Lampadine a basso consumo: abbiamo abbastanza gallio per i LED?

galliumproduction

La produzione mondiale di gallio, dall’articolo di Ugo Bardi e Marco Pagani “peak minerals“. In tutto il mondo si producono oggi soltanto 70 tonnellate di gallio all’anno. Bastano per sostituire le lampadine a incandescenza tradizionali con lampade a LED? In principio, si. Ma la faccenda è tutt’altro che ovvia.

Anni fa, andai a Tokyo a visitare alcuni degli inventori delle moderne lampadine a LED. Erano tempi in cui la tecnologia dei “light emitting diode” era ancora ai primi passi. Tanto e vero che anche noi, all’università di Firenze, avevamo sviluppato qualcosa di nuovo nel campo.  L’idea di base dei LED non è tanto diversa da cose come le celle solari ma, per ragioni un po’ complicate da spiegare, il silicio che funziona bene nelle celle non va bene per i LED. Così ci eravamo messi a studiare il silicio “nanoporoso” che doveva emettere luce meglio del silicio normale. L’idea si era rivelata abbastanza buona nel senso che questi diodi al silicio effettivamente emettevano un po’ di luce rossiccia.

Tuttavia, era chiaro che la nostra idea non era cosi’ buona come quella dei giapponesi. Il confronto portò a una scena che somigliava un po’ a qualcosa che forse avete visto nel film “Crocodile Dundee” (Questo non è un coltello, QUESTO è un coltello!). Uno dei miei interlocutori tirò fuori uno dei loro LED e procedette ad abbagliarmi con un fascio di luce blu intensissima, dicendo qualcosa più o meno tipo, “Questo non è un LED, QUESTO è un LED!“.

Nella vita, ogni tanto devi ammettere la tua sconfitta e da allora lasciammo perdere i LED al silicio – anche se nanoporoso. Invece, i LED sviluppati in Giappone all’arseniuro di gallio (GaN) hanno fatto il loro cammino e oggi sono la base delle lampade a LED commerciali. Queste lampade non sono molto diffuse perché sono ancora costose e, inoltre, la generazione dei LED oggi in commercio è meno efficiente delle lampadine fluorescenti. Ma dai dati di laboratorio sembrerebbe possibile arrivare a LED con efficienze uguali o anche superiori a quelle di qualsiasi cosa disponibile al momento.

Sembrerebbe quindi che i LED siano una tecnologia ideale per superare sia le limitazioni delle lampadine tradizionali come di quelle a fluorescenza. Le prime sono troppo inefficienti in termini energetici, le seconde danno dei problemi a causa del mercurio che contengono. Di questi problemi ho discusso in dettaglio in alcuni post precedenti (“lampadine a basso consumo, sono una buona idea?” “il paradosso di jevons“, “le lampade fluorescenti sono sicure?“).

Ma c’è un piccolo problema. Il gallio è un metallo raro; in effetti uno degli elementi più rari nella crosta terrestre. Ne abbiamo abbastanza per fare lampadine LED in quantità sufficiente?

Stabilire questo punto si è rivelato piuttosto difficile. Se andate a cercare su internet quanto gallio c’è in un LED non trovate nessuna risposta; altro che vaghi riferimenti a “piccole quantità”. Dopo laboriose ricerche sono riuscito a trovare qualche dato che mi porta a concludere che un singolo LED potrebbe contenere 0.1 mg di gallio (vedi appendice). Tipicamente, però, per fare una lampada che sostituisca una normale lampada di quelle che si avvitano nel portalampade, ci vogliono una decina di LED, e forse di più. Quindi una lampada contiene almeno 1 mg di gallio. Questo è un ordine di grandezza, ma probabilmente non è troppo lontano dalla realtà, anche tenendo presente che un telefonino sembra contenere circa 0.3 mg di gallio (vedi appendice). In realtà, in entrambe i casi, bisogna vedere non quanto gallio è contenuto dentro il manufatto, ma quanto gallio bisogna utilizzare nella produzione che, sicuramente, non è efficiente al 100%. Ma su questo non ho trovato nessun dato.

Teniamo comunque per buono il milligrammo di gallio per lampada. Consideriamo poi che nel mondo ci sono decine di miliardi di lampadine a incandescenza. Per sostituirle tutte, ci vorrebbero alcune decine di tonnellate di gallio. Ce le abbiamo? In principio, sembrerebbe di si. Non ci sono dati attendibili sulle riserve minerarie di gallio, anche perché non esistono miniere di gallio; il gallio è un sottoprodotto della lavorazione dell’alluminio. Comunque, secondo i calcoli che ho fatto insieme a Marco Pagani,  nel futuro potremo produrre forse altre 1000 tonnellate di gallio, seguendo la parte decrescente della relativa curva di Hubbert. Fra le altre cose, il caso del gallio conferma la robustezza del modello di Hubbert. Dieci anni fa, la gente estrapolava linearmente o esponenzialmente le tendenze produttive e prevedeva che, oggi, avremmo dovuto produrre 2-3 volte la quantità di gallio che stiamo effettivamente producendo. Comunque si vogliano vedere le cose, in ogni caso, sembrerebbero che abbiamo risorse di gallio sufficienti per un gran numero di lampadine LED.

La faccenda, tuttavia, è assai più complicata di così. Al momento, la produzione di gallio viene interamente assorbita dalla produzione di elettronica di vari tipi che utilizza circuiti all’arseniuro di gallio: telefonini in gran parte (di cui ce ne sono circa tre miliardi su tutto il pianeta) ma molti altri usi, fra i quali quelli militari. Allora, stiamo parlando di espandere la produzione di lampadine LED a livelli di centinaia di miliardi di pezzi all’anno e questo in presenza di una produzione di gallio che comincia a declinare. In pratica, questo vuol dire che non avremo abbastanza gallio per tutto quello che ci serve. Se poi dovessimo cominciare a usare l’arseniuro di gallio su grande scala per le celle solari, allora ci sarebbero senz’altro dei grossi problemi di approvvigionamento.

Teniamo anche conto che i LED sono di lunga durata, ma non sono eterni. Possiamo riciclare il gallio? In linea di principio, si. Però non ho trovato la descrizione di nessun processo di riciclo del gallio a partire da rifiuti elettronici. Il problema è che le quantità in gioco sono molto piccole ed è difficile recuperarle con una buona efficienza. Il gallio non è come il mercurio delle lampade fluorescenti, che evapora facilmente e si recupera anche partendo da quantità infinitesimali.

Infine, la produzione dei LED richiede comunque macchinari complessi e specializzati che, a loro volta, fanno grande uso di risorse e di energia. Non ho trovato un’analisi di ciclo di vita di questi processi, per cui al momento non sappiamo dire se l’alto costo dei LED sia dovuto a qualche fattore intrinseco correlato alla manifattura oppure semplicemente alla novità della cosa. In pratica, non è probabile che il costo dei LED si abbassi rapidamente al livello di quello delle lampadine a incandescenza o a fluorescenza.

Tutto questo non è per dire che la tecnologia LED non è una buona tecnologia. Per niente – è una tecnologia estremamente interessante e promettente. Tanto per dirne una, il proiettore di diapositive che ho comprato recentemente per fare presentazioni ha una lampadina LED. Costa un po’ di più di un proiettore normale, ma rischi molto meno che la lampadina ti si fulmini mentre stai parlando. Per questo tipo di usi, i LED al gallio sono eccellenti. Vedo un po’ male, però, i LED a sostituire le comuni lampadine delle scale e del salotto in tutto il mondo. Come sempre, c’è una questione di fondo di cui ci dimentichiamo sempre: la tecnologia, per quanto bella e avanzata, non può compensare da sola per l’esaurimento delle risorse.

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Appendice: un piccolo calcolo dell quantità di gallio nei LED.

Questo link da 10 micron di spessore per lo strato di GaN in un LED; prendiamolo per buono. La densità del GaN è 6.15 g/cm3. Il gallio pesa 5 volte più dell’azoto, quindi possiamo approssimare a 6 g/cm3 la densità del gallio nel GaN. Supponiamo ora che un LED abbia un area di 2 mm2 (2×10-6 m2), per uno spessore di 1×10-5  m ne consegue che il volume dello strato è 2×10-11 m3, ovvero 2×10^-5 cm3. Questo corrisponde a 1.2×10-4 g, or 1.2×10-1 mg, di gallio. Possiamo approssimare questo valore a 0.1 mg. Ovvero, molto approssimativamente c’è un decimo di milligrammo di gallio in ogni LED.

Il dato sugli 0.3 mg di gallio per telefonino è calcolato da http://www3.interscience.wiley.com/journal/120130699/abstract


8 comments ↓

#1 Weissbach on 01.18.10 at 01:07

Proprio l’altro ieri ho cercato di capire – con fare un po’ cialtrone, su Wikipedia – se gli OLED abbisognano anch’essi di metalli rari.
Sembrerebbe di no.
Resta valido il monito di base, però.
(del resto, ci sventagliano sempre i prodotti, quasi mai i processi)

#2 marco on 01.18.10 at 11:56

Dovremmo darci da fare per scoprire se la natura consente la facile trasmutazione degli elementi.
Io credo che tale possibilità esista.
Anzi, non escludo che ricerche tenute nel massimo segreto conoscano già la risposta.
In caso affermativo, che la trasmutazione semplice e praticabile esista, tutta l’economia ne sarebbe stravolta.
Ma, in un mondo dove sparissero tutti i problemi derivanti dalla penuria di minerali contenenti elementi rari, resterebbero comunque altri problemi fondamentali, uno su tutti quello della limitata superficie abitabile terrestre, quello che chiamo”ortoprocapite”.
Questo secolo sarà il secolo dell’etologia.
Per stare tutti insieme appassionatamente su questo pianeta, dobbiamo trovare immediatamente diversi stili di vita.Che comprenderanno varietà di usi e costumi, ciascuno nella sensata misura.
Dalle candele alle fiaccole fino agli emettitori di luce organici, imitazioni in fondo, delle romaticissime lucciole, che con ingorda insipienza abbiamo quasi sterminato.Saranno anzi già lo sono, tempi duri, ma non ci sarà da annoiarsi.

Marco Sclarandis

#3 francesco g on 01.18.10 at 22:50

esempio:http://www.sciencedaily.com/releases/2007/03/070319175617.htm

oppure non riesco a trovare l’articolo ma ci sono delle nanoparticelle (un derivato del vanadio non ricordo l’esatta composizione) da rivestire i led blu (oltre al GaN è possibile ottenerlo con ZnSe o SiC e Al2O3 come substrato i corso il Si ) e “cambia” colore l’efficenza non ricordo ma era elevata ; oppure si fà usando i fosforo giallo…..è una teconologia in evoluzione non ha senso mettere dei paletti…..

#4 marco on 01.19.10 at 11:59

Dai calcoli che derivano dalla quantità di gallio ragionevolmente estraibile nei prossimi anni, 1000 tonnellate, e dal gallio necessario per produrre un led, un decimillesimo di grammo, potremmo in teoria fabbricare diecimila miliardi di led.
Millecinquecento led procapite.
In fondo, il necessario per fabbricare un bel faro, radioso quanto la luce di duecento candele di cera.
Con la durata di decenni interi.
Se usassimo il gallio in questo modo, sarebbe anche più semplice riciclarlo.
Ma, non avverrà così.
Gli archeologi troveranno miliardi di bottoncini trasparenti e colorati, e se saranno abbastanza astuti e fortunati, scopriranno che possono illuminarsi grazie ad una minuscola briciola di un metallo rarissimo.
Il gallio, appunto.
Ma si chiederanno come chi fabbricò un simile prodigio tecnologico, possa essere stato tanto stupido da buttare una materia così rara e preziona nelle discariche.
Sempre che in futuro esistano archeologi tanto curiosi.

Marco Sclarandis

#5 Corrado Truffi on 01.19.10 at 16:28

e l’attuale esplosione di televisori a LED?

#6 Paolo Marani on 01.21.10 at 18:27

Sto cominciando a leggere da varie fonti, parlando ad esempio di efficienza per le lampade della pubblica illuminazione, che il vantaggio dei LED sarebbe ampiamente sovrastimato. Non tanto per motivi di costi, ma proprio in quanto a consumi energetici, sembra ad esempio che le lampade fruorescenti al SODIO a bassa ed alta pressione (quelle che fanno quelle luci molto arancioni che falsano i colori) siano altrettanto efficienti (come lumen/W) che i led, ma ad una frazione del costo. E la resa cromatica sta pure migliorando crazie a qualche coating con sostanze che emettono in uno spettro più largo.

Insomma, non è che questa frenesia di “leddizzare” tutto sia più una moda che un atteggiamento utile per il risparmio energetico ?

#7 Luigi ruffini on 01.22.10 at 17:27

Paolo scusa ma guarda che ho testato di persona un lampione SAP ed uno a Led, pinza amperometrica alla mano.
Il led testato non è quello dei mercatini o delle fiere di eletronica, con una tecnologia di 5 anni fa e fa ridere, ma uno di ultima generazione, di costruzione giapponese e di ottima qualità.
Il Lampione a Led, con pari grado di illuminazione, consuma il 10% (non in meno….DEL TOTALE).
La gran parte dei rivenditori di materiale elettrico DORME PROFONDAMENTE, non sanno neppure che esistono, quindi occorre stare molto attenti perché i rivenditori, quando non conoscono un prodotto, ne sconsigliano l’uso (lo facevano anni fa con il fotovoltaico, capirai…).
In A14 zona Pescara-Giulianova stanno cambiando l’illuminazione delle gallerie. Tolgono i Sap e mettono i LED. E’ uno spettacolo. Ci si vende nettamente meglio, e si rivedono i colori.

#8 Luigi ruffini on 01.22.10 at 17:33

Esempio,guardate quì:

http://www.youtube.com/watch?v=glYPgRysCeQ&feature=related

Eehhh!!