System dynamics model driven by process parameters for carbon emission prediction and mitigation scenario evaluation in open-pit metal mines
Questo studio sviluppa e valida un modello di dinamica dei sistemi guidato dai parametri di processo per prevedere le emissioni di carbonio nelle miniere metallifere a cielo aperto e valuta gli scenari di mitigazione, rivelando che, sebbene il trattamento dei minerali e la gestione dei residui dominino le emissioni, i miglioramenti combinati dell'efficienza e le strategie di decarbonizzazione possono ridurre significativamente le emissioni totali e i costi associati.
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Il mondo si sta spostando verso un futuro a basse emissioni di carbonio, una transizione che richiede enormi quantità di metallo per veicoli elettrici, turbine eoliche e sistemi di accumulo dell'energia. Per soddisfare questa domanda, le operazioni minerarie devono espandersi, eppure l'atto stesso di estrarre queste risorse è energivoro e genera significative emissioni di gas serra. Per decenni, scienziati e ingegneri hanno cercato di misurare queste emissioni, ma i metodi tradizionali si basano spesso sul guardare all'indietro, ovvero su ciò che è già accaduto. Contano il carburante bruciato o l'elettricità utilizzata dopo il fatto. Questo approccio, pur essendo utile per la rendicontazione, fatica a prevedere come cambieranno le emissioni man mano che una miniera si approfondisce, le strade si allungano o le attrezzature vengono sostituite. Tratta la miniera come un'istantanea statica piuttosto che come un sistema vivo e pulsante dove ogni decisione nella fase di pianificazione si ripercuote sull'intera operazione, alterando il consumo di energia e l'output di carbonio mesi o anni dopo.
Ricercatori della University of Science and Technology di Pechino hanno sviluppato un nuovo modo per affrontare questo problema. Hanno creato un modello informatico che funge da motore di simulazione dinamica, progettato specificamente per miniere metallifere a cielo aperto. Invece di limitarsi a conteggiare le emissioni passate, questo strumento prende i piani di produzione della miniera — quanto materiale roccioso spostare, quanto lontano trasportarlo e quali attrezzature utilizzare — e calcola l'impronta di carbonio risultante mese per mese. Il modello suddivide la miniera nelle sue attività principali: la perforazione dei fori per gli esplosivi, la frantumazione della roccia, il carico dei camion, il trasporto dei materiali, la frantumazione della pietra e la lavorazione del minerale. Tiene persino conto della perdita di stoccaggio naturale del carbonio quando il terreno viene disturbato. Collegando questi processi tra loro, i ricercatori possono vedere come un cambiamento in un'area, come una maggiore distanza di trasporto o il passaggio a camion elettrici, influenzi le emissioni totali dell'intero sito.
Per testare la loro creazione, il team ha applicato il modello a una grande miniera metallifera reale in Cina. Hanno prima inserito nel modello i dati del 2024 per vedere se potesse ricreare accuratamente l'effettivo consumo di energia e le emissioni della miniera. I risultati sono stati sorprendentemente vicini alla realtà; le previsioni del modello per l'elettricità, il diesel e l'uso di esplosivi erano entro pochi punti percentuali dai registri effettivi. Ciò ha dato ai ricercatori la fiducia necessaria per usare lo strumento per guardare avanti, simulando le operazioni della miniera per l'anno 2027. In questo scenario futuro, il modello ha previsto che la miniera avrebbe emesso circa 1,76 milioni di tonnellate di equivalente di anidride carbonica. La simulazione ha rivelato che le fluttuazioni mensili delle emissioni erano quasi interamente guidate dalla quantità di roccia che la miniera pianificava di spostare in quel mese. Quando il programma di produzione prevedeva di spostare più roccia, le emissioni aumentavano; quando il programma rallentava, le emissioni diminuivano. La distanza percorsa dai camion era importante, ma era un fattore secondario rispetto al puro volume di lavoro svolto.
La simulazione ha anche scoperto da dove provenisse effettivamente il carbonio. Contrariamente alla comune supposizione che i pesanti camion che salgono e scendono dal sito siano i principali inquinatori, il modello ha mostrato che la lavorazione del minerale era la fonte dominante. Le fasi di macinazione della roccia e separazione del metallo prezioso, note come beneficiamento, insieme alla gestione del materiale di scarto, hanno rappresentato circa il 91 percento delle emissioni totali della miniera. I camion, pur essendo rumorosi e potenti, hanno contribuito per meno del 5 percento. Questa scoperta è fondamentale perché suggerisce che semplicemente sostituire i camion diesel con quelli elettrici, pur essendo benefico per i camion stessi, avrebbe un impatto sorprendentemente piccolo sull'impronta di carbonio totale della miniera. Nella simulazione, sostituire il 30 percento del carico di lavoro dei camion diesel con camion elettrici ha ridotto le emissioni dei camion di quasi il 19 percento, ma le emissioni totali della miniera sono diminuite di meno dell'1 percento. Il motivo è semplice: i camion non erano il problema principale fin dall'inizio.
Quando i ricercatori hanno testato diverse strategie per ridurre le emissioni, la strada più efficace è diventata chiara. I guadagni maggiori sono derivati dal miglioramento dell'efficienza energetica dell'impianto di lavorazione del minerale e dal passaggio dell'elettricità che alimenta l'intera miniera a una fonte più pulita. Se la miniera riuscisse a ridurre del 10 percento l'elettricità necessaria per lavorare il minerale, le emissioni totali scenderebbero di quasi l'8 percento. Se la rete elettrica stessa diventasse più pulita, riducendo l'intensità di carbonio dell'energia, le emissioni totali scenderebbero di oltre il 14 percento. Il risultato più potente è emerso combinando queste misure con l'elettrificazione dei camion. Facendo tutte e tre le cose contemporaneamente, il modello ha mostrato che la miniera potrebbe tagliare le sue emissioni annuali totali a circa 1,38 milioni di tonnellate, una riduzione di quasi il 22 percento. Questo approccio combinato farebbe risparmiare alla miniera milioni di dollari in potenziali costi del carbonio, assumendo che venga applicato un prezzo sulle emissioni di carbonio.
Lo studio non sostiene di aver risolto il problema delle emissioni minerarie, né suggerisce che i camion elettrici siano una cattiva idea. Al contrario, offre una mappa precisa di dove concentrare l'impegno. Per questo specifico tipo di miniera, la strada verso un futuro a basse emissioni di carbonio risiede meno nel cambiare i veicoli e più nell'ottimizzare l'impianto di lavorazione e nel garantire energia più pulita. Il modello funge da strumento decisionale, permettendo ai pianificatori della miniera di vedere le conseguenze delle loro scelte prima che vengano prese. Dimostra che, sebbene ogni parte dell'operazione sia importante, l'energia utilizzata per trasformare la roccia in metallo è il fattore determinante nell'equazione del carbonio. Comprendendo questa relazione dinamica, le aziende minerarie possono pianificare le loro operazioni per essere più efficienti e meno dannose per il clima, assicurando che i metalli necessari per un futuro verde siano estratti con la più piccola impronta di carbonio possibile.
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