Una lavorazione del silicio efficiente a livello ecologico per promuovere l’economia circolare
L'elettricità rinnovabile è destinata a diventare una pietra miliare del futuro sistema energetico europeo, caratterizzato da sostenibilità e neutralità dal punto di vista climatico; al tempo stesso, il progresso tecnologico ha aumentato la domanda di microelettronica. Di conseguenza, il mercato del fotovoltaico e dei wafer per semiconduttori è cresciuto in maniera esponenziale. Questi prodotti di alto valore si basano sulla trasformazione del silicio metallico (una materia prima critica) in celle solari o chip che utilizziamo in oggetti di uso quotidiano, come gli smartphone.
Le sfide legate alla produzione di silicio
«Per produrre silicio di elevata purezza, si parte dal quarzo», spiega Martin Bellmann, coordinatore del progetto ICARUS(si apre in una nuova finestra) e business developer presso l’organizzazione di ricerca norvegese SINTEF(si apre in una nuova finestra). «Dopo essere estratto è necessario lavorarlo, un processo che consuma molta energia e genera CO2.» In questo modo si ottengono cristalli di silicio o lingotti, che vengono poi tagliati in wafer sottili per produrre celle solari o microchip. «È un po’ come segare il legno: si tratta di una procedura che genera molti rifiuti», spiega Bellmann. «Circa il 35% del silicio viene perso.» Inoltre, la coltivazione dei cristalli richiede temperature estremamente elevate e contenitori per la fusione in quarzo di elevata purezza, che vengono smaltiti dopo l'uso. Un'altra fonte di rifiuti è la grafite utilizzata nei forni. Il silicio viene inoltre importato per lo più dall'Asia, il che determina problemi associati ai costi e alla sicurezza della catena di approvvigionamento.
Raffinazione e trasformazione del silicio industriale
ICARUS, finanziato dall'UE, ha riconosciuto un'opportunità fondamentale per affrontare questo problema delle importazioni, insieme alle sfide legate ai rifiuti e alle emissioni. Con l’obiettivo di sfruttarla, il progetto ha concepito processi in grado di raffinare e trasformare i flussi di rifiuti industriali di silicio, grafite e silice in prodotti finiti di alto valore. «Ci eravamo prefissi di trovare soluzioni in grado di recuperare il 95% delle materie prime di alto valore dalla produzione di lingotti e wafer di silicio», spiega Bellmann. «In tal modo sarebbe possibile sbloccare volumi sostanziali di materie prime per ulteriori applicazioni industriali di alto livello.» Il progetto è stato in grado di dimostrare tre prove pilota industriali innovative che hanno recuperato con successo silicio, silice e grafite. «Abbiamo iniziato raccogliendo i rifiuti alla fonte», aggiunge Bellmann. «Dato che la polvere di silicio è solitamente umida, deve essere essiccata e pretrattata; inoltre, al fine di ottenere la qualità necessaria al riutilizzo, è necessario rimuovere anche le impurità.» Un’altra prova pilota si è incentrata sulla trasformazione di queste materie prime in prodotti industriali a valore aggiunto per diverse applicazioni di fascia alta, dalle celle fotovoltaiche a quelle per le batterie agli ioni di litio. I rifiuti di silicio sono stati inoltre trasformati in idrogeno e vetro d'acqua (noto anche come silicato di sodio), un composto utilizzato come agente cementante e legante nell'industria edilizia.
Garantire forniture affidabili di silicio
Il team del progetto sta attualmente presentando questi risultati all'industria, non solo in Europa ma in tutto il mondo; una possibile strada in fase di esplorazione è la vendita di licenze al fine di sviluppare ulteriormente la tecnologia attraverso l’istituzione di partenariati. «I nostri risultati potrebbero contribuire a dare uno slancio all'industria fotovoltaica europea, fornendo una fonte nazionale di materie prime», afferma Bellmann. «La tecnologia che abbiamo sviluppato potrebbe supportare questa rinascita.» Anche l'industria dei semiconduttori richiede forniture affidabili di silicio, con livelli di purezza ancora più elevati rispetto alle celle fotovoltaiche; si tratta di un altro caso in cui i concetti e la tecnologia introdotti da ICARUS potrebbero contribuire a rafforzare la competitività europea in questo campo.
