System analysis and quantitative risk engineering approach for strategic raw materials and technologies. The use case of vanadium

In order to meet challenging targets, set by international and national bodies, we need to especially change our energy systems switching them to wind turbines, solar panels and hybrid and electric vehicles. The main problem is that all these technologies are based on critical materials (elements of high importance but with a high supply risk) that usually can’t be replaced. So, if their supply is not guaranteed, not only we won’t reach low carbon goals, but also, we won’t be able to secure our energy. In order to study the risk associated with the supply disruption, lot of different assessments have been done. They differ from each other because they use different factors as characteristic of the total supply disruption impact. Another important difference that we have to consider, is the fact that each study gives to the “potential for supply disruption” of a particular material and to the “impact” of this disruption on the system of interest a different meaning (e.g. the European Commission uses the relative economic contribution of the sector that uses the material of interest to represent its exposure, others use the ability of the system to respond to disruption or to adapt). The main problem is that infrastructure transition needs a period of decades to happen and decisions that we take now affect technology change up to 40 years. We can so expect that supply disruption and its impact will change in this period. That’s why we can’t use a static approach to study this problem. Furthermore, this transition can happen in a range of ways that depend on economies, companies and technologies: we need a method to assess its risk in a way that can include all the different paths/scenarios. The aim of this work is to study the risks associated with importing Vanadium to Germany thanks to a new risk assessment method: the HoRAM Methodology (Colombo, S. 2018). The scenarios produced with this analysis are created by a holistic approach that embraces all types of functions and unveils all possible alternatives that the system/process/phenomenon may fall into. All these alternatives are coupled with their consequences, in order to create a risk spectrum of the entire system. In order to decrease the risk associated, the solutions are tested so to see if they are effective. This method allows us to use it as an opportunity to improve complex systems’ efficiency and explore alternatives that, at first, seem too risky.

Per raggiungere gli incalzanti obiettivi dettati da organizzazioni nazionali ed internazionali, dobbiamo innanzitutto cambiare il nostro sistema energetico e passare all’implementazione di turbine eoliche, pannelli solari e auto ibride e totalmente elettriche. Il problema maggiore è, però, che tutte queste nuove tecnologie si basano su materiali cosiddetti critici, ossia ad alta importanza economica ma di difficile reperibilità, che non possono essere sostituiti. Perciò, se non dovessimo riuscire ad approvvigionarcene, non solo non riusciremmo a raggiungere i nostri propositi riguardanti la riduzione delle emissioni, ma non riusciremmo nemmeno ad assicurarci una solidità energetica. Molti ricercatori si sono cimentati nello studio del rischio associato al processo di approvvigionamento dei suddetti materiali, proponendo di volta in volta metodi di analisi differenti. Le varie metodologie differiscono le une dalle altre per diversi fattori, uno dei quali è la scelta degli indici su cui si basa la loro analisi. Un’altra importante differenza da annoverare è che ogni metodo finora utilizzato fornisce alla possibilità di interruzione della fornitura di un certo materiale e all’impatto che questo mancato approvvigionamento potrebbe avere sul sistema in analisi diversi significati, ad esempio: la Commissione Europea, che si sta impegnando nello studio dei rischi associati ai materiali “critici”, usa il contributo economico relativo del settore che necessita del materiale come indice di esposizione al rischio, altri usano la capacità del sistema a rispondere all’interruzione di fornitura o la capacità di adattamento. Il problema principale è che tutti gli elementi connessi alla transizione energetica, come, ad esempio, il bisogno di nuove infrastrutture, e tutte le decisioni che vengono prese ora in merito alla questione, hanno in realtà un raggio d’azione di almeno 40 anni. È anche possibile che, in futuro, la carenza di materiali ora considerati critici e il possibile impatto che hanno sul sistema, sia diverso. Ecco perché risulta impossibile pensare di studiare il problema attraverso un’analisi di tipo statico. Oltretutto, i cambiamenti riguardanti la transizione energetica dipendono dall’economia, dall’industria e dallo sviluppo tecnologico: settori che per natura sono in continua evoluzione. Abbiamo perciò bisogno di un metodo di analisi dinamico e che possa includere tutti i vari aspetti del sistema. L’obiettivo di questo lavoro è quello di studiare tutti i rischi connessi con l’importazione del Vanadio in Germania attraverso un nuovo ed innovativo metodo di analisi: HoRAM Methodology (Colombo, S. 2018). Gli scenari prodotti grazie a questo metodo sono creati mediante un approccio olistico, interdisciplinare, al problema, che abbraccia tutti gli aspetti del sistema e tutte le sue funzioni e permette di svelare tutte le possibili alternative che potrebbero scaturire dal processo in esame. Ogni funzione può essere accoppiata ad una conseguenza, in modo da ottenere lo spettro del rischio dell’intero sistema. Le soluzioni proposte dall’analista vengono testate con l’intento di verificare effettivamente il loro comportamento nel sistema e l’effettiva riduzione del rischio. Questo metodo ci permette di migliorare l’efficienza dei sistemi complessi, come il nostro in esame, e poter così esplorare anche le alternative che a primo impatto sembrano troppo rischiose.