I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per trovare e ottimizzare nuovi metodi di produzione per un carburante per l'aviazione neutrale dal punto di vista climatico. Al PSI stanno perseguendo un approccio promettente insieme all'industria.
Una delle grandi speranze dell'industria aeronautica per raggiungere l'obiettivo dichiarato di neutralità climatica entro il 2050 è il Sustainable Aviation Fuel, o SAF in breve. La paraffina utilizzata finora consiste in una miscela di alcuni idrocarburi a base di petrolio greggio. Quando vengono bruciati nelle turbine degli aerei, oltre all'energia viene rilasciata anche anidride carbonica(CO2). La sua concentrazione nell'atmosfera aumenta e il clima si riscalda.
Il SAF è composto dagli stessi idrocarburi e, a differenza di fonti energetiche come l'elettricità o l'idrogeno, può sostituire direttamente la paraffina fossile. "Il SAF può essere integrato direttamente nell'infrastruttura aeroportuale esistente e utilizzato nei motori convenzionali con pochi aggiustamenti", spiega Marco Ranocchiari, chimico del PSI e responsabile della piattaforma ESI (ESI è l'acronimo di "Energy System Integration", la piattaforma è una struttura di prova per le energie ecologiche del futuro).
Il vantaggio climatico del SAF consiste nel fatto che gli idrocarburi non vengono estratti dal suolo sotto forma di petrolio greggio e non inquinano ulteriormente l'atmosfera. La fonte è invece costituita da materiale biologico proveniente dalla superficie - finora sono stati utilizzati soprattutto oli e grassi commestibili vegetali e animali. Il carbonio contenuto proviene dall'atmosfera, quindi laconcentrazione di CO2 rimane invariata. L'unità è neutrale dal punto di vista climatico, a condizione che la produzione e il trasporto del SAF avvengano esclusivamente con energia rinnovabile anziché con combustibili fossili. Questo non è ancora il caso. Il SAF non è quindi ancora in grado di ridurre a zero leemissioni di CO2 di un volo, ma può comunque ridurle di circa l'80%.
Tuttavia, produrre le quantità necessarie di SAF a un costo accessibile è una sfida importante. Nel 2023 sono stati prodotti in tutto il mondo circa 600 milioni di litri di SAF, una minima parte dei 325 miliardi di litri necessari. Secondo le stime dell'Associazione Internazionale del Trasporto Aereo (IATA), la domanda sarà di 450 miliardi di litri nel 2050 se si vuole sostituire completamente la paraffina fossile. Insieme a diversi partner, i ricercatori del PSI stanno quindi studiando, sviluppando e ottimizzando diverse opzioni per produrre paraffina senza petrolio grezzo. Ad esempio, nell'ambito dell'iniziativa triennale SynFuel, in collaborazione con il Laboratorio federale di scienza e tecnologia dei materiali Empa e con il sostegno finanziario del Consiglio dei PF. O con la start-up Metafuels per il clima.
La biomassa disponibile non è sufficiente
Una possibilità è basata sulla biomassa. Il SAF da oli e grassi alimentari è già in uso ed è l'unica opzione certificata ad oggi. Gli acidi grassi vengono estratti dagli oli in un processo noto come idrolisi. Questi vengono poi convertiti in un prodotto che assomiglia al petrolio grezzo attraverso ulteriori fasi di processo. Infine, viene raffinato con idrogeno per produrre bio-kerosene. Questo SAF di prima generazione può ora essere miscelato con un massimo del 50% di paraffina convenzionale.
Tuttavia, l'umanità non può consumare così tanto cibo fritto da generare abbastanza olio da cucina usato per produrre le quantità necessarie di SAF. I ricercatori stanno quindi esplorando altri modi per convertire la biomassa in paraffina. La segatura e altri residui vegetali provenienti da orticoltura, agricoltura e silvicoltura, ad esempio, o i fanghi di depurazione sono opzioni adatte. Utilizzando vari processi idrotermali - cioè utilizzando calore, pressione e acqua - i ricercatori estraggono dal materiale gli idrocarburi desiderati, che vengono poi raffinati con l'idrogeno per produrre paraffina.
Ma anche questo non sarà sufficiente, perciò i ricercatori stanno cercando altri modi per sostituire la paraffina fossile. Ad esempio, una variante del SAF potrebbe essere prodotta artificialmente dai semplici materiali di partenza, idrogeno e anidride carbonica, utilizzando l'elettricità verde (power-to-liquid) o direttamente l'energia del sole (sun-to-liquid). Questo SAF di seconda generazione è quindi noto anche come "e-kerosene". Se ne potrebbero produrre quantità molto maggiori rispetto ai vecchi oli da cucina.
I carburanti artificiali sono particolarmente rispettosi dell'ambiente
Un processo in grado di produrre combustibili da solidi e gas ricchi di idrocarburi è noto da tempo: Si chiama sintesi di Fischer-Tropsch, dal nome dei chimici tedeschi Franz Fischer e Hans Tropsch, che ne chiesero il brevetto quasi 100 anni fa. In questo processo, il monossido di carbonio viene idrogenato con l'idrogeno a temperature comprese tra 150 e 350 gradi Celsius su superfici catalitiche contenenti cobalto o ferro che regolano le reazioni chimiche. Il processo si è affermato ed è ora utilizzato su larga scala tecnica.
"Tuttavia, la paraffina è particolarmente impegnativa", spiega l'ingegnere chimico del PSI Jörg Roth, coordinatore del progetto SynFuel. Questo combustibile molto ricco di energia è costituito da una speciale combinazione di idrocarburi leggeri e pesanti. Questa combinazione conferisce alla paraffina determinati valori di viscosità, punto di ebollizione, punto di infiammabilità e altri parametri che devono essere mantenuti per garantire la necessaria sicurezza durante il volo. Tuttavia, il processo Fischer-Tropsch produce una miscela selvaggia che contiene molti tipi di idrocarburi non desiderati nella paraffina. "Per ottenere una paraffina di alta qualità, il prodotto deve essere prima trattato con grande dispendio di denaro, il che comporta gravi perdite di efficienza", ammette Roth.
La via del metanolo è promettente
I ricercatori del PSI stanno quindi lavorando allo sviluppo di alternative. Una possibilità è la cosiddetta sintesi del metanolo. Questa prevede l'utilizzo di catalizzatori a base di ossido di zinco e rame per produrre metanolo da monossido di carbonio e idrogeno ad alta pressione. Il processo è noto da molto tempo, ma il modo in cui gli idrocarburi a catena più lunga, come l'etene (C2H4), il propene (C3H6), il butene (C4H8) e infine la paraffina, possono essere prodotti dal metanolo (CH3OH) attraverso ulteriori fasi di sintesi sta diventando evidente solo grazie a ricerche più recenti.
Il tipo di reattore, la temperatura, la pressione e il rapporto tra idrogeno e ossidi di carbonio sono solo alcuni dei parametri che devono essere armonizzati. "Il fattore decisivo, tuttavia, è la scelta del catalizzatore", afferma Ranocchiari, direttore dell'ESI. Un catalizzatore è un materiale che favorisce determinate reazioni chimiche e, in alcuni casi, le rende possibili. In questo caso, controlla l'aumento della catena degli idrocarburi. La dimensione dei pori della sua superficie determina la formazione delle catene molecolari. Il catalizzatore giusto garantisce quindi un minor numero di sottoprodotti indesiderati. Soprattutto, arresta le reazioni a un certo punto. "Altrimenti la catena di carbonio diventa infinita e alla fine si ottiene solo cera", spiega Jörg Roth.
Le conoscenze acquisite sulla piattaforma ESI sono anche la base di una promettente collaborazione industriale avviata all'inizio dello scorso anno: "Siamo stati contattati dalla start-up svizzera Metafuels", spiega Ranocchiari. L'azienda vede un enorme mercato nel SAF e disponeva già di un business plan e di forti investitori del settore green tech. Mancava ancora la prova che il SAF potesse essere prodotto in modo più efficiente rispetto ai sistemi Fischer-Tropsch tradizionali. Solo allora la produzione sarebbe diventata economicamente conveniente.
Il catalizzatore garantisce il giusto mix
Insieme, i partner del progetto hanno testato varie idee e alla fine hanno trovato una configurazione funzionante che include un catalizzatore efficace. La sintesi funziona già come desiderato in laboratorio. Il compito è ora quello di scalare il processo: I partner stanno mettendo insieme i componenti di un impianto pilota delle dimensioni di una casa, che entrerà in funzione l'anno prossimo sul sito del PSI e produrrà 50 litri di SAF al giorno. La costruzione è sostenuta dall'Ufficio federale dell'energia (UFE) con nove milioni di franchi svizzeri. Metafuels prevede poi di costruire il suo primo impianto commerciale su scala industriale con una capacità circa 100 volte superiore entro il 2028. "Dobbiamo prima capire come ottimizzare la produzione su questa scala con l'impianto pilota", ammette Ranocchiari.
In ogni caso, tutti i partecipanti sperano che la tecnologia appena sviluppata, battezzata "aerobrew", possa dare un importante impulso a progetti di imitazione per raggiungere il grande obiettivo della neutralità climatica: "Progetti di trasferimento di questo tipo tra la ricerca e l'industria, in particolare, possono indicare la strada", afferma Thomas J. Schmidt, responsabile del Centro per le scienze energetiche e ambientali del PSI.
Le persone coinvolte ritengono che le possibilità che la SAF raggiunga questo obiettivo siano molto alte. Soprattutto perché non solo permette di ridurre al minimo leemissioni di CO2 senza dover revisionare tecnicamente l'intero settore dell'aviazione, ma anche di affrontare gli effetti non legati al CO2 del volo, che sono ancora più rilevanti per il riscaldamento globale. La paraffina sintetica può essere progettata in modo tale da ridurre la formazione di nuvole durante il funzionamento e quindi da ridurre il riscaldamento globale.
Una nuova iniziativa, denominata reFuel.ch, si propone di verificare fino a che punto ciò sia ragionevole e fattibile entro il 2032. Oltre alla composizione del SAF, il progetto si concentra su un altro aspetto importante: "I materiali di partenza come il metanolo, il monossido di carbonio e l'etilene sono essenzialmente gli stessi utilizzati nell'industria chimica per produrre tutti i tipi di plastica e prodotti chimici fini per i farmaci", spiega Thomas J. Schmidt. Finora, la base di partenza era solitamente il gas naturale, che è anche una risorsa fossile e dannosa per il clima. Questa versatilità è uno dei motivi per cui reFuel.ch ha ricevuto un finanziamento dell'UFE per un totale di 15 milioni di franchi.
La domanda è enorme
Tuttavia, rimane un fattore: Anche con ulteriori incrementi di efficienza, la produzione di SAF richiederà una quantità di elettricità significativamente superiore a quella della paraffina convenzionale. Ciò è dovuto principalmente alla produzione ad alta intensità energetica dell'idrogeno tramite elettrolisi e alle perdite di energia in ogni fase di produzione - elettrolisi,estrazione di CO2, sintesi. Per questo motivo, attualmente il SAF è ancora da quattro a sette volte più costoso della normale paraffina. "Alla fine, i costi di investimento per le nuove tecnologie che stiamo sviluppando non sono quindi il fattore decisivo", afferma Jörg Roth, "ma i costi dell'energia che le farà funzionare". I calcoli lo dimostrano: Per coprire sinteticamente l'attuale fabbisogno di paraffina dell'aviazione, sarebbe necessaria una quantità di energia solare ed eolica almeno tre volte superiore a quella prodotta a livello mondiale nel 2021. La domanda è quindi enorme. E di conseguenza, quanto più economica sarà la produzione di questa energia, tanto più l'idea del SAF come sostituto della paraffina diventerà conveniente.
