ogni fase di studio i bilanci di
materia e la possibilità di recuperare (dove possibile) più specie chimiche: in questa ottica anche lo studio dei reflui prodotti diviene un
chiaro esempio di chiusura del ciclo di trattamento e di recupero.
METODOLOGIA
Le principali fasi per lo sviluppo di un processo di recupero di materie prime sono:
o caratterizzazione della matrice
o individuazione delle operazioni unitarie necessarie per la separazione delle specie chimiche di interesse e la purificazione dei prodotti
o verifica dei bilanci di materia, valutazione economica e dell'impatto ambientale del processo.
Al termine di questo percorso, si giunge alla definizione dei processi di separazione e purificazione delle specie chimiche secondo un
approccio integrato.
Tali percorsi si consolidano nella progettazione e realizzazione di impianti in scala preindustriale come l’impianto dimostrativo ROMEO
(Recovery Of MEtals by hydrOmetallurgy) messo in opera nel C.R. Casaccia.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020Lo sviluppo di tecnologie per la valorizzazione di
matrici complesse
PILOT SCALE TESTS
o caratterizzazione della
matrice
APPLIED RESEARCH o individuazione delle
operazioni unitarie di
separazione, recupero e
purificazione
o verifica e ottimizzazione
dei processi
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020L’impianto pilota ROMEO
ROMEO pilot plant was built to verify the
developed processes on a pre-industrial scale
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020Attività di formazione
o Dottorati di Ricerca
o Tesi di Laurea Triennale e Specialistica
o Tirocini formativi
o Visite di studenti ai Laboratori dei CR ENEA
o Seminari presso le scuole
o Open Day della Ricerca
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
The three main drivers of energy storage — mobility applications, electronic devices
and stationary storage — will reach an annual deployment level of 3,082 GWh up
from 164 GWh currently.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
Lithium-ion batteries placed on the global market, by application 2000-2025 (tonnes)
For Europe, LIBs production is a
strategic imperative for the energy
transition towards renewable sources
and competitiveness in the
automotive sector
necessity to adopt integrated
systems to act on the entire
value chain
Source: Circular Energy Storage
Global LIB market is constantly growing and expects to multiply over the next 12 years from around
1,000,000 tons of LIBs placed on the market in 2018 to 7,500,000 tons in 2030.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
In order to be cost-effective, a
recycling chain needs to be
oriented to the valorization of the
whole waste: not only the
cathode materials, but also the
anode (graphite) and the
electrolyte should be valorized,
according to the principles of
Circular Economy:
PRODUCT-CENTRIC
APPROACH
Source: J. Diekmann, C. Hanisch, L. Frobose, G. Schalicke, T. Loellhoeffel, A.S. Folster and A. Kwade. Ecological Recycling of Lithium-Ion Batteries from Electric Vehicles with Focus on
Mechanical Processes. Journal of The Electrochemical Society 2017, 164, A6184-A6191.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
Source: adapted from C. Liu, J. Lin, H. Cao, Y. Zhang, Z. Sun. Recycling of spent lithium-ion batteries in view of lithium recovery: A critical review. Journal of Cleaner
Production 228 (2019) 801-813.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
Collected Li-ion batteries for recycling Comparison of EOL versus collected Li-ion
in EU28 batteries for recycling in EU28
Source: Weyhe, R., Yang, X. Investigation about Lithium-Ion Battery Market Evolution and future Potential of Secondary Raw Material from Recycling, ACCUREC Recycling
GmbH (Ed.), 2018.
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
SORTING
LIBs are processed as mixed feed. There are
only few examples of industrial plants where LIBs
are separated by sub-chemistry, however no
information is available about the details of this
sorting step.
DISASSEMBLING MATERIALS RECOVERY
The design of LIBs varies significantly with different Most of the commercial processes were not a LIB-
models and manufactures, which increases the dedicated recycling process in their original design:
difficulty of automated disassembly. the core technology was based on pyrometallurgical
methods typical of Co and Ni extractive metallurgy.
Furthermore LIBs design is not optimized for easy Through this technology only Co, Ni and Cu could be
disassembling: use of adhesives, bonding methods recovered effectively, Li and Al being lost in the slag.
and fixtures, products equipped with embedded Therefore, most of these companies established a
rechargeable batteries (iPhone, tablets) do not process combining pyro- & hydrometallurgical
allow easy dismantling either by hand or machines. methods.
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https://www.piattaformaitalianafosforo.it/
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Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
F. Forte, M. Pietrantonio, S. Pucciarmati, M. Puzone & D. Fontana (2020). Lithium iron phosphate batteries recycling: An assessment of current status. Critical
Reviews in Environmental Science and Technology, DOI: 10.1080/10643389.2020.1776053
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
Other materials:
• casing
• metallic fraction Characterisation
• plastic fraction
• etc.
By-products and
Discharging Dismantling waste streams
valorisation
Battery packs
Characterisation
Electrolyte Separation/ Characterisation
of the cathodic Leaching of the outputs
removal material purification
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UNIONCAMERE Varese – 02/12/2020La valorizzazione di matrici complesse in ottica di
Economia Circolare - il caso delle batterie agli ioni di litio
Improvements to make LIB recycling processes more sustainable include:
o circular design
o manufacturer standardization of batteries
o labelling system
o improved collection system
o smart sorting and characterization
o automated disassembly techniques
o integrated, product-centric, closed-loop
recycling processes
increased sustainability (environmental
and economic)
higher value of recovered material streams
reduction of the risks for workers
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