Sono diversi i fattori che rendono difficile la decarbonizzazione del comparto aereo. Innanzitutto, le emissioni prodotte (tra cui CO2 e altri inquinanti) impattano in maniera significativa in termini di riscaldamento quando vengono rilasciate ad alta quota. Secondariamente, il settore è caratterizzato da lunghi cicli di innovazione e costi sostanziali, soprattutto legati allo sviluppo e all’introduzione di nuove tecnologie. Inoltre, le nuove tecnologie devono soddisfare rigorosi standard di sicurezza e affidabilità, il che prolunga i tempi per l’effettiva integrazione nel servizio attivo. Infine, le infrastrutture e gli aerei già in essere sono progettati per utilizzare carburanti convenzionali e servono ingenti investimenti per passare ad altre alternative tecnologiche. Tutti questi fattori collocano il comparto aereo tra i settori cosiddetti “hard to abate”.

 

Gli importanti progressi generati dalle innovazioni tecnologiche, dall’aumento delle dimensioni medie dei velivoli e dai migliori fattori di carico dei passeggeri hanno drasticamente migliorato l’efficienza del trasporto aereo. Negli anni ’50 del Novecento, le emissioni superavano i 2.000 grammi di CO2 per passeggeri-km (RPK) , unità di misura utilizzata per stimare l’impatto ambientale di ciascun passeggero pagante per singolo chilometro. Nel 2018 la cifra è scesa a 125 grammi di CO2 per RPK; tuttavia, questo miglioramento dell’efficienza va considerato unitamente alla rapida crescita dell’industria aeronautica, stimolata da una maggiore accessibilità, dall’espansione economica e dalla globalizzazione. Tale crescita ha portato ad un continuo aumento delle emissioni complessive.

 

Al pari di altri settori “hard to abate”, anche quello aeronautico deve raggiungere un delicato equilibrio: da un lato, è fondamentale concentrarsi sulla riduzione delle emissioni; dall’altro, la sfida è quella di raggiungere questa riduzione garantendo alle principali parti interessate di effettuare la transizione in modo equo e sostenibile, in modo da evitare gravi interruzioni alle loro attività e, di conseguenza, disguidi a carico dei passeggeri. Va da sé, quindi, che il settore del trasporto aereo debba perseguire una strategia consapevole e ponderata con l’ottica di una transizione sostenibile. Inserendosi in questo contesto, l’articolo intende analizzare i principali metodi attualmente a disposizione del settore per compensare le emissioni di carbonio.

 

 

Tre strategie fondamentali

Stando a quanto emerge dalla letteratura recente e attuale, la decarbonizzazione del comparto aereo converge in generale su tre strategie primarie: migliorare l’efficienza, attuare misure di sufficienza (p. es. riducendo la domanda) e innovare le tecnologie legate a carburante e propulsione. Per raggiungere l’obiettivo fissato per il 2050, è possibile compensare le emissioni residue di CO2 ricorrendo ai crediti di carbonio, che sembrano giocare un ruolo maggiore per le strategie volte all’efficienza e alla sufficienza che non per le innovazioni tecnologiche. I progressi ottenuti in termini di efficienza dalla migliore progettazione aerodinamica e dall’uso di materiali avanzati possono contribuire a ridurre le emissioni rilasciate dall’attuale flotta aerea

 

Quanto alle misure di sufficienza, esse comprendono strategie come l’ottimizzazione delle rotte aeree e la riduzione della domanda di trasporto aereo. Nel frattempo, le innovazioni nella tecnologia dei carburanti e della propulsione offrono una soluzione diretta alla riduzione delle emissioni attivamente prodotte. Sebbene di concerto tali approcci possono portare a una più rapida riduzione delle emissioni, è anche vero che potrebbero non essere sufficienti se presi singolarmente.

 

 

 

 

L’ipotesi è che il settore del trasporto aereo tenda a privilegiare i miglioramenti dell’efficienza e le innovazioni tecnologiche rispetto alle misure di sufficienza, dal momento che sono allineati agli obiettivi di crescita dell’industria e si concentrano sul progresso tecnologico. Di contro, le misure di sufficienza (che potrebbero comportare la riduzione del numero di voli od ottimizzare le operazioni per abbattere le emissioni) potrebbero essere considerate controproducenti per gli obiettivi di crescita del settore. Si potrebbe tuttavia sollevare un’obiezione: perché sia significativa, vale a dire perché si giunga a una sostanziale riduzione delle emissioni effettivamente e attivamente prodotte, la decarbonizzazione dipende in gran parte dai progressi/cambiamenti tecnologici in fatto di propulsione e di carburante, dal momento che quanto fuoriesce dallo scarico dei velivoli rappresenta ad oggi la principale fonte di emissioni del settore. Intento del resto del presente articolo è quindi quello di focalizzarsi sulla terza strategia menzionata poco sopra, l’innovazione della tecnologia legata ai combustibili e alla propulsione, attraverso un’analisi dei principali approcci tecnologici volti a ridurre le emissioni dirette degli aerei.

 

 

Il ruolo fondamentale dell’innovazione tecnologica

 

Nel contesto dei carburanti e dei propulsori, due sono gli approcci primari quando si parla di innovazione tecnologica: il primo riguarda i progressi nelle attuali tecnologie di propulsione e dei relativi carburanti, mentre il secondo si concentra sullo sviluppo di nuove tecnologie di propulsione.

La tecnologia più utilizzata risulta essere il motore turboventola ad alto rapporto di bypass (HBR)

Tuttavia, il potenziale per ulteriori incrementi di efficienza con questa tipologia di motore si sta avvicinando ai suoi limiti teorici. Negli ultimi decenni sono stati fatti passi da gigante per migliorare l’efficienza del carburante dei moderni motori a reazione: gli sforzi si sono concentrati sul miglioramento dell’efficienza della propulsione e sull’aumento dell’efficienza termica, oltre che sulla riduzione del rumore e sull’abbattimento delle emissioni di ossidi di azoto (NOX). Dagli anni ’70 del Novecento ai primi anni Duemila, tali progressi hanno notevolmente ridotto il consumo di carburante (-35 percento) e quasi totalmente eliminato le emissioni di fumo.

Sul piano teorico, è possibile migliorare il consumo di carburante di un ulteriore 30 percento; tuttavia, stando ai limiti pratici, in assenza di tecnologie innovative a bassa emissione di NOX i motori possono realisticamente garantire un’ulteriore riduzione del 20-25 percento se si intendono rispettare le future norme sulle emissioni di NOX. Anche migliorando l’efficienza al massimo, alcuni aerei prodotti nei prossimi anni potrebbero essere ancora operativi nel 2050; pertanto, senza una svolta tecnologica nell’efficienza dei motori, una simile realtà solleva un fondamentale interrogativo sulla causa principale delle emissioni: il carburante stesso.

 

Per quanto concerne i progressi della tecnologia legata ai carburanti, l’Organizzazione Internazionale dell’Aviazione Civile (ICAO) identifica due approcci primari nell’ambito del Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA): Carburanti a ridotto tenore di carbonio per l’aviazione (LCAF) e carburanti sostenibili per l’aviazione (SAF). La sigla LCAF rimanda al carburante convenzionale per l’aviazione a base fossile conforme ai criteri di sostenibilità CORSIA. Per essere classificato come LCAF, il carburante deve garantire -10 percento di emissioni durante il proprio ciclo di vita rispetto al riferimento rappresentato dal carburante standard, pari a 89 gCO2e/MJ. Le misure pensate per raggiungere questo obiettivo abbracciano le attività di trasporto e quelle svolte a monte all’atto della produzione del carburante.

 

È poi importante prendere atto del fatto che, sebbene l’LCAF possa all’apparenza non avere un impatto sostanziale sulla riduzione delle emissioni di gas serra (grazie ad emissioni pari a 80 gCO2e/MJ), il suo effetto sarebbe paragonabile ai miglioramenti dell’efficienza di picco raggiunti negli anni ’70 del Novecento con l’introduzione del Boeing 747, che presentava un design a fusoliera larga e motori turboventola HBR.

La sigla SAF, invece, rimanda al carburante per l’aviazione derivato da fonti rinnovabili o sostanze di rifiuto ed è soggetto agli specifici criteri di sostenibilità di cui all’Allegato 16 dell’ICAO CORSIA Volume IV. Ad oggi, il SAF è certificato secondo gli standard ASTM D7566 e D1655.

 

Una volta prodotto, il SAF deve essere miscelato con il carburante convenzionale per l’aviazione a base fossile e certificato secondo gli standard citati. In particolare, il SAF può essere gestito come il carburante tradizionale e integrato senza problemi nelle infrastrutture già in essere. La logica dietro alla miscelazione del SAF con il normale carburante a base fossile è quella di garantire la compatibilità con la maggior parte degli aerei commerciali attualmente in servizio. Gli standard impongono delle limitazioni su alcuni composti specifici (p. es. composti aromatici, cicloparaffine o tracce di composti) e il carburante è tenuto a rispettarli per essere certificato come carburante per l’aviazione, che svolge anche funzioni secondarie quali la lubrificazione e la tenuta. Secondo le previsioni, ad ogni modo, questo problema andrà a scemare col pensionamento delle flotte di aerei più vecchi e con la riduzione dei vincoli imposti dai nuovi motori. 

 

 

Tra le nuove tecnologie, la propulsione a idrogeno

Quando si contemplano soluzioni capaci di garantire una redditività commerciale a lungo termine, i fari sono puntati sulle nuove tecnologie di propulsione, tra cui la propulsione a idrogeno e quella elettrica a batteria chimica. L’idrogeno è in grado di alimentare gli aerei attraverso due metodi principali: la combustione del gas stesso e le pile a combustibile. La prima prevede l’utilizzo dell’idrogeno in motori a reazione compatibili con il gas come se fosse carburante tradizionale per jet, con il vantaggio di eliminare completamente le emissioni di carbonio. La componente di scarico primaria di questi motori è costituita da vapore acqueo (H2O), NOX e calore residuo. Il secondo metodo rappresenta un nuovo sviluppo nel settore dell’aviazione, in quanto per il decollo utilizza l’elettricità generata da pile a combustibile alimentate a idrogeno anziché la combustione. Si tratta di un metodo che, unito al volo elettrico alimentato a batteria, segna un cambiamento significativo rispetto alla propulsione convenzionale. Negli aerei che sfruttano pile a combustibile, l’idrogeno viene convertito in energia elettrica e questa aziona un motore elettrico e una ventola/elica per generare la spinta. Le principali emissioni delle pile a combustibile sono principalmente H2O e calore residuo.

 

 

 

 

Per quanto riguarda la propulsione a batteria chimica, i sistemi elettrici a batteria hanno rivoluzionato il trasporto terrestre e vari altri mercati, portando a progressi significativi nelle capacità operative e nelle proprietà di stoccaggio dell’energia. I sistemi a batteria destinati all'aviazione presentano evidenti vantaggi, poiché non emettono emissioni dirette durante il funzionamento. Inoltre, offrono una maggiore efficienza della trasmissione end-to-end rispetto ai tradizionali motori a reazione e alla propulsione a idrogeno. A titolo di esempio, uno studio ha calcolato che per avere 1 MJ alla ventola di un aereo servirebbero circa 1,3 MJ generati da un sistema elettrico a batteria, circa 4,1 MJ da un sistema a pile a combustibile, circa 5,2 MJ da un sistema a combustione di idrogeno e circa 5,7 MJ da un sistema basato sul SAF.

Malgrado la maggiore efficienza, i sistemi elettrici a batteria devono affrontare numerose sfide nell’aviazione commerciale

Il problema principale è dato dall’energia specifica relativamente bassa, che nel prossimo futuro li renderà adatti soprattutto agli aerei con carichi leggeri e a corto raggio. Ciononostante, il comparto aereo ha adottato sistemi elettrici a batteria integrando velivoli più elettrici, andando a sostituire i sistemi di alimentazione del motore e di attuazione idraulica con alternative elettriche in modo da migliorare l’efficienza complessiva del sistema e ridurre il peso. Il passaggio verso l’elettrificazione ha inoltre promosso numerosi studi che indagano su configurazioni di velivoli completamente elettrici e ibridi-elettrici. Tuttavia, tali studi indicano che non è fattibile, nel breve e medio termine, disporre di sistemi dotati di batterie di accumulo e completamente elettrici a bordo degli aerei da trasporto commerciale; inoltre, confermano che le configurazioni appena ibridate offrono solo modesti miglioramenti per quanto attiene all'efficienza del carburante.

 

In conclusione, il settore dell’aviazione è chiamato a superare sfide mai viste prima se intende ottenere una tempestiva e corretta transizione verso la decarbonizzazione. Eppure, per ognuna di queste sfide il settore ha davanti a sé un’opportunità unica: quella di innovarsi e soddisfare gli obiettivi di decarbonizzazione.