All’inizio di marzo, una settimana umida e grigia a Zurigo, gli studenti del prestigioso Istituto Federale Svizzero di Tecnologia hanno tenuto uno “sciopero per il clima” ispirato al movimento #Fridaysforthefuture. L’annuncio più importante per l’evento è stato scritto con il gesso blu e giallo di fronte al Dipartimento di ingegneria meccanica e di processo della scuola, un moderno edificio con travi in acciaio che ospita un prototipo di non poca importanza per il futuro post-carbonio che gli studenti chiedevano. All’ultimo piano si trova una serie parabolica di specchi simile a una parabola satellitare, di circa cinque metri di diametro, collegata a un reattore in grado di concentrare la radiazione solare di un fattore 3.000, generando temperature fino a 1.500 gradi C, circa il punto in cui il ferro inizia a liquefarsi. Utilizzando anidride carbonica e acqua, il reattore produce una miscela di idrogeno e monossido di carbonio nota come syngas, che viene poi convertita in una forma di cherosene praticamente priva di carbonio.
I suoi inventori sperano che questo combustibile liquido possa essere trasformato in uno dei sacri graal dell’energia rinnovabile: un sostituto dei combustibili combustibili a base di petrolio responsabili delle oltre gigatonnellate di CO2 emesse annualmente dai velivoli combinati del mondo.
L’aviazione commerciale è responsabile di circa il 2% delle emissioni globali di CO2. Sebbene ciò possa sembrare piccolo rispetto al numero di settori come l’elettrificazione (40%) e l’agricoltura (18%), equivale all’impronta di carbonio di tre Regno Unito. (E a differenza del Regno Unito, si è per lo più spostato nella direzione sbagliata negli ultimi due decenni.) Per raggiungere gli obiettivi dell’Accordo di Parigi del 2015, in cui le nazioni si sono impegnate a mantenere il riscaldamento sotto 1,5 gradi C, l’industria aeronautica come attualmente configurata dovrebbe ridurre le sue emissioni annuali di oltre il 90% entro il 2050, mentre anche rallentando la sua crescita o intraprendendo costosi rimozione dell’anidride carbonica, secondo l’International Council on Clean Transportation, un’organizzazione di ricerca e difesa senza scopo di lucro con sede a Berlino.
Dato che le imprese capitaliste sono generalmente restie all’idea di rallentare la propria crescita, e considerando l’elevato costo della rimozione del carbonio, non sorprende che l’industria stia promuovendo lo sviluppo di carburanti per aviazione “sostenibili”, o SAF, che possono funzionare in motori attuali senza grandi aggiustamenti.
I suoi inventori sperano che questo combustibile liquido possa essere trasformato in uno dei sacri graal dell’energia rinnovabile: un sostituto dei combustibili combustibili a base di petrolio responsabili delle oltre gigatonnellate di CO2 emesse annualmente dai velivoli combinati del mondo.
I SAF sono emersi come i principali candidati all’aviazione verde attraverso un processo di eliminazione. Le batterie non sono un’opzione. Funzionano benissimo nelle auto, ma la quantità di energia necessaria per sollevare e spingere un aereo di linea li renderebbe troppo pesanti. (In una configurazione Escheriana, avresti bisogno di un’altra batteria per fornire l’energia necessaria per trasportare la batteria che alimenta l’aereo, e un’altra per poter trasportare quella, e così via.) Il gas idrogeno è troppo diffuso: un aereo avrebbe bisogno un serbatoio di carburante più grande delle sue ali per volare attraverso gli Stati Uniti continentali. L’idrogeno liquido, nel frattempo, è troppo freddo. Ciò lascia i SAF liquidi con una densità energetica simile ai combustibili attualmente derivati dal petrolio. Questi devono anche essere compatibili con gli aeromobili esistenti, poiché i propellenti che richiedono motori diversi costringerebbero l’industria a sostituire una generazione di aerei e chiedere all’industria a basso margine di raddoppiare la sua più grande spesa in conto capitale farebbe fallire la maggior parte delle compagnie aeree.
I sostenitori dell’industria e dell’energia pulita si sono uniti attorno alla promessa di tali combustibili. Lo sviluppo di uno o più SAF, afferma Pedro Piris-Cabezas, economista dell’Environmental Defense Fund, “ha un incredibile potenziale per cambiare in meglio la natura del volo”.
* * *
Esistono attualmente sette tipi di SAF approvati per l’uso. Di gran lunga il più comune è un tipo di biocarburante, prodotto da oli usati come il vecchio grasso per patatine fritte. Ma ora non c’è e non ci sarà mai abbastanza grasso per patatine fritte per alimentare tutti gli aerei del mondo. (Probabilmente una buona cosa dal punto di vista della salute pubblica globale.) Diversi altri SAF per biocarburanti prodotti da materie prime – rifiuti agricoli, liquami, persino rifiuti regolari in dozzine di combinazioni di materie prime e tecnologia – sono in fase di sviluppo. Anche i cosiddetti e-fuel, in base ai quali i carburanti derivano da processi alimentati da elettricità rinnovabile, si contendono la decarbonizzazione dell’aviazione.
Saranno necessari se l’industria vuole raggiungere l’obiettivo dichiarato di utilizzare 3 miliardi di galloni di SAF negli Stati Uniti entro il 2030, pari a circa un sesto del consumo annuale di carburante prima della pandemia. L’Unione Europea ha fissato obiettivi molto più ambiziosi: 60% di SAF entro il 2050, di cui quasi la metà deve essere “di origine non biologica”, cioè non fatta con grasso per patatine fritte. Il World Economic Forum, nel frattempo, raccomanda ai paesi di adottare i requisiti di riferimento SAF per inviare un segnale di domanda per incoraggiare ulteriori investimenti, sostegno alla ricerca e sviluppo e sussidi.
Tuttavia, se l’aviazione potrà passare ai SAF nei prossimi decenni critici è tutt’altro che certo. Al momento, costa molto di più dei combustibili fossili, fino a sei volte di più. L’industria, gli economisti energetici e i politici concordano sul fatto che il modo per renderlo competitivo è quello di aumentarlo, come è successo con i pannelli solari. Produrre qualcosa su scala industriale costa meno per unità che produrlo artigianalmente; e gli incrementi di efficienza derivano dalla conoscenza acquisita attraverso la crescita. Ma non si può ignorare il fatto che aumentare la produzione di SAF sarà estremamente costoso. Per portare l’aviazione in linea con la traiettoria dell’Agenzia Internazionale dell’Energia verso emissioni nette zero entro il 2050, il WEF stima che saranno necessari 175 miliardi di dollari di investimenti – ogni anno, per i prossimi tre decenni – per supportare ben 3.400 impianti di produzione SAF.
L’Unione Europea ha fissato obiettivi molto più ambiziosi: 60% di SAF entro il 2050, di cui quasi la metà deve essere “di origine non biologica”, cioè non fatta con grasso per patatine fritte.
Ad oggi, ci sono solo tre di questi impianti, tutti negli Stati Uniti. Insieme producono meno dell’1% del carburante per l’aviazione commerciale.
“Puoi realizzare un processo bellissimo: completamente circolare, solo energia rinnovabile”, afferma Remko Detz, Ph.D. in chimica. che valuta le soluzioni di energia rinnovabile per TNO, il braccio di ricerca del governo olandese. “Ma, alla fine, il costo determina se puoi avere una posizione nel mercato.”
* * *
Il sistema inventato dai ricercatori dell’ETH di Zurigo è ora commercializzato da Synhelion Fuels, un’azienda svizzera con sede in un basso edificio di cemento fuori città che ospita anche una palestra CrossFit, un parco giochi al coperto e un centro di dialisi. Avvicinandosi al laboratorio e all’area di lavoro dell’azienda, il debole aroma di pane tostato si diffonde lungo il corridoio dalla panetteria del supermercato accanto.
Al centro del progetto dall’aspetto alchemico dell’azienda per produrre carburante dalla luce solare e dalla CO2 c’è il suo affascinante CEO in giacca e cravatta, Phillipp Furler. Come dottorato di ricerca studente, ha guidato, con il Prof. Aldo Steinfeld, il gruppo che ha progettato il modello in scala dell’impianto solare sul tetto dell’ETH di Zurigo. La sua tesi di dottorato ha esplorato le qualità di vari materiali candidati – tessuti, polveri, ceramiche – per rivestire l’interno del reattore. Dopo anni di sperimentazione, ha finalmente optato per l’ossido di cerio come ottimale per la sua porosità, che gli consente di funzionare come una sorta di spugna (per il calore, non liquido). Per quanto sia entusiasta di Synhelion, è facile credergli quando dice, mentre tira fuori una valigia contenente campioni dei diversi candidati che ha testato: “Questo è ciò che amo veramente. La ricerca di base è la mia passione.”
Il CEO di Synhelion Fuels, Phillipp Furler, è il secondo da destra. Foto di Switzerland Global Enterprise.
Tale passione ha sostenuto Furler da quando ha iniziato a sviluppare il sistema Synhelion nel 2009. Ricorda vividamente il giorno in cui cinque anni dopo ha trasportato nervosamente un piccolo contenitore del primo lotto, prodotto presso una struttura di ricerca della Royal Dutch Shell ad Amsterdam, per tornare a Zurigo da treno. (Fortunatamente, i cani al confine svizzero non sono addestrati ad annusare il cherosene).
Il carburante sperimentale è stato un successo – una versione a emissioni zero del tradizionale carburante delle compagnie aeree – ma produrre una valigia di qualcosa è ben lungi dal fare abbastanza per alimentare un aereo di linea, per non parlare del migliaia di percorsi volano tutti i giorni. All’industria piace propagandare cifre comparative con dichiarazioni che affermano che questa o quella compagnia presto produrrà “abbastanza SAF per volare sulla luna e ritorno 60 volte”, ma è carburante appena sufficiente per un anno di voli da New York a Los Angeles. “Scaling up” non è solo moltiplicazione. La chimica e la meccanica possono funzionare in modo molto diverso su larga scala rispetto a come fanno in laboratorio. Questa è una vecchia storia, raccontata da un grande cimitero di aziende, ognuna fiduciosa di poterlo fare costruire una batteria migliore per veicoli elettrici.
“Si inizia con esperimenti di laboratorio relativamente semplici”, afferma Furler. “Allora ti rendi conto che potrebbe funzionare. Quindi lo ingrandisci e lo rendi migliore.
All’industria piace propagandare cifre comparative con dichiarazioni che affermano che questa o quella compagnia presto produrrà “abbastanza SAF per volare sulla luna e ritorno 60 volte”, ma è carburante appena sufficiente per un anno di voli da New York a Los Angeles.
Quando si cerca di capire come realizzare qualcosa di nuovo su scala commerciale, è necessario valutare due costi. Il primo è la spesa in conto capitale, o “capex”, che copre i costi per mettere in funzione un sistema, dall’acquisto di materiali alla ricerca e sviluppo, terreni e macchinari. Il secondo sono le spese operative, o “opex”, che coprono i costi per mantenere il sistema in funzione. Ciò includerebbe cose come manodopera, assicurazioni ed energia.
Synhelion ha dovuto affrontare sfide significative per tenere sotto controllo entrambi i costi. Un problema è l’energia: il sistema ETH richiede molta energia per riscaldare il reattore. Sembra un opex – energia spesso significa carburante – ma in realtà è un capex: replicare su larga scala l’antenna parabolica sul tetto di Zurigo. “Poiché è necessario investire molta energia, il costo dell’energia definisce davvero, in gran parte, il prezzo dei combustibili alla fine”, afferma Furler. “L’energia deve essere super economica.”
Poche decine di metri quadrati di specchi non sarebbero mai stati sufficienti per alimentare un sistema abbastanza grande da produrre enormi quantità di SAF, quindi Synhelion ha sviluppato un sistema solare-termico come quelli che sono stati utilizzati da tempo (con risultati contrastanti) per produrre energia elettrica. Ha investito anni di ricerca per ottenere la disposizione e gli angoli degli specchi giusti.
La sfida opex riguardava il calore generato per produrre syngas. Far funzionare costantemente il sistema sarebbe molto più economico che accenderlo all’alba e spegnerlo al tramonto. Ma la luce solare che fornisce il calore brilla abbastanza forte solo per circa un terzo della giornata, anche vicino all’equatore. Ciò richiede l’immagazzinamento del calore, che la seconda legge della termodinamica ci dice non è una cosa facile da fare. “Avevamo bisogno di disaccoppiare la generazione del calore dalla reazione” che produce syngas, dice Furler, e mandarne una parte in deposito. Per fare ciò, l’azienda ha sviluppato un materiale ceramico che trattiene il calore; di notte, quando il calore di processo generato nel ricevitore non sta guidando il reattore, il calore viene prelevato dall’accumulo di energia termica inviando vapore freddo sulla ceramica per riscaldarlo prima che venga inviato al reattore. “Direi che questo è uno dei nostri maggiori vantaggi strategici”, sostiene Furler. “Abbiamo un modo per immagazzinare in modo efficiente ed economico la fonte di energia rinnovabile”.
Il calore di processo ad alta temperatura non è l’unico ingrediente che guida il reattore. Ha anche bisogno di carbonio e di una fonte d’acqua. La missione originale della ricerca dell’ETH non era solo quella di produrre combustibile dal sole, ma anche di catturare in modo efficiente la CO2 e rimuoverla in modo permanente dall’atmosfera.
La tecnologia di cattura della CO2 è nota come Direct Air Capture (DAC). Piuttosto che sfruttare il gas dove vengono prodotte grandi concentrazioni, come i camini in cima alle centrali a carbone e alle fabbriche di cemento, DAC utilizza ventilatori giganti per aspirare l’aria, filtrare tutto tranne la CO2 e trasformarla in una materia che non può riscaldarsi il pianeta. È stato commercializzato per la prima volta da una società chiamata Climworks nel 2021 e rimane una delle forme più affidabili di compensazione. (Puoi andare subito sul loro sito web e pagali per catturare un po’ di CO2).
Il DAC richiede così tanta energia da risparmiare CO2 solo se l’energia che aziona i ventilatori proviene da fonti rinnovabili. Se questo suona costoso, è: 1000 euro per tonnellata.
Il DAC richiede così tanta energia da risparmiare CO2 solo se l’energia che aziona i ventilatori proviene da fonti rinnovabili. Se questo suona costoso, è: 1000 euro per tonnellata. Questo è troppo costoso per Synhelion da utilizzare su larga scala. E ottenere CO2 da un cementificio o da un’altra fonte puntuale significherebbe che il carburante non è carbon neutral; è solo sfruttare l’inquinamento di qualcun altro, non liberarsene. Per il primo impianto industriale, Synhelion risolverà questo problema utilizzando invece il biogas. Come con DAC, quando il carburante Synhelion viene bruciato utilizzando biogas, il processo immette nell’atmosfera solo la quantità di CO2 rimossa dalla biomassa che è stata convertita in biogas. Synhelion spera che alla fine il DAC diventi abbastanza economico da poterlo utilizzare invece per produrre carburante a un prezzo che le compagnie aeree sono disposte a pagare.
SWISS, la compagnia aerea precedentemente nota come Swiss Air, sarà la prima a utilizzare il combustibile solare Synhelion. Anche l’aeroporto di Zurigo si è impegnato ad acquistarlo. Il piano, afferma Furler, è quello di soddisfare la metà del consumo di carburante per aerei della Svizzera entro i prossimi 10 anni e la metà di quello europeo entro il 2040. Il suo primo impianto commerciale, in Spagna, dovrebbe essere aperto nel 2025.
Un progetto pilota per SWISS, che sarà la prima compagnia aerea a utilizzare il combustibile solare di Synhelion. Foto di SWISS.
* * *
Alimentare gli aeroplani con grasso per patatine fritte sarebbe molto più facile. Questo è lo stato attuale dei SAF bruciati nell’aviazione commerciale: HEFA, il termine tecnico dell’industria per i carburanti prodotti da grassi vecchi. I carburanti HEFA non sono esattamente a emissioni zero – parte della CO2 è stata utilizzata per la produzione del grasso – ma rappresentano un miglioramento dell’80% rispetto al tradizionale carburante per aviazione in termini di emissioni.
Non tutti i carburanti HEFA sono prodotti da grassi, oli e grassi usati. Puoi anche produrre HEFA per biocarburanti abbattendo una foresta pluviale e piantando semi di soia o olio di palma. Se l’industria aerea dovesse aumentare il suo uso di biocarburanti abbattendo e sollevando alberi, suoli e torba che sequestrano il carbonio, i benefici climatici del carburante a basse emissioni potrebbero essere controbilanciati dalle emissioni e dall’evitare il sequestro che si è verificato per produrlo.
Le idee per altri carburanti a emissioni zero abbondano, ognuna delle quali ci porta più lontano dalla tecnologia esistente e dall’orizzonte necessario per ampliarle. Al momento, solo HEFA è commerciale.
Un’altra società che spera di realizzare SAF è LanzaJet, con sede a Chicago, nata da un laboratorio di ricerca del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti nel 2020. La società afferma di poter produrre carburante per aerei dall’etanolo ricavato da rifiuti, gas di scarico industriali, residui agricoli o biomassa come pellet di legno. Sembra troppo bello per essere vero, e probabilmente lo è, perché nessuno produce etanolo a prezzi accessibili da nessuna di queste cose. Allettante è la prospettiva di produrre etanolo dai rifiuti agricoli, noto come etanolo cellulosico, ma anche qui siamo così vicini, eppure così lontani.
Imparentato
“Ho detto che l’etanolo cellulosico è tra cinque anni per 15 anni”, mi ha detto una volta il capo della Nebraska Farmers Union, John Hansen, “e non cambierò la mia melodia ora”. Era il 2012. Il problema che i sostenitori dell’etanolo cellulosico devono ancora superare è la bassa densità energetica della materia vegetale: ne serve letteralmente una tonnellata di merda per produrre 60 galloni, che un 747 brucia ogni minuto.
Il carburante dalla spazzatura è un’altra possibilità allettante. L’inglese Fulcrum Bioenergy e altri sperano di produrre syngas dalla spazzatura, immettendolo nello stesso sistema Fischer-Tropsch utilizzato da Synhelion. Ma altro aziende hanno lavorato per rompere il dado della spazzatura al gas per almeno un decennio, con pochi progressi.
“La spazzatura è un mix di cose, una materia prima molto complessa e di bassa qualità”, afferma Susan van Dyk, che ha fornito consulenza a produttori di aeromobili e laboratori di ricerca ed è coautrice di due rapporti sui SAF per l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili. “Una delle sfide è rimuovere tutti i contaminanti”.
Il problema che i sostenitori dell’etanolo cellulosico devono ancora superare è la bassa densità energetica della materia vegetale: ne serve letteralmente una tonnellata di merda per produrre 60 galloni, che un 747 brucia ogni minuto.
United Airlines ha donato a Fulcrum 30 milioni di dollari nel 2015 e non ha ancora visto una goccia di SAF prodotta dalla spazzatura. Ora l’azienda sta bruciando denaro dal governo del Regno Unito. Il suo impianto fuori Liverpool può produrre circa 2 milioni di galloni di SAF all’anno ma, afferma van Dyk, “In termini di spostamento dell’ago, [hai bisogno] di decine o centinaia di impianti” delle sue dimensioni.
HEFA e carburanti da biomassa e rifiuti rientrano nella categoria ombrello dei biocarburanti. L’altro sottoinsieme di SAF, che include il combustibile solare di Synhelion, è noto come combustibile sintetico; la sua tecnologia sviluppata all’ETH di Zurigo è stata la prima a produrre carburante a emissioni zero dall’aria e dalla luce solare. Il combustibile sintetico può anche essere prodotto azionando un elettrolizzatore con energia rinnovabile per produrre idrogeno, che viene poi convertito (sempre da Fischer-Tropsch) in combustibile liquido; questo è chiamato power-to-liquid o e-fuel. Negli ultimi due anni si è assistito a un’enorme accelerazione degli investimenti nell’idrogeno verde, ma il numero di grandi impianti in funzione rimane scoraggiante pochi.
* * *
Remko Detz, il chimico olandese, fa eco a Hansen del Nebraska quando dice: “Venti anni fa, dicevano che i biocarburanti sarebbero stati il futuro”. Ciò che i primi sostenitori non avevano previsto erano le “sfide che rendono più difficile l’implementazione su larga scala”.
I SAF condivideranno lo stesso destino? Nel 2016, l’industria aeronautica ha annunciato un obiettivo per limitare le emissioni ai livelli del 2020, il che significa che qualsiasi crescita dei viaggi aerei sarebbe stata raggiunta senza ulteriori emissioni di carbonio. Non è successo. Molti dei SAF su cui ripone le sue speranze, come abbiamo visto, sono gli stessi biocarburanti che si sono dimostrati molto lenti e difficili da sviluppare. Sebbene HEFA sia disponibile in commercio, solo lo 0,1% del carburante per aerei utilizzato oggi è SAF. (Tra alcune compagnie aeree, come Transavia, controllata a corto raggio di KLM, è dello 0,5%).
I primi carburanti per l’aviazione verde devono funzionare con i motori tradizionali, ma gli aerei futuri saranno probabilmente progettati pensando ai carburanti di nuova generazione. Immagine di Adobe
Sebbene i progressi siano stati lenti rispetto alle nostre necessità, Furler ritiene che “l’intero campo, e anche la nostra attività di ricerca e sviluppo, si siano evoluti molto meglio di quanto pensassimo”. Forse il principale fattore non tecnologico nel fatto che SAF alla fine decolli nella scala necessaria è l’investimento. Quando Furler ha iniziato l’attività 10 anni fa, “la pressione dal lato del mercato non c’era davvero”, dice. “Direbbero: ‘Sì, questa è certamente una ricerca molto interessante’, ma è stato piuttosto difficile ottenere finanziamenti per far decollare progetti più grandi. Questo è migliorato molto negli ultimi due anni”. Il Green New Deal europeo, che ha definito una tassonomia per ciò che si qualifica come investimento verde, è stato un grande motore. Più recentemente, anche l’Inflation Reduction Act degli Stati Uniti incentiverà gli investitori.
Ma questi segnali economici saranno sufficienti? Nel 2018, Detz è coautore di a carta sulla possibile tempistica necessaria affinché i combustibili solari come Synhelion diventino competitivi in termini di costi con il cherosene a base fossile. Hanno fatto stime accurate e persino prudenti dei prossimi investimenti che potrebbero guidare il progresso e ridurre i costi nel prossimo futuro. Si è scoperto che anche quelli erano ben oltre il limite. Se oggi riscrivesse il giornale, la crescita degli investimenti inizierebbe esattamente da dove iniziò cinque anni fa.
“La realtà è che non è successo niente”, mi ha detto con un’alzata di spalle.
La posta Il tuo volo verde è in ritardo, non cancellato apparso per primo su Verità.
Fonte: www.veritydig.com