Dall’umido al volo: dai rifiuti alimentari un carburante per aerei a emissioni net zero
Carburante sostenibile per l'aviazione "drop-in" può far decollare voli Net-Zero prima di quanto si pensava
[16 Marzo 2021]
Anche se il settore aeronautico rappresenta solo una parte delle emissioni di gas serra legate ai trasporti (il 9% negli Usa) è difficile da decarbonizzare ed è la forma di trasporto a più alta intensità di emissioni procapite. Entro il 2050, la domanda di carburante per gli aerei è destinata a raddoppiare i livelli pre-pandemia entro il 2050 e le compagnie aeree che si impegnano a ridurre le emissioni, a fare innovazioni nei carburanti, nei motori e nelle tecnologie emergenti sono fondamentali per colmare il gap fino al net zero.
Ma gli aerei potrebbero essere arrivati a un punto di svolta nella corsa alla riduzione delle emissioni per mitigare il cambiamento climatico e la svolta è messa nero su bianco nel nuovo studio “Toward net-zero sustainable aviation fuel with wet waste–derived volatile fatty acids” pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) da un team di scienziati statunitensi del National Renewable Energy Laboratory (NREL), dell’università di Dayton, della Yale University e dell’Oak Ridge National Laboratory, che delinea un processo di bioraffinazione che utilizza l’energia non sfruttata dei rifiuti alimentari e altri rifiuti umidi per produrre SAF (sustainable aviation fuel) compatibile con i motori a reazione esistenti e in grado di supportare voli a zero emissioni di carbonio. All’NREL spiegano che «In pratica, ciò significa che le emissioni di gas serra create dalla combustione del carburante per aerei vengono azzerate dalle emissioni di gas serra del ciclo di vita rimosse o dirottate dall’atmosfera durante la produzione del carburante».
Grandi compagnie aeree, tra le quali la Southwest Airlines, stanno già collaborando con NREL e altre organizzazioni al progetto dimostrativo di volo con carburante prodotto dai rifiuti umidi del Dipartimento dell’energia Usa. A partire dal 2019, Southwest ha iniziato a collaborare con NREL per incrementare il suo impegno a incorporare, quando disponibile, SAF commercialmente vantaggioso nelle sue attività. I ricercatori dicono che con la pubblicazione del nuovo studio questo lavoro pilota il passaggio dalla teoria alla realtà commerciale è più vicino che mai.
Uno degli autori dello studio, Derek Vardon dell’NREL, sottolinea che «Se il nostro percorso di raffinazione viene ampliato, potrebbero essere necessari anche uno o due anni per le compagnie aeree come Southwest per ottenere le approvazioni normative per il carburante di cui hanno bisogno per iniziare a utilizzare i SAF da rifiuti umidi per i voli commerciali. Questo significa che i voli a zero emissioni di carbonio sono all’orizzonte prima di quanto alcuni avrebbero pensato».
Le notevoli riduzioni delle emissioni realizzate grazie al SAF illustrato nello studio – un calo del 165% delle emissioni nette di carbonio rispetto al carburante fossile per jet – sono ottenibili intervenendo sull’enorme impronta di gas serra dei rifiuti alimentari. «Ogni anno – ricordano i ricercatori statunitensi – milioni di tonnellate di rifiuti alimentari vengono trasportati nelle discariche in tutto il Paese. Una volta lì, marciscono e producono metano, un gas serra oltre 20 volte più potente dell’anidride carbonica. L’eliminazione degli sprechi alimentari come fonte di metano, quindi, può essere un modo molto efficace per ridurre le emissioni dalle discariche. Può anche essere efficace nella produzione di carburante. Ricerche precedenti hanno dimostrato come interrompere la generazione di metano con fermentatori che trasformano l’energia del carbonio dei rifiuti alimentari e altri “rifiuti umidi” organici in acidi grassi volatili (VFA), che possono essere trasformati in carburante per aerei. Ma quegli studi, pur dimostrando che il SAF dai rifiuti umidi è possibile, non hanno documentato come tale carburante possa soddisfare gli standard delle proprietà del carburante di ASTM International».
Vardon fa notare che «Il rispetto degli standard ASTM è obbligatorio per l’uso e l’implementazione del nuovo SAF da parte dell’industria. Il nostro studio dimostra che possiamo creare un SAF drop-in che soddisfi tali standard, con un’analisi che rivela come perfezionare i VFA in modo che le compagnie aeree possano utilizzare grandi quantità di VFA-SAF senza sacrificare le prestazioni».
Utilizzando un catalizzatore per aggiungere più carbonio alle molecole di VFA, Vardon e gli altri scienziati hanno dimostrato come costruire lunghe file di idrocarburi paraffinici ricchi di energia che sono essenzialmente identici a quelli del carburante convenzionale, tranne che con una frazione dell’impronta di carbonio.
Un altro autore dello studio, Josh Heyne, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale dell’università di Dayton e esperto di test SAF ASTM, evidenzia che «Il percorso NREL SAF da rifiuti alimentari è un candidato molto promettente per la valutazione ASTM International D4054 Fast Track. I campioni di carburante che abbiamo testato hanno composizioni molto promettenti e la capacità dell’NREL di adattare queste composizioni va molto a favore per l’approvazione».
L’utilizzo di quantità maggiori di SAF nei motori a reazione richiede più tempo per essere approvato, ma così facendo si possono anche consentire riduzioni molto maggiori delle emissioni nette. Per fornire un percorso per ottenere l’approvazione ASTM per miscele più elevate, lo studio delinea «Un ulteriore passaggio per produrre molecole più complesse chiamate isoparaffine, che possono avere strutture chimiche ramificate uniche. Con più test, il SAF realizzato con una combinazione di isoparaffine rinnovabili e paraffine a catena lineare potrebbe essere miscelato con il carburante per aviogetti convenzionale in concentrazioni più elevate, fino al 70%». Vardo aggiunge: «Poiché la miscela SAF avrebbe un’impronta di carbonio inferiore del 165% rispetto al jet fossile, quella miscela è abbastanza alta da decarbonizzare il volo».
Il risultato è un processo di raffinazione del carburante che fornisce alle compagnie aeree una rapida riduzione delle emissioni a breve termine con volumi minori di SAF, fornendo anche un modello a lungo termine per produrre miscele con un tenore di SAF più elevato che consentono riduzioni ancora più forti delle emissioni.
Bryan Sherbacow, chief commercial officer di World Energy, una global company di biocarburanti che gestisce la prima raffineria di SAF al mondo, fondata in California nel 2016, è soddisfatto per le possibilità che demergono dallo studio: «Lo sviluppo di nuove tecnologie di produzione di SAF per convertire materie prime che vanno oltre grassi e olii i è fondamentale per la crescita futura del nostro settore. Questa dimostrazione dell’NREL per produrre SAF dai rifiuti umidi dimostra il potenziale tecnico per la flessibilità delle materie prime di cui l’industria ha bisogno per ottenere una decarbonizzazione del carburante su larga scala».
A lo stesso NREL avverte che «Raggiungere la flessibilità delle materie prime su larga scala non è un’impresa da poco. Richiede un team multidisciplinare di importanti scienziati, analisti ed esperti del settore, tutti che lavorano dall’interno dal loro angolo del puzzle a supporto di una struttura convincente per il volo commerciale con SAF. Mentre alcuni perfezionano la chimica del catalizzatore per l’aggiornamento dei VFA, altri testano le proprietà del carburante in laboratorio. Altri ancora analizzano l’economicità dell’aumento della produzione industriale. Ma forse gli attori più critici al tavolo sono le stesse compagnie aeree commerciali. Diverse grandi compagnie aeree statunitensi sono già impegnate a utilizzare SAF nei loro aerei e stanno intensificando gli sforzi per trovare nuove rotte verso SAF low carbon per contribuire a raggiungere i loro obiettivi ambientali. Southwest Airlines, ad esempio, sta collaborando con l’NREL per aumentare la SAF da rifiuti umidi e sta fornendo informazioni su come il carburante potrebbe essere utilizzato e rifornito nelle regioni chiave degli Stati Uniti. Descrivendo un percorso per la produzione di SAF su scala più ampia, questa nuova ricerca potrebbe rendere più facile per la compagnia aerea adottare il carburante in modo più ampio e ridurre le emissioni dalle sue operazioni».
E in effeti, Michael AuBuchon, direttore senior fuel supply chain management della Southwest, ha detto: «Siamo entusiasti di collaborare con l’NREL mentre continuiamo il nostro viaggio per rendere il SAF commercialmente sostenibile una realtà e una parte del futuro della Southwest. Il suo ruolo nella riduzione delle emissioni in tutto il settore e della Southwest sarà significativo. La ricerca dell’NREL potrebbe fornire un’opportunità rivoluzionaria per rendere il SAF conveniente, portando alla sua implementazione su larga scala».
Vardon conclude: «Il nostro percorso verso il SAF non è un proiettile d’argento, ma come pezzo del puzzle potrebbe incidere in modo significativo in un settore notoriamente difficile da decarbonizzare. In effetti, il team di analisi dell’NREL ha dimostrato che i rifiuti umidi statunitensi, compresi i rifiuti alimentari, hanno un contenuto energetico sufficiente per coprire circa il 20% del consumo di carburante degli aerei negli Stati Uniti. Poiché il carburante è una fonte primaria di emissioni di gas serra nell’industria aeronautica, il SAF a emissioni di carbonio negative derivante dai rifiuti umidi a basso costo potrebbe essere proprio ciò di cui ha bisogno per dare una spinta più forte affinché la decarbonizzazione decolli».