Brevetti ed efficienza energetica nel settore ceramico
Il recente "Competitiveness Compass for the EU" evidenzia come l'innovazione tecnologica sia il motore principale della crescita aziendale e della produttività. Le imprese europee devono colmare urgentemente il divario innovativo rispetto ai competitor internazionali, specialmente nell'adozione di tecnologie avanzate e nella loro integrazione nei processi produttivi, se non vogliono rimanere schiacciate tra Stati Uniti e Cina.
In quest'ottica, Stroncature sta lanciando un nuovo servizio di technology scouting che, attraverso un'analisi sistematica dei brevetti disponibili e delle soluzioni tecnologiche emergenti, supporta le aziende nell'identificare e acquisire le innovazioni capaci di risolvere problemi noti, come ad esempio la riduzione dei costi energetici.
Come caso pilota, abbiamo selezionato una serie di brevetti utilizzabili nel settore ceramico e delle piastrelle per ridurre la bolletta energetica. Ci siamo concentrati sui brevetti detenuti da università e centri di ricerca, escludendo quelli registrati da altre aziende che potrebbero impiegarli internamente per accrescere il proprio vantaggio competitivo.
Suggerimenti e critiche sono benvenuti per strutturare al meglio il servizio. Per contatto mastrolia@stroncature.com.
Il settore ceramico è tradizionalmente caratterizzato da un'elevata intensità energetica, con i costi dell'energia che rappresentano una componente significativa dei costi di produzione. In particolare, i processi di cottura nei forni ceramici richiedono temperature molto elevate e cicli termici prolungati, comportando un notevole consumo di combustibili fossili. Questa dipendenza energetica rende le imprese ceramiche particolarmente vulnerabili alle fluttuazioni dei prezzi dell'energia e alle crescenti pressioni normative per la riduzione delle emissioni, evidenziando la necessità impellente di ottimizzare l'efficienza energetica dei processi produttivi.
L'innovazione tecnologica rappresenta la chiave per affrontare questa sfida. Le soluzioni brevettate spaziano dall'ottimizzazione dei sistemi di combustione nei forni, con moduli di riscaldamento più efficienti e migliore distribuzione del calore, all'introduzione di nuovi materiali isolanti che riducono le dispersioni termiche, fino a sistemi avanzati di recupero del calore dai fumi di scarico. Queste innovazioni non solo permettono di ridurre significativamente i consumi energetici e i relativi costi operativi, ma contribuiscono anche a migliorare la sostenibilità ambientale del processo produttivo, aspetto sempre più cruciale per la competitività delle imprese del settore.
1. Forno laser ibrido per cottura ceramica (EP2764444)
Titolare: Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC) e Univ. di Saragozza
Brevetto: EP 2 764 444 B1, concesso nel 2019
Descrizione tecnica: Un forno industriale continuo che combina la cottura tradizionale con un laser ad alta potenza per trattare solo la superficie dei prodotti ceramici. Il laser riscalda la superficie delle piastrelle fino a 1200–3000 °C senza deformarle, fondendo smalti o indurendo lo strato superficiale mentre l’interno resta a temperatura inferiore. Il design prevede un doppio canale: un forno a rulli convenzionale per pre-riscaldare il pezzo e un sistema laser scannerizzato in uscita. Questo permette cotture più rapide ed efficienti: si ottiene la vetrificazione superficiale desiderata consumando meno energia totale, poiché non si scalda l’intero spessore del pezzo. Il prototipo ha mostrato prodotti ceramici più resistenti e con decorazioni precise, dimezzando lo spessore necessario (da 9 a 4 mm) e dunque anche il fabbisogno di materie prime e di energia per la cottura.
Applicazioni nel settore: Piastrelle e vetri ceramici con superfici indurite o smaltate ad alta resistenza. Le aziende ceramiche possono ridurre i costi energetici per pezzo grazie a cicli di cottura più brevi e minore dispersione termica, oltre a tagliare le emissioni di CO₂. Il brevetto, sviluppato nel progetto europeo “CeramGlass”, è stato esteso a livello internazionale (Europa, USA, Cina) data l’importanza industriale della tecnologia.
2. Additivi nanostrutturati per abbassare la temperatura di sinterizzazione (EP3608299)
Titolare: Nanomateriales S.A. de C.V. (spin-off di ricerca, MX)
Brevetto: EP 3 608 299 B1, pubblicato 2020 (in corso di concessione, corrispondente a WO2018/186729)
Descrizione tecnica: Processo per produrre additivi ossidici nanometrici (a base di ossidi di sodio, boro, silicio, potassio, calcio, zinco, ecc.) che agiscono come fondenti estremamente efficaci . Si ottengono nanoparticelle attraverso nucleazione chimica controllata e le si stabilizza con disperdenti, formando un additivo in polvere o sospensione facilmente integrabile nell’impasto ceramico tradizionale . Questi nano-fondenti permettono di ridurre la temperatura di cottura di 100–130 °C: ad esempio, applicando lo 0,2–5% di additivo, la temperatura di sinterizzazione di un gres rosso può calare da ~1150 °C a ~1000 °C, e per il gres porcellanato da ~1180 °C a ~1050 °C. In alternativa, a parità di temperatura, consentono di accelerare il ciclo di cottura del 20% circa . Importante, le proprietà meccaniche e di gresificazione restano inalterate o migliorano leggermente grazie alla microstruttura ottenuta.
Applicazioni nel settore: Questo brevetto è rivolto ai produttori di piastrelle ceramiche (dal cotto al porcellanato) per risparmiare energia nei forni. Riducendo la temperatura di picco o il tempo di permanenza, si risparmia combustibile e si abbassano i costi energetici per unità prodotta. È applicabile a piastrelle da pavimento e rivestimento, sanitari, stoviglieria e altri prodotti ceramici che richiedono elevata temperatura. L’additivo, sviluppato da un centro di ricerca privato, è pensato per essere introdotto nelle linee industriali esistenti (macinazione ad umido dell’impasto) offrendo un miglioramento immediato dell’efficienza termica di cottura senza modificare profondamente i processi.
3. Additivi ossidici per accelerare la cottura veloce (brevetto europeo, Serbia)
Titolare: Istituto IMS e Tramaxion d.o.o. (Serbia) – brevetto accademico europeo, n. non divulgato (concesso ~2021)
Descrizione tecnica: Un gruppo di ricercatori serbi ha sviluppato e brevettato un additivo inorganico che consente di accorciare i cicli di cottura rapida delle piastrelle senza comprometterne le caratteristiche. L’additivo – a base di ossidi micro/nanometrici simili a quelli del brevetto precedente – viene aggiunto in piccole percentuali (<0,5%) all’impasto ceramico, favorendo la vetrificazione anticipata. In test di laboratorio e industriali, questo ha permesso di ridurre il tempo di cottura di piastrelle greificate, aumentando la produttività di circa +6,8% senza alterare ritiri, resistenza meccanica o assorbimento d’acqua. In pratica la stessa piastrella può essere cotta più rapidamente mantenendo prestazioni uguali o migliori. Ciò si traduce in un notevole risparmio energetico e minori emissioni di CO₂ per ogni ciclo. Il brevetto copre varie formulazioni di additivi ossidici (es. contenenti ossidi di litio o boro) e il loro metodo di applicazione nell’industria ceramica.
Applicazioni nel settore: Pensato per impianti di produzione di gres porcellanato smaltato o non smaltato dotati di forni rapidi. Integrando questi additivi nella miscela, le aziende possono ridurre il consumo di gas/metano per cottura (poiché ogni ciclo è più breve) e aumentare la produttività oraria. Ciò abbassa direttamente il costo energetico unitario. Il brevetto è frutto di collaborazione tra un’azienda locale (Tramaxion) e centri di ricerca materiali di Belgrado, e rappresenta un esempio di trasferimento tecnologico al settore ceramico tradizionale.
4. Metodo a basso consumo per gres porcellanato con rottami vetrificati (brevetto italiano & PCT)
Titolare: Centro Ceramico Bologna e Univ. di Padova
Brevetto: IT BO2007/00590 (2007) + PCT WO2009/132456 – (domanda EP non pubblica)
Descrizione tecnica: Un processo innovativo che impiega materiale di scarto vetrificato come fondente nell’impasto ceramico delle piastrelle di gres porcellanato. In particolare vengono aggiunti al composto elevate quantità di vetro riciclato (proveniente da rifiuti urbani o scorie minerarie vetrificate) in sostituzione dei fondenti tradizionali come feldspato. Ottimizzando il rapporto tra scarto vetroso e argille, i ricercatori sono riusciti a ottenere una sinterizzazione completa già a 1000 °C, contro i ~1230 °C richiesti da un gres porcellanato standard. Le piastrelle prodotte con questo metodo presentano proprietà meccaniche pari o superiori a quelle tradizionali (resistenza alla flessione, durezza, assorbimento <0,5%). Il minor tenore di argilla e la presenza del vetro (che fonde e lega i granuli) consentono la vetrificazione a temperatura più bassa.
Applicazioni nel settore: Il brevetto consente di realizzare gres porcellanato a elevate prestazioni riducendo drasticamente il consumo di energia in forno (fino a ~30% in meno di gas). Le aziende ceramiche possono così abbattere il costo energetico di cottura, oltre a riciclare rifiuti vetrosi riducendo l’uso di materie prime naturali. Il processo è compatibile con gli impianti esistenti (mulini e forni) e produce piastrelle adatte a pavimenti e rivestimenti con uguale estetica finale. Si tratta di un’invenzione accademica italiana trasferita al distretto ceramico: benché brevettata inizialmente in Italia, ha avuto estensioni internazionali (es. brevetto CN e RU) e mostra come l’uso di cullet (vetro di scarto) possa innovare il settore in ottica di efficienza energetica.
5. Legante geopolimerico da fanghi per elementi ceramici a freddo (brevetto Polito)
Titolare: Politecnico di Torino
Brevetto: IT 102020000010210 (2020) – in fase PCT internazionale
Descrizione tecnica: Questo brevetto accademico introduce la produzione di manufatti per edilizia (piastrelle, lastre, elementi d’arredo urbano) tramite geopolimeri ottenuti da fanghi di segagione e altri residui, senza bisogno di cottura tradizionale. I fanghi di segagione di marmo/granito (ricchi di silicati di calcio e alluminio) vengono attivati con un reagente alcalino, formando un legante inorganico che indurisce a temperatura ambiente (geopolimerizzazione). Il risultato sono elementi ceramici consolidati chimicamente a basse temperature (<<300 °C) anziché per sinterizzazione ad alta temperatura. Il processo brevettato permette di trasformare un rifiuto in un prodotto ceramico solido con caratteristiche adatte all’uso esterno (resistenza meccanica, stabilità) senza consumi termici elevati.
Applicazioni nel settore: Il brevetto Polito propone un percorso alternativo alla ceramica tradizionale per ridurre quasi a zero l’energia di processo. Elementi come piastrelle per pavimentazione o pannelli possono essere prodotti senza forno, abbattendo i costi energetici delle imprese ceramiche. Inoltre si valorizzano rifiuti dell’industria lapidea (fanghi) riducendo l’uso di argille e l’impatto ambientale. Questo è particolarmente interessante per prodotti di grandi dimensioni o pezzi speciali per cui la cottura sarebbe costosa. In prospettiva, la tecnologia potrebbe affiancare quella tradizionale nei settori dove la resistenza termica non è critica, offrendo un importante vantaggio economico ed ecologico.
6. Piastrella ceramica fotovoltaica integrata (brevetto università-centro di ricerca)
Titolare: Centro Ceramico Bologna (consorzio universitario)
Brevetto: WO 2008/120251 A1 (PCT internazionale, esteso in RU, CN, MX, USA)
Descrizione tecnica: Si tratta di una piastrella fotovoltaica in cui celle solari in film sottile sono direttamente integrate sulla superficie ceramica al posto dello smalto tradizionale. Il brevetto copre la struttura multistrato che include la piastrella di base, opportunamente trattata, e i dispositivi fotovoltaici applicati sopra di essa durante il ciclo produttivo. La sfida tecnica è garantire adesione, protezione e funzionalità delle celle PV sulla ceramica. La soluzione brevettata prevede strati sottili protettivi vetrosi e un metodo di deposizione compatibile con le linee ceramiche. La piastrella risultante mantiene le proprietà meccaniche di una normale piastrella da facciata, ma è in grado di produrre energia elettrica se esposta al sole.
Applicazioni nel settore: Queste piastrelle fotovoltaiche permettono alle imprese ceramiche di offrire prodotti a valore aggiunto per facciate ventilate e coperture di edifici. In termini di “costo energetico delle imprese”, l’adozione di piastrelle FV può contribuire a compensare i consumi elettrici degli stabilimenti produttivi o degli edifici stessi generando energia rinnovabile in situ. Ad esempio, rivestendo con tali pannelli ceramici un capannone o un edificio, parte dell’elettricità necessaria ai forni e agli impianti viene prodotta sul posto, riducendo la bolletta energetica dell’azienda. Questo brevetto, frutto di ricerca universitaria, ha aperto la strada a prodotti commerciali di tegole e facciate solari nel settore delle costruzioni in ceramica.
7. Utilizzo di ceneri da inceneritore come materia prima ceramica (EP2511251)
Titolare: Universidade de Aveiro & Univ. Nova de Lisboa (PT)
Brevetto: EP 2 511 251 B1, concesso 2013
Descrizione tecnica: Il brevetto riguarda un procedimento per incorporare ceneri pesanti da incenerimento di rifiuti solidi urbani nella produzione di materiali ceramici, ad esempio piastrelle o laterizi. Le ceneri di fondo sono ricche di ossidi di silicio, alluminio, calcio e ferro (tipicamente 50–60% SiO₂), simili ai componenti delle argille ceramiche. L’invenzione prevede trattamenti di rimozione dei metalli pesanti e la macinazione fine delle ceneri, che poi vengono mescolate con argilla e altri componenti. Si ottiene così un impasto ceramico parzialmente sostituito da questo residuo, che durante la cottura fonde parzialmente funzionando da fondente economico. In pratica, le ceneri agiscono abbassando la temperatura di vetrificazione o riducendo il fabbisogno di minerali naturali (feldspati), con beneficio doppio: costo zero della materia prima riciclata e minor energia impiegata per la cottura finale.
Applicazioni nel settore: Il brevetto, nato in ambito accademico portoghese, consente alle industrie ceramiche di ridurre i costi di produzione in due modi: risparmiando sull’acquisto di materie prime (sostituite da un rifiuto a basso costo) e potenzialmente risparmiando energia di cottura grazie all’effetto fondente delle ceneri. Viene indicato per prodotti da costruzione (piastrelle, mattoni, tegole) in cui una parte del tradizionale impasto ceramico può essere sostituita da fino al 50% di cenere trattata. Oltre ai benefici economici, vi è un vantaggio ambientale: si evita lo smaltimento in discarica di grandi quantità di ceneri, integrandole nel ciclo produttivo. Diverse aziende stanno sperimentando questa tecnologia per produrre ceramiche “green” a basso costo energetico e di materiale.
8. Impasto ceramico a secco con ceneri volanti (EP3640228 / EP3867211)
Titolare: Vecor Pty (spin-off universitario, HK/AU)
Brevetto: EP 3 640 228 A1 (pubbl. 2020) / EP 3 867 211 B1 (concesso 2024)
Descrizione tecnica: Questo brevetto riguarda la fabbricazione di piastrelle ceramiche impiegando ceneri volanti da combustione del carbone in elevata percentuale (almeno 20% in peso) come sostituto delle argille, e utilizzando un processo di granigliatura a secco invece dell’atomizzazione tradizionale. La miscela ceramica include ceneri volanti opportunamente classificate e additivate, che vengono agglomerate in granuli tramite compattazione a secco (dry granulation) invece di creare un impasto ad acqua da atomizzare . Ciò elimina la fase energivora di spray-drying (essiccamento dell’impasto), riducendo drasticamente il consumo di gas metano. Inoltre, le ceneri volanti, essendo vetrose, abbassano la temperatura di sinterizzazione necessaria del composto ceramico. Il risultato sono piastrelle ottenute con cicli termici standard ma con minore energia totale incorporata (sia per materie prime già calcin ate, sia per processo a secco).
Applicazioni nel settore: Il processo è stato pensato per il settore delle piastrelle da pavimentazione, in particolare gres porcellanato. Le imprese che adotteranno questa tecnologia brevettata potranno ottenere risparmi energetici su due fronti: (1) eliminando l’atomizzatore (che nelle fabbriche ceramiche incide fino al 20-30% dei consumi di gas) grazie all’impasto a secco, e (2) riducendo leggermente la temperatura di cottura per via del contenuto di ceneri vetrose. Anche i costi delle materie prime diminuiscono, sostituendo parte delle argille e dei fondenti con un residuo industriale a basso costo. Questo brevetto, sviluppato originariamente da un team universitario australiano, testimonia la tendenza a innovare i processi ceramici tradizionali per aumentarne la sostenibilità e l’efficienza. Diversi impianti pilota hanno confermato la fattibilità di piastrelle con >20% di cenere volante, con proprietà comparabili ai prodotti convenzionali ().
Fonti: Le informazioni sono state raccolte da brevetti europei e internazionali e da articoli tecnico-scientifici correlati (Investigadores de CSIC crean un horno láser para la producción sostenible de cerámica y vidrio) (Patenta el primer horno industrial del mundo, para cerámica y vidrio, con tecnología láser) (METHOD FOR THE PREPARATION OF NANOMETRIC METAL OXIDE ADDITIVES THAT REDUCE SINTERING TEMPERATURE AND/OR INCREASE PRODUCTIVITY IN THE MANUFACTURE OF CERAMIC PIECES, IMPROVING MECHANICAL PROPERTIES WITHOUT AFFECTING THE VITRIFICATION PROPERTIES OF CERAMIC BODIES, TILES OR COATINGS - European Patent Office - EP 3608299 A1) (Centro Ceramico - brevetti ottenuti grazie alle ricerche condotte) (Arte, rifiuti, risorse: Il Politecnico di Torino e "Marazzato" protagonisti alla "Milano Design Week" | Politecnico di Torino) (EP 3867211 A1 20210825 - CERAMIC PARTICULATE MIXTURE ...), nonché da comunicati stampa di centri di ricerca ceramici (Patenta el primer horno industrial del mundo, para cerámica y vidrio, con tecnología láser) (Arte, rifiuti, risorse: Il Politecnico di Torino e "Marazzato" protagonisti alla "Milano Design Week" | Politecnico di Torino).