Hard to abateLa sfida dei carburanti sostenibili nei settori aereo e marittimo

Lo sviluppo industriale di aerei e navi mal si è conciliato con gli obiettivi climatici. Per farlo in modo continuo ed efficiente serviranno investimenti ingenti con rendimento a lungo termine

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Questo articolo è stato originariamente pubblicato sul numero 54 di We – World Energy, il magazine di Eni

L’innovazione avanza oggi a ondate più rapide che mai: dalla ricerca al progetto pilota all’impianto dimostrativo (demo), fino alla prima introduzione sul mercato e alla diffusione commerciale, la penetrazione delle nuove soluzioni nel mercato avviene in tempi più brevi, con un impatto più aggressivo (o dirompente) sulle attività consolidate. Ciò richiede non solo una progettazione e attuazione rapide delle relative politiche (con una visione di breve-medio e medio-lungo termine), ma anche l’adattamento del contesto industriale, infrastrutturale e finanziario alle mutate condizioni. È una sfida senza precedenti. Per i settori dell’energia e dei trasporti, uno dei principali fattori trainanti di questo cambiamento è rappresentato dall’impatto dei cambiamenti climatici sulla nostra società, impatto sempre più evidente nella vita di tutti. Altri e più recenti fattori trainanti sono la crisi energetica e le conseguenze della guerra in Ucraina sul mercato, i prezzi e la disponibilità delle commodity.

Il trasporto aereo e marittimo sono notoriamente settori hard to- abate, in cui è cioè difficile abbattere le emissioni, a causa delle difficoltà della transizione elettrica: la loro principale opportunità di decarbonizzazione è pertanto l’introduzione di carburanti più puliti e sostenibili, da aggiungersi agli sforzi già in atto per migliorare le prestazioni e ridurre le emissioni delle turbine a gas, progettare velivoli più efficienti, ottimizzare le rotte per ridurre i consumi e le emissioni di gas serra, ecc. A tutti i livelli (p.e., internazionale, europeo e nazionale) sono quindi in corso programmi per l’introduzione di carburanti più puliti (SAF, Sustainable Aviation Fuels, carburanti sostenibili per l’aviazione) nella dimensione dell’utilizzo finale.

Il greening dei settori aereo e marittimo
Prima della recente crisi energetica, l’International Energy Agency (IEA) ha pubblicato lo Net Zero Emissions by 2050 Scenario (NZE), un rapporto dedicato specificamente alla transizione allo zero netto, che suggerisce una roadmap per conseguire gli obiettivi climatici. Per i settori aereo e marittimo, l’Agenzia punta al 50 percento di carburanti a basse emissioni nell’aviazione entro il 2040, e stima una crescita dei carburanti a base di idrogeno a partire dal 2035. Prevede inoltre che nel 2050 quasi la metà dell’utilizzo di biocarburanti liquidi sarà da attribuirsi all’aviazione, con il biocherosene a rappresentare circa il 45 percento del totale dei carburanti utilizzati dai velivoli. Il rapporto NZE ipotizza un aumento del traffico aereo passeggeri, in termini di entrate per passeggero al chilometro, limitato al ~ 3 percento annuo al 2050 rispetto al 2020, a fronte del ~ 6 percento del periodo 2010-19. Le emissioni mondiali di CO2 dai 640 milioni di tonnellate (Mt) del 2020 dovrebbero aumentare a 950 Mt entro il 2025, per poi ridursi in modo impressionante a 210 Mt al 2050 grazie all’impiego massiccio di carburanti sostenibili e rinnovabili a basse emissioni di carbonio.

Come riferimento, si consideri che le emissioni di CO2 al 2019 hanno quasi raggiunto i 1000 Mt. Di fatto, i settori aereo e marittimo hanno dimensioni prevalentemente mondiali e sono pertanto regolati da enti internazionali quali l’ICAO (International Civil Aviation Organization) e l’IMO (International Maritime Organization), che stanno sviluppando programmi di decarbonizzazione dedicati quali il CORSIA (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) dell’ICAO. Nel pacchetto Fit-for-55, l’Europa ha inserito le iniziative RefuelEU Aviation e RefuelEU Maritime. 

La domanda di carburante di questi settori chiave incide in modo significativo sulla domanda complessiva dell’Unione Europea a 27 stati membri (UE-27). Fino al 2019, nell’UE-27 la domanda dell’aviazione si attestava a 39 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (MTOE) l’anno, o più; successivamente è crollata per effetto della pandemia e ora è in leggera ripresa, con quasi 28 MTOE nel 2021. Ciò è coerente con il numero dei voli giornalieri registrati e le stime del numero di passeggeri a livello mondiale di Eurocontrol e International Air Transport Association (IATA). In Italia, nel 2020 la domanda di carburante per aviazione, normalmente di 4,5- 4,7 MTOE/anno, è scesa a 1,6 MTOE (- 66 percento rispetto al 2019), e sta oggi tornando ai livelli pre-Covid.

Quanto al settore marittimo, nel 2021 la domanda di carburante nell’UE-27 è stata di circa 49 MTOE: complessivamente, rispetto al 2010 il consumo di diesel/gasolio marittimo è aumentato a 16,2 MTOE, mentre il consumo di olio combustibile è sceso a 32,6 MTOE. Il passaggio a carburanti più puliti quali il GNL e l’adozione di scrubber dovrebbe consentire di rispettare i limiti fissati per le emissioni dall’Organizzazione marittima internazionale (IMO), ma nei prossimi decenni per il settore potrebbero essere molto interessanti anche i bio-oli grezzi da biomassa lignocellulosica con upgrading non spinto (come quelli da pirolisi rapida e da liquefazione idrotermica).

Carburanti sostenibili
La via principale verso la decarbonizzazione dei due settori (al 2030-2040 in particolare) è individuata nella sostituzione dei carburanti fossili tradizionali con carburanti sostenibili, non solo per i vincoli posti dalle attuali tecnologie di utilizzo finale impiegate nei velivoli e nelle navi (motori a combustione interna e turbine a gas), ma anche per i vincoli infrastrutturali, in particolare per quanto concerne l’introduzione di elettricità e idrogeno verdi. Sono molti i percorsi possibili per produrre carburanti per l’aviazione sostenibili (SAF).

Il Fuel Readiness Level (FRL, livello di maturità dei carburanti), un parametro quasi analogo al più utilizzato Technology Readiness Level (TRL, livello di maturità tecnologica), varia di molto secondo le diverse vie. A oggi, il prodotto rinnovabile di gran lunga più diffuso e utilizzato nell’aviazione è l’HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids, esteri idrotrattati e acidi grassi), che deriva dall’HVO (Hydrotreatment Vegetable Oil, olio vegetale idrotrattato), con una capacità installata nell’Unione Europea di oltre 1,8 Mt/anno per HVO/HEFA (escluso il co-trattamento dei lipidi nelle raffinerie già esistenti). Nessun altro percorso si avvicina a questi volumi (molto maggiori su scala mondiale: la capacità totale di idrotrattamento nel 2018 ha raggiunto i 6,5 Mt). 

È ragionevole prevedere che l’HEFA rimarrà ampiamente dominante tra i prodotti SAF almeno fino al 2030-2035, il che implica l’urgente necessità di quantità enormi di lipidi sostenibili, del resto necessari a tutti i percorsi verso biocarburanti lipidici. Diversi produttori di carburanti per seguono inoltre il co-trattamento dei lipidi nelle raffinerie già esistenti, pur con il limite di una concentrazione percentuale volume/volume (% v/v) del 5 percento in caso di miscelazione con carburante avio fossile. L’elemento critico per i percorsi HEFA (e per qualche altro come l’Alcohol To Jet o ATJ) è pertanto la disponibilità di un feedstock adeguato al processo, piuttosto che il processo di per sé. Sono dunque in corso ricerche a TRL basso su percorsi alternativi per la fornitura di lipidi sostenibili, come l’olio microbico da alghe o lieviti.

Inoltre, nel settore dell’etanolo avanzato vi sono aziende che stanno sviluppando il percorso Alcohol To Jet (ATJ), per quanto la sua diffusione su piena scala industriale sia ancora limitata. Sono in fase di sviluppo anche altre vie, basate su processi termochimici quali gassificazione, pirolisi e liquefazione idrotermica, per lo più a livello di progetti pilota e demo (in alcuni casi anche a livello First Of A Kind o FOAK), sebbene tali percorsi abbiano spesso un rendimento di SAF piuttosto modesto. Nel settore marittimo, il principale carburante alternativo oggi in esame è il GNL, ma sono possibili anche prodotti a base alcolica (quindi a base biologica), attualmente oggetto di indagine industriale, quali il metanolo. La crisi energetica e la conseguente impennata dei costi del gas naturale sono oggi un tema molto delicato destinato a influenzare il futuro degli investimenti nel settore.

Di fatto, i carburanti SAF e quelli marittimi hanno caratteristiche fisico-chimiche notevolmente diverse. Mentre i motori a combustione interna di grandi dimensioni possono essere alimentati con carburanti molto grezzi e pesanti, come già detto i velivoli necessitano di carburanti più sofisticati e stabili, anche in considerazione delle numerose funzioni che il carburante ha a bordo dei velivoli (tra cui la regolazione termica).

Di conseguenza, mentre i SAF sono prodotti più impegnativi, il settore marittimo potrebbe essere un obiettivo possibile e molto interessante per i carburanti meno raffinati quali quelli ottenuti per pirolisi con upgrading non spinto e quelli ottenuti per HTL (Hydrothermal Liquefaction, liquefazione idrotermica) da biomassa e rifiuti lignocellulosici. Al di là della fattibilità tecnica, tuttavia, un grosso ostacolo alla diffusione industriale di detti percorsi resta la questione dei costi, associata anche (ma non solo) al costo dell’idrogeno rinnovabile necessario per la fase di upgrading di questi biocarburanti grezzi.

Lo stesso elemento, cioè la disponibilità di idrogeno verde a costi competitivi, ha impatto anche sui cosiddetti Power-To-Liquid Fuel (utilizzabili anche per l’aviazione), detti RFNBO (Renewable Fuel of Non Biological Origin, carburanti rinnovabili di origine non biologica) nella direttiva europea sulle energie rinnovabili RED II, combustibili sintetici (Synthetic Fuels) nel contesto dell’iniziativa ReFuelEU Aviation, ed elettrocarburanti (eFuel) nel linguaggio pubblico più generale. Inoltre, l’origine sia della CO2 sia dell’energia elettrica utilizzate nella produzione di carburanti Power-To-Liquid (PtL) e il metodo della loro contabilizzazione (connessione diretta o virtuale) incideranno pesantemente sull’economia. Il successo di questi percorsi dipenderà pertanto anche dalla politica in atto (tutti i trasporti sono comunque sempre ampiamente determinati dalle politiche e sono quindi considerati settori policy-driven). Infine, la RED II apre la via anche ai carburanti derivati da carbonio riciclato. Si tratta essenzialmente di carburanti prodotti a partire dai rifiuti, p.e. dalla loro frazione non organica, per conversione termochimica. Questi percorsi possono anche essere finalizzati ai carburanti SAF, come di fatto già accade in progetti industriali demo o FOAK

Riduzione dei costi
È risaputo e provato che i fattori di apprendimento e gli effetti di scala possono ridurre i costi. Il caso esemplare della produzione industriale di (bio)etanolo in Brasile dimostra perfettamente la possibilità di ridurre i costi di produzione attraverso una serie di interventi, dallo sviluppo della filiera e della logistica all’innovazione nella progettazione dei processi, all’integrazione e all’adozione di politiche e misure normative stabili e ben progettate. Come dimostrato anche dal caso stesso dell’etanolo brasiliano, tuttavia, la riduzione dei costi nello scale-up industriale richiede tempo, tempo che dipende anche dal fattore di apprendimento del caso specifico. 

Due dei percorsi più interessanti dei biocarburanti e dei carburanti derivati da rifiuti sono il Waste-to-Ethanol e la pirolisi rapida: le attività di ricerca e sviluppo su questi percorsi sono iniziate negli anni Ottanta, ma la prima dimostrazione industriale si è avuta solo a metà degli anni 2010. Successivamente, cioè alla costruzione di un’unità demo o FOAK correttamente funzionante, dovrà seguire la diffusione industriale su vasta scala di queste tecnologie, cosa che richiede tempi e investimenti importanti. Pertanto, la via verso la piena commercializzazione e diffusione sul mercato (per poter produrre volumi consistenti), richiederà realisticamente tempi piuttosto lunghi.

Il grafico detto Mountain of Death offre una rappresentazione dello stato di tecnologie e processi industriali in termini di competitività di mercato e piena commercializzazione. Con riferimento alle condizioni precedenti la pandemia e la crisi energetica, si collocano sul grafico i diversi percorsi e le varie vie: la dinamica dei cambiamenti nella rappresentazione dipende in larga misura dalle politiche energetiche in essere, che influenzano le decisioni di investimento su sviluppo e diffusione industriali. Sono quindi essenziali delle politiche stabili che consentano gli investimenti a lungo termine tipici del settore dei carburanti.

Le prospettive per i carburanti sostenibili nei settori aereo e marittimo (entrambi hard to abate) sono importanti e significative, a condizione che il percorso di decarbonizzazione sia sostenuto da un impegno serio a livello mondiale: il passaggio a carburanti più puliti è la principale delle soluzioni possibili per rispettare le scadenze fissate dai governi in modo compatibile con le infrastrutture e le tecnologie di utilizzo finale esistenti. È opportuno sottolineare che una maggior penetrazione dei carburanti rinnovabili a livello nazionale andrà anche a sostegno di una maggior indipendenza e sicurezza, elementi che oggi suscitano grande preoccupazione.

I settori aereo e marittimo presentano requisiti molto diversi quanto alle caratteristiche fisico-chimiche dei carburanti, ai costi e all’economia: è pertanto verosimile che i relativi processi commerciali e tecnologie si sviluppino in futuro seguendo percorsi simili e molto probabilmente integrati, seppur lungo vie diverse, secondo metodi di bioraffineria. Per far coincidere effettivamente lo sviluppo e la diffusione industriali con gli obiettivi climatici servono tuttavia una politica e un contesto normativo stabili, perché sui trasporti sono necessari investimenti ingenti con rendimento a lungo termine.

David Chiaramonti è specializzato in energie rinnovabili, è prorettore agli Affari internazionali del Politecnico di Torino e professore ordinario di Sistemi per l’energia e l’ambiente ed Economia energetica. I suoi studi vertono principalmente su biomasse, bioenergie e bioeconomia

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