Come i megatrend globali stanno cambiando la tecnologia di processo meccanico – e rendendola cool

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Quali sono le tematiche di tendenza come economia circolare, produzione di batterie e proteine vegetali in comune? Sfida la creatività degli ingegneri di processo e seguono i megatrend globali risorse scarse, mobilità, alimentazione e tutela del clima. Mentre nel decennio passato l'attenzione era rivolta a nuovi processi chimici e tecnologie digitali, ora è il momento della tecnologia meccanica di processo.

Il futuro appartiene all'elettrificazione di economia e mobilità. E un ruolo decisivo lo giocheranno le tecnologie di accumulo. Tuttavia, quando si chiede agli esperti dove si possa aspettare il maggior potenziale di innovazione nella tecnologia delle batterie, la risposta sorprenderà la maggior parte delle persone: non nella chimica e nei nuovi materiali, ma nella tecnologia di produzione. Mentre, ad esempio, nelle batterie agli ioni di litio si avvicina un ottimale tecnologico dal lato dei materiali, la produzione di celle e batterie è ancora lontana dall'essere matura. La densità energetica, la durata e le prestazioni delle celle dipendono in modo cruciale, soprattutto a basse temperature, dalla precisione delle dimensioni delle particelle e dalla formatura. E anche se la Cina è attualmente leader incontrastata nella produzione di batterie per auto elettriche, questa situazione potrebbe cambiare nei prossimi anni, con nuovi attori negli USA e in Europa che costruiranno numerosi nuovi impianti con tecnologia all'avanguardia.

La chiave sta nel processo di produzione, sono convinti i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione, IPA. Un fattore importante sono i processi meccanici: consentono la produzione e la lavorazione di nanomateriali e la fabbricazione precisa di elettrodi. La complessità della catena del valore delle batterie inizia già dall'estrazione delle materie prime tramite mining o estrazione chimica, ma diventa particolarmente difficile nella lavorazione dei materiali: devono essere prodotti non solo con qualità costante (cosiddetta "Battery Grade"), ma anche in grandi quantità. E poiché i materiali attivi delle batterie sono tossici, i processi produttivi devono essere anche ermeticamente sigillati (contenimento).

I produttori di miscelatori, disperditori e reattori si sono impegnati sul tema. Un esempio è lo sviluppo di reattori a tubi per la sintesi di polveri: un flusso pulsante di gas caldo garantisce, ad esempio, nel reattore di Glatt Ingenieurtechnik, condizioni di flusso turbolento e permette di impostare in modo preciso e riproducibile le dimensioni, la superficie e la struttura delle particelle. Ma non solo nella tecnologia delle reazioni la distribuzione della temperatura ha un grande impatto sulla qualità del prodotto. Poiché i materiali degli anodi e dei catodi sono spesso prodotti in processi ad alta temperatura, anche il riscaldamento, la gestione del flusso e l'isolamento delle macchine di produzione sono fondamentali.

Un altro passaggio nel processo di produzione delle batterie è la rivestitura delle pellicole portatrici, su cui viene applicato il materiale attivo. La pasta di rivestimento deve essere particolarmente omogenea, perché deviazioni nelle dimensioni delle particelle o nella viscosità portano a perdite di prestazioni. Nuovi miscelatori e disperditori, come quelli di Ystral, mirano a controllare con precisione l'apporto di energia e a minimizzare il consumo energetico — un obiettivo di ottimizzazione importante, soprattutto considerando le grandi quantità da lavorare.

I processi continui richiedono nuove tecnologie di macchine

Diventano sempre più interessanti i processi continui: rispetto alla produzione batch tradizionale, i processi continui aumentano la produttività eliminando tempi di fermo e di pulizia. Inoltre, i processi continui consentono un migliore controllo del processo di produzione, possono essere più facilmente sigillati ermeticamente e raggiungono qualità di prodotto superiori. Questo è particolarmente importante quando il prodotto è sensibile alle contaminazioni o si vogliono evitare cariche microbiche. Inoltre, i processi continui sono più facili da scalare e portano a una maggiore efficienza energetica e dei costi.

Però, per realizzare processi continui, i processi meccanici devono essere adattati o sviluppati ex novo: che si tratti di mulini, miscelatori, essiccatori o centrifughe, la progettazione delle macchine per processi continui segue regole diverse. Il ripensamento con l'obiettivo di "continuità" porta già a nuove configurazioni. Un esempio sono i separatori a tamburo sviluppati di recente da Flottweg, utilizzati per la separazione continua di solidi da liquidi, ad esempio in biotecnologia. A differenza delle centrifughe tradizionali, usano un tamburo relativamente leggero e richiedono quindi meno energia di azionamento.

Un altro esempio sono gli estrusori a funzionamento continuo, impiegati nel riciclo della plastica. Ad esempio, gli estrusori a doppio vite di Coperion garantiscono un inserimento di energia molto efficiente nel processo di riciclo termico del polimetilmetacrilato (PMMA), consentendo una depolimerizzazione rapida ed energeticamente efficiente.

Economia circolare: potenzialità per il riciclo chimico e meccanico

Lo sviluppo di macchine mette in evidenza il mercato futuro in crescita dell'economia circolare: la produzione di plastiche basata sul riciclo chimico rappresenta un'opzione innovativa. Tuttavia, la scomposizione dei polimeri nei loro componenti chimici è solo l'ultimo passo. Più sensato, dal punto di vista del bilancio energetico, è il riciclo meccanico, che finora spesso fallisce perché i rifiuti plastici non sono generalmente separati per tipo. Qui, in futuro, si vogliono usare tecnologie digitali. L'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico possono analizzare i dati di telecamere e sensori nelle macchine di selezione e separare i rifiuti plastici — anche con l'ausilio di robot — in diverse frazioni.

Le crescenti percentuali di riciclo sono anche una sfida per i processi meccanici: gli impianti raggiungono limiti di capacità. Per esempio, i miscelatori meccanici sono limitati dalle dimensioni delle loro camere e, con le quantità, aumentano anche le forze meccaniche, causando variazioni di qualità nel riciclo di PET con la miscelazione di scaglie di PET. I silos di miscelazione, che prelevano il materiale da diversi livelli contemporaneamente, sono una soluzione di Zeppelin Systems, che permette di mescolare grandi quantità delicatamente. Le portate molto più elevate richiedono anche concetti di trasporto diversi.

Già qui si comprende che i processi meccanici, nonostante metodi di progettazione moderni come la fluidodinamica computazionale (CFD), la modellazione o le simulazioni, non possono essere pianificati completamente digitalmente. I produttori di impianti e macchine investono quindi sempre più in propri laboratori e impianti di prova per trovare il miglior processo per ogni applicazione di scarto. Nuove soluzioni nascono in stretta collaborazione tra fornitori di macchine e impianti e gli utenti. Questo è ancora più importante, perché — come dimostra l'esempio delle gigafabbriche di batterie — anche processi e tecnologie non ancora completamente sviluppati vengono scalati a livello industriale in impianti "first-of-its-kind".

Alimenti sostenibili richiedono nuovi processi

Il fatto che gli sforzi di sviluppo congiunti siano sempre più importanti vale anche per il settore alimentare, anch'esso in fase di trasformazione. La conservazione delle risorse e la sostenibilità sono i megatrend che guidano la domanda di nuovi processi. Questo si evidenzia, ad esempio, nella tendenza verso alternative alla carne, proteine vegetali e prodotti sostitutivi del latte. Questi diventeranno sempre più importanti nei prossimi decenni, poiché la produzione tradizionale di proteine animali sta raggiungendo i suoi limiti, considerando l'aumento della popolazione mondiale e i cambiamenti nelle abitudini alimentari. Anche qui, i processi meccanici svolgono un ruolo centrale — dalla macinatura e setacciatura alla centrifugazione, filtrazione e essiccazione, fino alla strutturazione di sostituti della carne tramite estrusione. Le innovazioni nascono anche qui da una collaborazione interdisciplinare tra tecnologi alimentari, ingegneri meccanici e tecnologi di processo.

Senza automazione e digitalizzazione non si può fare

Sebbene sembri indiscusso che in futuro l'IA o l'apprendimento automatico giocheranno un ruolo importante nell'industria dei processi, sono solo una manifestazione delle tecnologie digitali che potranno portare benefici anche nella tecnologia di processo meccanica. Due tendenze principali sono l'aumento del livello di automazione e la richiesta di impianti modulari. L'idea di base: impianti costruiti da unità di base di processo o moduli consentono di semplificare l'ingegneria e di ampliare la capacità in modo flessibile. Con l'analisi di dati di processo e sensori, si possono ottimizzare continuamente i processi.

Poiché la connessione ( orchestrazione) di tali moduli, nel metodo classico di automazione di processo, richiede molto lavoro di ingegneria e programmazione, è necessario un cambio di paradigma. Questo avviene attualmente con l'automazione modulare. L'obiettivo: le operazioni di base di processo e i moduli devono poter essere combinati facilmente e senza grandi sforzi di programmazione. Poiché i moduli portano già la loro logica di controllo sotto forma di un pacchetto di tipo modulo (MTP) e dispongono di un'interfaccia standardizzata, le funzioni del modulo possono essere utilizzate dal sistema di controllo centrale come servizio — senza ulteriori sforzi di programmazione nel sistema di controllo principale. Per i produttori di macchine e impianti di tecnologia di processo meccanica, questa è una sfida — devono affrontare con attenzione le questioni di digitalizzazione, automazione e controllo. Tuttavia, sempre più operatori di impianti e produttori di macchine sono convinti dei vantaggi — perché la modularizzazione coerente si ripaga, soprattutto in un contesto di carenza di manodopera specializzata. Alcuni fornitori, tra cui il costruttore di impianti GEA, stanno già affrontando questa sfida offrendo nuove unità di pacchetto con MTP.

In conclusione: che si tratti di tecnologia delle batterie, economia circolare o alimentazione sostenibile, le sfide tecniche sono enormi. I processi meccanici combinati con le tecnologie digitali giocano un ruolo decisivo e sono una chiave centrale per la sostenibilità. Domande stimolanti, compiti significativi e la possibilità di contribuire attivamente a un futuro sostenibile — alla tecnologia di processo meccanica non mancano certo i fattori di "coolness".