R&I: i filoni di ricerca

Open Innovation

L’opportunità trasversale e inclusiva dell’open innovation

Con i suoi materiali e il suo know-how, Italcementi ha avuto un ruolo da protagonista nello sviluppo del Paese. La propensione all’innovazione ha portato negli anni allo sviluppo di molti prodotti unici e innovativi con una forte attenzione al tema della sostenibilità.

Il 2023 è stato un anno importante per la storia di Italcementi. Da novembre la società ha cambiato nome ed è diventata Heidelberg Materials dal nome della capogruppo. In un mondo sempre più globale un’azienda ambiziosa deve avere la lungimiranza di fare scelte importanti per il proprio futuro come quella di adottare il nuovo brand globale del gruppo tedesco Heidelberg Materials, che è tra i maggiori player mondiali del nostro settore.

E in questa visione strategica rientra anche il concetto di open innovation di Heidelberg Materials in Italia. Nella realtà globalizzata, il contributo di idee esterne - oltre che interne - per progredire nella competenza tecnologica non solo è un’opportunità ma può diventare una necessità di arricchimento, di integrazione per raggiungere obiettivi di crescita più rapidi ed efficaci, se spinti da sinergie trasversali.

Open innovation: l’approccio alla ricerca e all’innovazione
Secondo gli studi di riferimento più autorevoli-, l’open innovation è "l'impiego di flussi consapevoli di conoscenza “outside-in” e “inside-out”, ovvero da e verso il mondo esterno, per accelerare l'innovazione interna ed espandere i mercati per l'uso esterno dell'innovazione" (Henry Chesbrough, 2006, Open Business Models, Cambridge, Harvard Business School Press).

In questa visione estesa, collaborativa e inclusiva delle attività di ricerca e innovazione, il network di Heidelberg Materials che opera in Italia si compone di partner, fornitori, clienti, consulenti secondo un meccanismo generativo, trasversale e virtuoso che stimola l’innovazione.
In particolare, Heidelberg Materials dà il benvenuto ai centri di ricerca pubblici e privati, al mondo accademico e all’universo delle start-up, in stretta sinergia con i propri laboratori e team di professionisti interni, con il ruolo cruciale di connettere le conoscenze trasversali da diverse fonti e combinarle in soluzioni di innovazione per l’azienda.

Grazie a questo sistema di relazioni, i progetti possono essere lanciati da fonti tecnologiche interne o esterne e nuove tecnologie possono entrare nel processo in varie fasi dello sviluppo. Una volta completati, i progetti possono approdare al mercato in molti modi, ad esempio attraverso licenza o società di spin-off venture, in aggiunta ai canali di marketing e vendita interni. E’ da questo dinamismo che nascono soluzioni e prodotti di elevata qualità per il mercato delle costruzioni, con forte orientamento ai temi della sostenibilità e della digitalizzazione.

Open innovation per la sostenibilità
L’obiettivo di Heidelberg Materials è l’ampliamento del portafoglio di prodotti ed applicazioni sostenibili, attraverso la riduzione delle emissioni di CO₂, in linea con gli obiettivi europei al 2030 (Fit for 55) e 2050 (carbon neutrality), nonchè con l’applicazione dei principi dell’economia circolare. Con questo scopo, da un lato nascono le azioni dirette mirate alla riduzione delle emissioni di CO₂ attraverso i progetti di Carbon Capture Usage & Storage (CCUS) e dall’altro le attività di ottimizzazione di processo e prodotto. In quest’ultimo ambito si inserisce la gamma di cementi e calcestruzzi evoBuild, in grado di ridurre l’impronta carbonica anche grazie all’impiego di materie prime seconde. I cementi e i calcestruzzi della gamma evoBuild offrono, infatti, il vantaggio di valorizzare come risorsa sottoprodotti provenienti da altri settori industriali e/o scarti di demolizione e costruzione, creando opportunità concrete di economia circolare nel settore edilizio.

Collaborazioni con il mondo Universitario
Dal punto di vista della “outside-in open innovation”, sono stati attivati una serie di partenariati con il mondo delle Università. Le principali sinergie sono incentrate su:
•   sviluppo di calcestruzzi, in linea con l’economia circolare, in grado di valorizzare scarti di demolizione e costruzione e/o sottoprodotti industriali come aggregati riciclati fini e grossi e non solo,
•   calcestruzzi con elevate ed elevatissime prestazioni e durabilità, per la riabilitazione del patrimonio infrastrutturale,
•   matrici cementizie funzionalizzate con materiali di ultima generazione per promuovere l’efficienza energetica degli edifici.
In questo ambito si collocano gli investimenti in borse di studio per giovani laureati o laureandi e, soprattutto, in dottorati di ricerca green e innovativi, come disegnati dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza.

Dal punto vista complementare dell’“inside-out open innovation”, Heidelberg Materials crede nel vantaggio per il mondo industriale nel far fluire la conoscenza generata al proprio interno verso l’esterno, per contribuire alla crescita del potenziale tecnico a disposizione della comunità industriale. In tal senso promuove la formazione di professionalità sempre più modellate per raccogliere e superare le sfide della transizione digitale, ecologica e sociale.

Il ruolo delle Start Up
Anche il contatto con le start-up e le competenze tecniche e digitali che le animano è opportunità preziosa di confronto e scambio. Si tratta di interazioni con realtà, per loro natura, creative, che possono innescare e/o accelerare i percorsi di successo verso i traguardi di tecnologia e sostenibilità della filiera del cemento e del calcestruzzo. Le startup trovano nella relazione con il mondo Heidelberg Materials una fertile occasione, non solo per attrarre nuovi investimenti, ma soprattutto crescere in conoscenza ed esperienza del mercato. La collaborazione con le start-up aiuta a rendere più concreta l’ambizione di Heidelberg Materials nell'offrire un contributo efficace - nel settore del cemento e del calcestruzzo - alla trasformazione digitale e ai progressi globali di sostenibilità, in linea con i Sustainable Development Goals dell’Agenda 2030 adottata da tutti gli Stati Membri delle Nazioni Unite dal 2015.

Gli Highlights dell'innovazione

1. Intelligenza artificiale per l’ottimizzazione mineralogica del clinker: Descrizione
Tra i progetti di digitalizzazione, di particolare rilevanza è stata l’applicazione di software di Intelligenza Artificiale alle analisi del clinker mediante microscopio elettronico.
Obiettivi
L’obiettivo delle attività di progetto è quello di sfruttare le più moderne tecnologie di analisi di immagine allo scopo di migliorare la qualità dei cementi, aumentando significativamente la numerosità di campioni analizzati e fornendo parametri quantitativi per la caratterizzazione microstrutturale del clinker. Questo permette di costruire dei sistemi causa-effetto rispetto alle caratteristiche dei prodotti finali (cemento). Eseguendo analisi in numero elevato è possibile quindi costruire un database sul quale validare modelli previsionali.
2. Attivazione loppe d’altoforno tramite attivatori chimici: Descrizione
Data l’attuale necessità di ridurre il contenuto di clinker dei cementi, un’attivazione chimica dei materiali alternativi (loppe d’altoforno granulate e/o pozzolane) si ritiene possa consentire un vantaggio tecnologico in termini prestazionali, in particolare alle brevi stagionature, considerati anche gli aspetti di sostenibilità. I cementi d’altoforno mostrano tradizionalmente buona durabilità in determinati ambienti (es. cloruri), ma ridotta resistenza meccanica alle brevi stagionature. La resistenza alle brevi stagionature è spesso il principale fattore che limita il livello di sostituzione del clinker poiché regola le operazioni di sformatura e di conseguenza la velocità possibile di sviluppo dell’opera. La presente tecnologia mira ad ottenere resistenze meccaniche migliorate alle brevi stagionature attraverso l’ottimizzazione di finezza di macinazione della loppa, compatibilmente con aspetti di sostenibilità; uso di attivatori chimici in quantitativo limitato; uso di ulteriori costituenti naturali o secondari specificatamente selezionati. I benefici in termini di sostenibilità possono derivare dalla combinazione della caratteristica di basso contenuto di clinker (con effetti sull’impronta di carbonio del cemento), resistenza iniziale relativamente elevata e conseguentemente tempi costruttivi potenzialmente minori (con effetti sull’impronta di carbonio della costruzione), valorizzazione di materiali secondari, benefici di durabilità. La tecnologia di attivazione riguarda principalmente i cementi d’altoforno, ma può essere estesa a cementi pozzolanici.

Obiettivi
• Sviluppo di cementi d’altoforno a rapido sviluppo delle resistenze meccaniche
• Attivazione cementi d’altoforno/pozzolanici
3. Aggregati ad elevata capacità termica tramite PCM (Phase Changing Materials): In collaborazione con il Politecnico di Milano

Descrizione
L'efficienza energetica degli edifici è un tema importante per il settore delle costruzioni. I progettisti stanno concentrando la loro attenzione sull’isolamento termico, spingendo quindi la produzione di materiali isolanti per ridurre la dispersione di calore. Altri obiettivi interessanti sono l'accumulo di calore e quindi influenzare l’inerzia termica degli edifici stessi piuttosto che l’isolamento termico. Una delle potenziali soluzioni per incrementare l’inerzia termica dei materiali cementizi è quella di utilizzare particolari materiali, come i PCM (Phase Changing Materials), che fruttano il loro elevato assorbito di calore nel passaggio dallo stato solido a quello liquido.
L'incorporazione dei PCM nei materiali da costruzione presenta alcune sfide che devono essere superate per ottenere la massima efficienza delle loro applicazioni. In questo contesto, una delle principali sfide nell'applicazione dei PCM è la loro bassa conducibilità termica e i fenomeni di cambiamento di fase lento, che compromettono la loro efficienza a causa della bassa velocità di trasferimento del calore all'interno di una matrice contenente PCM, riducendo così la capacità di accumulo di energia del PCM. Questo aspetto non è stato ancora indagato in modo efficiente e rimane una delle sfide più serie nelle applicazioni dei PCM.
Un altro importante svantaggio nell'applicazione dei PCM è la conseguente perdita legata alla transizione da solido a liquido (o da liquido a solido) attraverso le variazioni di temperatura, il che rende cruciale la selezione di un materiale di supporto ad alte prestazioni, economicamente efficiente e rispettoso dell'ambiente, insieme a una soluzione di rivestimento appropriata

Obiettivi
La ricerca mira a sviluppare un nuovo composito per l'accumulo di energia, integrando PCM migliorato con grafene nei pori degli aggregati in argilla espansa. L'obiettivo è ottenere una miscela ottimale per progettare un aggregato composito a base di PCM con proprietà termiche migliorate e una conduttività termica superiore, adatto per essere incorporato nelle matrici cementizie e per l'integrazione nell'industria del calcestruzzo leggero (LWC). Questo composito potrebbe essere utilizzato nell'ambiente costruito per ridurre le fluttuazioni di temperatura e la domanda energetica (raffreddamento-riscaldamento) sia negli edifici nuovi che in quelli esistenti.
4. Cementi solfo-alluminosi per il settore della prefabbricazione: Descrizione
L’utilizzo di cementi solfoalluminosi (CSA) nella prefabbricazione di elementi in calcestruzzo può offrire numerosi vantaggi di tipo economico e ambientale a tutta la filiera delle costruzioni. Questa tipologia di cementi garantisce tempi di presa molto rapidi, permettendo una produzione più efficiente e una riduzione dei tempi di attesa. Inoltre, la loro elevata resistenza meccanica iniziale consente di ottenere elementi prefabbricati resistenti alle brevi stagionature e quindi movimentabili senza avere il rischio di danneggiamenti durante le fasi di movimentazione e trasporto. I cementi solfoalluminosi presentano anche una minore emissione di CO2 rispetto ai cementi tradizionali, contribuendo a una produzione più sostenibile.

Obiettivi
• Riduzione dei tempi di produzione (accelerazione sviluppo delle resistenze meccaniche, disarmo e stagionatura elementi)
• Riduzione dell'area di stoccaggio (la riduzione del tempo di stagionatura implica una minore necessità di ampie aree di stoccaggio)
• Riduzione dei costi di realizzazione dell’impianto di trattamento termico (CAPEX) e, nell’eventualità che l’impianto di trattamento termico sia già presente, la riduzione dei costi di riscaldamento del vapore.
5. Aggregati da riciclo per calcestruzzi durabili: In collaborazione con l'Università degli Studi di Cagliari. Finanziato dal PNRR

Descrizione
L'inclusione di aggregati riciclati provenienti dalla demolizione di costruzioni (C&Dw Constructionand Demolition Waste) nel calcestruzzo rappresenta una possibile soluzione nell’ottica della circular economy.
Al fine di soddisfare le prestazioni richieste dai progettisti sia in termini di prestazioni fisico-meccaniche che chimico-fisiche, durabilità, è necessario che vi sia uno scrupoloso controllo delle proprietà e quindi delle caratteristiche degli aggregati riciclati in ingresso al processo produttivo del calcestruzzo. Heidelberg Materials Italia Cementi e Heidelberg Materials Italia Calcestruzzi collaborano con l’Università di Cagliari tramite una borsa di studio per dottorati innovativi per studiare tutti gli effetti derivanti dall’utilizzo di questa tipologia di aggregati riciclati nel calcestruzzo.

Obiettivi
• Definire le caratteristiche fisiche e meccaniche di calcestruzzi contenenti aggregati artificiali con riferimento alle limitazioni previste dal contesto normativo italiano ed europeo.
• Definire le caratteristiche di durabilità di calcestruzzi contenenti aggregati artificiali sottoposti a diverse condizioni di aggressione rispetto a calcestruzzi convenzionali.
6. Aggregati artificiali per calcestruzzi durabili: In collaborazione con l'Università degli Studi di Brescia. Finanziato dal PNRR.

Descrizione
L'integrazione di aggregati artificiali nel calcestruzzo rappresenta una soluzione promettente per migliorare la sostenibilità e la durabilità delle strutture. Heidelberg Materials Italia Cementi sta lavorando su questi temi in collaborazione con Università di Brescia tramite un dottorato industriale. Gli aggregati artificiali utilizzati in questa attività di innovazione appartengono alla categoria degli aggregati industriali, cioè sottoprodotti di processi industriali. Nello specifico sono in fase di studio sia aggregati ad elevata densità, scorie di acciaieria, sia a bassa densità, scorie da inceneritore urbano.
Gli studi sulla durabilità del calcestruzzo con aggregati artificiali si stanno concentrano su diversi aspetti:
• Resistenza al Gelo/Disgelo: Gli aggregati artificiali devono garantire che il calcestruzzo resista ai cicli di gelo e disgelo senza subire danni significativi.
• Assorbimento d'Acqua: Gli aggregati con elevato assorbimento d'acqua possono influenzare negativamente la durabilità del calcestruzzo, aumentando la porosità e riducendo la resistenza agli agenti aggressivi
• Resistenza Chimica: La resistenza agli attacchi chimici, come quelli causati da solfati e cloruri, è fondamentale per la durabilità del calcestruzzo in ambienti aggressivi.

Obiettivi
• Definire le caratteristiche fisiche e meccaniche di calcestruzzi contenenti aggregati artificiali con riferimento alle limitazioni previste dal contesto normativo italiano ed europeo.
• Definire le caratteristiche di durabilità di calcestruzzi contenenti aggregati artificiali sottoposti a diverse condizioni di aggressione rispetto a calcestruzzi convenzionali.