Carburanti sostenibili per l’aviazione

I carburanti sostenibili per l’aviazione (SAF acronimo di Sustainable Aviation Fuel) stanno emergendo come una delle leve fondamentali per affrontare la sfida della decarbonizzazione del trasporto aereo. L’aviazione civile e commerciale, infatti, è oggi responsabile di una quota significativa delle emissioni globali di gas serra e, a differenza di altri settori, risulta più complesso da elettrificare su larga scala a causa delle esigenze di autonomia e di potenza dei velivoli. Per questo motivo, la ricerca di alternative al cherosene di origine fossile è diventata una priorità a livello internazionale.

I SAF sono carburanti alternativi prodotti da materie prime non petrolifere, compatibili con le infrastrutture e i motori attualmente in uso. Questa caratteristica, nota come “drop-in compatibility”, consente di introdurli gradualmente nella filiera esistente senza dover rivoluzionare la tecnologia aeronautica. Rispetto ai combustibili tradizionali, permettono di ottenere una riduzione delle emissioni di CO₂ fino all’80% nell’intero ciclo di vita, a seconda del processo di produzione e delle materie prime utilizzate.

L’adozione su larga scala di questi carburanti non solo contribuirebbe a diminuire l’impronta ambientale del settore, ma rappresenterebbe anche un tassello essenziale per il raggiungimento degli obiettivi climatici fissati dall’Unione Europea e dagli accordi internazionali. Implementando i carburanti sostenibili per l’aviazione,  l’industria aeronautica potrebbe avvicinarsi all’obiettivo delle zero emissioni nette entro la metà del secolo, sostenendo in modo concreto gli sforzi globali per contrastare il cambiamento climatico.

In questo contesto, i carburanti sostenibili per l’aviazione non sono semplicemente un’innovazione tecnologica, ma una strategia di transizione energetica capace di coniugare sostenibilità, competitività industriale e sicurezza energetica. Essi offrono la possibilità di mantenere inalterata la connettività globale garantita dal trasporto aereo, riducendone però l’impatto ambientale e contribuendo a un futuro più verde per la mobilità internazionale.

Cosa sono i carburanti sostenibili per l’aviazione

I carburanti sostenibili per l’aviazione sono combustibili liquidi progettati per sostituire in parte o totalmente il cherosene di origine fossile oggi impiegato nei motori aeronautici. A differenza dei combustibili tradizionali, i carburanti sostenibili vengono prodotti a partire da fonti rinnovabili o da processi innovativi di sintesi, che consentono di abbattere le emissioni climalteranti associate al loro ciclo di vita.

Una delle caratteristiche più rilevanti di questi carburanti è la loro piena compatibilità con le infrastrutture e i motori esistenti. Sono infatti considerati “drop-in fuels”, termine che indica la possibilità di essere utilizzati senza modifiche sostanziali agli aeromobili o ai sistemi di rifornimento aeroportuali. Questo aspetto li rende una soluzione immediatamente applicabile, a differenza di tecnologie emergenti come l’idrogeno o l’elettrico, che richiedono trasformazioni radicali del settore.

Dal punto di vista tecnico, i carburanti sostenibili possiedono proprietà chimico-fisiche molto simili a quelle del jet fuel convenzionale, garantendo la stessa densità energetica, stabilità e sicurezza operativa. La differenza risiede nel percorso di produzione: invece di derivare da idrocarburi fossili estratti dal petrolio, i carburanti sostenibili per l’aviazione possono essere ottenuti da biomasse, rifiuti organici, residui agricoli e forestali, oppure attraverso processi di sintesi che utilizzano idrogeno verde e anidride carbonica riciclata.

In sintesi, i carburanti sostenibili per l’aviazione rappresentano una nuova generazione di combustibili: mantengono le prestazioni necessarie al volo, ma sono prodotti con tecnologie e materie prime che riducono in modo significativo l’impatto ambientale del trasporto aereo.

Tipologie di carburanti sostenibili

I carburanti sostenibili per l’aviazione non costituiscono una singola tecnologia, ma un insieme di soluzioni sviluppate con processi diversi e a partire da materie prime differenti. In generale, si distinguono principalmente tre categorie:

Biocarburanti avanzati: prodotti a partire da materie prime di origine biologica, spesso derivanti da scarti o residui organici. Questi includono oli vegetali di scarto, grassi animali, residui agricoli e forestali. I biocarburanti avanzati permettono di trasformare materiali che altrimenti verrebbero scartati in energia liquida ad alta densità, riducendo così la dipendenza dai combustibili fossili e valorizzando risorse altrimenti inutilizzate.

Carburanti sintetici (e-fuels o Power-to-Liquid): ottenuti tramite processi chimici di sintesi che combinano idrogeno prodotto da fonti rinnovabili con anidride carbonica catturata dall’atmosfera o da emissioni industriali. Questi carburanti offrono l’opportunità di produrre carburanti sostenibili per l’aviazione   “carbon neutral”, con emissioni ridotte lungo tutto il ciclo di vita.

Altre soluzioni innovative: includono carburanti derivati da alghe, rifiuti solidi urbani e biomasse lignocellulosiche. Queste tecnologie sono ancora in fase sperimentale o pilota, ma presentano un elevato potenziale grazie alla disponibilità diffusa delle materie prime e alla possibilità di produrre carburanti con basso impatto ambientale.

Ciascuna tipologia di SAF presenta vantaggi e sfide specifiche: i biocarburanti avanzati sono più consolidati tecnologicamente, ma limitati dalla disponibilità di scarti; i carburanti sintetici garantiscono un’elevata sostenibilità, ma richiedono investimenti tecnologici e infrastrutturali rilevanti; le soluzioni innovative sono promettenti ma necessitano di ulteriori sviluppi per diventare economicamente competitive.

In ogni caso, la diversificazione delle tipologie di carburanti sostenibili per l’aviazione è essenziale per garantire la scalabilità della produzione e per rispondere in modo flessibile alle diverse esigenze del settore aeronautico, promuovendo una transizione verso un’aviazione a basse emissioni sostenibile e duratura.

Materie prime per i SAF

I carburanti sostenibili per l’aviazione possono essere prodotti a partire da una vasta gamma di materie prime rinnovabili, e tra queste la biomassa si distingue come uno dei principali pilastri per la promozione di un settore aeronautico più sostenibile. Le fonti più diffuse comprendono residui agricoli e forestali, come scarti di legno, segatura, paglia, bagassa di canna da zucchero e altri materiali organici di scarto, che altrimenti non sarebbero valorizzati.

Queste materie prime offrono un elevato potenziale per la produzione di SAF grazie alle loro caratteristiche chimico-fisiche favorevoli, contribuendo concretamente alla riduzione delle emissioni di carbonio del settore aereo.

I carburanti sostenibili per l’aviazione possono essere classificati in base alla generazione dei biocarburanti:

I biocarburanti di seconda generazione sono prodotti da materiali non commestibili come grassi animali, olio da cucina esausto e semi oleosi non destinati all’alimentazione, trasformando rifiuti organici in energia liquida.

I biocarburanti di terza generazione utilizzano microalghe, che si distinguono per il loro rapido tasso di crescita e per la capacità di sequestrare carbonio. Tuttavia, questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo e affronta sfide significative, come i costi elevati, la complessità nella raccolta e nella lavorazione e le difficoltà nel soddisfare le specifiche tecniche standard SAF simili a quelle dei carburanti fossili.

Percorsi avanzati

Oltre ai biocarburanti, esistono percorsi più avanzati di conversione della biomassa e dei rifiuti solidi urbani in SAF tramite processi chimici. Un esempio significativo è la gassificazione della biomassa lignocellulosica per produrre syngas, seguito dalla sintesi di Fischer-Tropsch dovuta a Franz Joseph Emil Fischer e Hans Tropsch, che permette di ottenere combustibili liquidi con caratteristiche simili al cherosene convenzionale.

In sintesi, la diversità delle materie prime rappresenta un punto di forza nella produzione di carburanti sostenibili per l’aviazione, permettendo di combinare sostenibilità ambientale, disponibilità delle risorse e flessibilità industriale. La continua ricerca e innovazione in questo settore mira a rendere i carburanti sostenibili sempre più efficienti, competitivi e in grado di soddisfare le esigenze di un’aviazione a basse emissioni.

Composizione dei carburanti sostenibili

La composizione chimica dei carburanti sostenibili per l’aviazione varia significativamente in base alla materia prima utilizzata e alla tecnologia di produzione impiegata. In generale, i carburanti sostenibili per l’aviazione   sono costituiti principalmente da paraffine lineari, iso-paraffine e cicloparaffine, mentre composti aromatici e olefine rappresentano componenti di riserva che contribuiscono a determinare alcune proprietà qualitative del carburante.

Gli alcani lineari, pur essendo stabili e ad alta densità energetica, presentano uno scarso flusso a basse temperature, il che può limitare le prestazioni del carburante in condizioni di freddo estremo ad alta quota. Per questo motivo, i SAF spesso includono una miscelazione di alcani ramificati e molecole aromatiche, che migliora le proprietà di scorrimento e aumenta la sicurezza operativa.

Un esempio concreto riguarda l’aggiunta di alcani C10–C12 derivati dalla deossigenazione dell’olio di palmisti, che ha portato a un aumento del punto di intorbidamento (6.2 °C) e del punto di scorrimento (3.0 °C) senza alterare il potere calorifico (46.6 MJ/kg). Questo valore energetico è confrontabile con quello di carburanti rinnovabili come il diesel verde derivato dall’oleina di palma, garantendo prestazioni equivalenti a quelle dei combustibili convenzionali.

Un’ulteriore sfida chimica è rappresentata dalla presenza di specie ossigenate indesiderate, che hanno una bassa energia di combustione e possono favorire il fenomeno di ritenzione idrica all’interno del carburante. Controllare e minimizzare questi composti è fondamentale per garantire la sicurezza, l’efficienza e la durata dei motori aeronautici.

In sintesi, la composizione chimica dei carburanti sostenibili per l’aviazione è il risultato di un equilibrio tra stabilità, densità energetica e prestazioni a basse temperature, che deve essere attentamente progettato in funzione delle materie prime e delle tecnologie disponibili. Questa caratteristica consente ai SAF di essere carburanti compatibili con gli attuali motori aerei, mantenendo alte prestazioni e sicurezza operativa, pur riducendo l’impatto ambientale rispetto ai combustibili fossili.

Produzione e filiera

La produzione dei carburanti sostenibili per l’aviazione coinvolge una serie di processi industriali complessi che trasformano le materie prime rinnovabili in combustibili compatibili con i motori aeronautici. La filiera inizia con la raccolta e la selezione delle materie prime, che possono includere biomassa lignocellulosica, scarti agricoli e forestali, rifiuti organici e oli esausti, e prosegue attraverso differenti tecnologie di conversione chimica e biologica.

Ogni fase della filiera è fondamentale per garantire la qualità, la sicurezza e le prestazioni del carburante. La standardizzazione dei SAF, regolata da norme internazionali come ASTM D7566, assicura che i carburanti prodotti siano intercambiabili con il cherosene fossile e rispettino i requisiti di densità energetica, viscosità, punto di scorrimento e stabilità chimica.

Nonostante i progressi tecnologici, la scalabilità della produzione rappresenta ancora una sfida: la disponibilità delle materie prime, i costi di produzione e le infrastrutture necessarie sono fattori critici che limitano attualmente la diffusione su larga scala dei carburanti sostenibili . Per questo motivo, l’industria aeronautica e i governi stanno promuovendo investimenti in ricerca e impianti pilota, puntando a incrementare la capacità produttiva e ridurre i costi, in modo da rendere i carburanti sostenibili per l’aviazione   una soluzione praticabile e sostenibile per il futuro dell’aviazione.

Processo HEFA

Il processo HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) rappresenta una delle tecnologie più promettenti per la produzione di carburanti sostenibili per l’aviazione a partire da oli vegetali e grassi animali. Questo percorso di idroprocessamento catalitico è riconosciuto a livello industriale sia per i biocarburanti stradali sia per quelli aeronautici, poiché consente di ottenere combustibili con elevato potere calorifico, alti numeri di cetano e bassi contenuti di ossigeno rispetto ai biodiesel tradizionali prodotti tramite transesterificazione.

Durante il processo, i composti ossigenati presenti negli oli vegetali vengono rimossi attraverso tre principali reazioni chimiche:

Idrodeossigenazione (HDO), che elimina efficacemente gli esteri gliceridici a catena lunga, producendo acqua come sottoprodotto e senza perdita di carbonio.

Decarbossilazione (DCOx) e decarbonilazione (DCO), che rimuovono i gruppi carbossilici, generando alcani a catena corta e CO₂. Rispetto all’HDO, questi processi comportano maggiori perdite di carbonio ed energia, risultando meno efficienti.

L’olio idrotrattato ottenuto tramite HDO viene successivamente sottoposto a cracking e isomerizzazione per produrre idrocarburi compatibili con la gamma del cherosene. La temperatura e i catalizzatori utilizzati influenzano in modo significativo la resa di isoalcani, migliorando le proprietà di flusso a basse temperature e mantenendo un elevato numero di cetano. I catalizzatori impiegati sono spesso supportati da setacci molecolari a carbone attivo o zeolite, e comprendono metalli come platino, nichel e altri metalli nobili.

Grazie a questo processo, il HEFA produce SAF drop-in, cioè completamente compatibili con i motori e le infrastrutture esistenti, consentendo di introdurre carburanti sostenibili nell’industria aeronautica senza interventi radicali sugli aeromobili o sugli aeroporti.

Sintesi di Fischer-Tropsch (FT)

Il processo di sintesi Fischer-Tropsch (FT) è una tecnologia storicamente sviluppata per produrre combustibili liquidi a partire da carbone o trucioli di ferro alcalinizzati, ma oggi trova applicazione nella produzione di SAF da biomassa. La materia prima viene innanzitutto sottoposta a gassificazione per generare syngas, una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, che rappresenta la base per il processo FT. La sequenza completa di trasformazione è nota come processo biomass-to-liquid (BTL), analogo alle tecniche gas-to-liquid (GTL) o carbone-to-liquid (CTL), e comprende sei fasi principali: pretrattamento, gassificazione, condizionamento, trattamento acido, produzione e raffinazione del greggio sintetico.

Uno degli aspetti più complessi del processo FT è la raffinazione del greggio sintetico, necessaria per ottenere un carburante di buona qualità e ridurre i costi complessivi. Il syngas derivato dalla biomassa può contenere impurità come zolfo, azoto, particolato, catrame, ammoniaca, acido cianidrico, solfidrico e cloridrico, e tracce di metalli, che devono essere rimosse durante la fase di pulizia iniziale.

Condizioni operative

Le condizioni operative influenzano le caratteristiche del carburante prodotto:

I processi a bassa temperatura (200–240 °C) con catalizzatori a base di ferro o cobalto generano cere lineari ad alto peso molecolare.

I processi ad alta temperatura (300–350 °C) con catalizzatori di ferro producono benzina e olefine lineari a basso peso molecolare.

Un limite dei combustibili FT tradizionali è la assenza di aromatici, che può comportare problemi di compatibilità con alcune guarnizioni dei motori aeronautici. Per superare questa criticità, il metodo certificato ASTM D7566 Allegato 4 prevede l’aggiunta di aromatici, producendo il cosiddetto FT-SPK/A.

Nonostante i progressi tecnologici, gli impianti commerciali BTL per SAF sono ancora assenti a causa delle sfide economiche, tra cui investimenti iniziali elevati, disponibilità e qualità instabile del syngas, e potere calorifico inferiore rispetto al cherosene fossile. Tuttavia, il rapporto atomico H/C elevato e O/C basso rappresenta un indicatore chiave della densità energetica e della qualità del carburante prodotto, confermando il potenziale dei combustibili FT come alternativa sostenibile al jet fuel convenzionale.

Sistema Power-to-Liquid (PtL)

Il sistema Power-to-Liquid (PtL) rappresenta un percorso innovativo e scalabile per la produzione di carburanti sostenibili per l’aviazione. Questo processo sfrutta CO₂, acqua ed energia rinnovabile per generare combustibili con caratteristiche simili a quelle del carburante fossile per aerei, offrendo una soluzione potenzialmente carbon neutral.

Il percorso PtL si articola in tre fasi principali:

Cattura della CO₂, che può avvenire da fonti industriali o tramite cattura diretta dall’aria (DAC), una tecnologia emergente che consente di ridurre le emissioni antropiche da fonti disperse e offre flessibilità nella scelta dell’ubicazione degli impianti.

Produzione di idrogeno, generalmente tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da energia rinnovabile.

Sintesi e condizionamento degli idrocarburi, in cui il syngas prodotto viene trasformato in carburante tramite due possibili percorsi: la sintesi di Fischer-Tropsch (FT) o la conversione del metanolo in carburanti sostenibili per l’aviazione. Attualmente, il percorso FT risulta più vantaggioso, poiché i combustibili prodotti possono essere miscelati al 50% con cherosene convenzionale e certificati come drop-in secondo lo standard ASTM.

L’efficienza complessiva del sistema PtL è determinata da diversi fattori: l’efficienza di conversione del carbonio è dell’88%, quella dell’idrogeno del 39,16% e l’efficienza globale Power-to-Liquid si attesta intorno al 25,6%. Nonostante questi valori, la tecnologia PtL è promettente per la produzione di SAF ad alta qualità, completamente compatibili con gli attuali motori e infrastrutture aeronautiche, e con un impatto ambientale significativamente ridotto rispetto ai carburanti fossili.

Benefici ambientali ed economici

I carburanti sostenibili per l’aviazione offrono una serie di benefici ambientali e economici che li rendono una componente strategica della transizione verso un’aviazione a basse emissioni. Dal punto di vista ambientale, i SAF consentono una significativa riduzione delle emissioni di gas serra rispetto al cherosene convenzionale, grazie all’impiego di materie prime rinnovabili e alla produzione attraverso tecnologie come HEFA, Fischer-Tropsch (FT) e Power-to-Liquid (PtL). Il contributo dei SAF si estende anche alla diminuzione delle emissioni di particolato e zolfo, migliorando la qualità dell’aria negli aeroporti e lungo le rotte aeree.

Un ulteriore vantaggio riguarda il ciclo del carbonio chiuso garantito da alcuni percorsi produttivi, in particolare il PtL, che utilizza CO₂ catturata dall’atmosfera e idrogeno verde per generare combustibile. In questo modo, il carbonio emesso durante la combustione dei SAF può essere riassorbito dalle piante o catturato direttamente, riducendo l’impatto netto sull’effetto serra.

Dal punto di vista economico, i SAF rappresentano un’opportunità per valorizzare scarti agricoli, rifiuti organici e oli esausti, creando nuovi filoni di business nell’industria del riciclo e della bioenergia. L’investimento nella produzione di SAF stimola innovazione tecnologica, sviluppo di impianti industriali avanzati e occupazione nel settore chimico e aeronautico. Inoltre, l’adozione dei SAF può contribuire alla riduzione della dipendenza dai combustibili fossili, aumentando la resilienza energetica degli aeroporti e delle compagnie aeree.

Nonostante i costi di produzione attualmente più elevati rispetto ai carburanti tradizionali, la crescente domanda di SAF, le politiche di incentivazione governative e il miglioramento dell’efficienza dei processi produttivi rendono questi carburanti sempre più competitivi. In prospettiva, i SAF non solo permettono di rispettare gli obiettivi climatici globali, ma offrono anche un vantaggio strategico all’industria aeronautica, combinando sostenibilità ambientale, efficienza operativa e potenziale di crescita economica.

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