#AeroAESA Dracarys: nuova energia per il volo! – I collegamenti tra dipendenza dal petrolio e sostenibilità

Nella mattinata di venerdì 25 marzo, Airbus ha fatto volare per la prima volta un A380 alimentato totalmente da combustibile SAF, Sustainable Aviation Fuel. La Total Energies ha fornito 27 tonnellate di carburante che hanno spinto per circa tre ore i motori Rolls Royce Trent 900 dell’aereo passeggeri più capiente del mondo.

Diversamente da quanto ampiamente riportato, l’A380 non ha volato con olio di frittura, ma il concetto era simile! Il SAF non è un derivato del petrolio, bensì viene prodotto con esteri idro-lavorati ed acidi grassi detti HEFA, privi di composti aromatici e zolfo. Il componente principale è l’olio alimentare a cui sono miscelati altri grassi di scarto, ed è diverso dai biocarburanti che sono derivati da canna da zucchero o cereali, sia per l’impatto ambientale sia per il processo produttivo. Infatti, un carburante per essere davvero sostenibile non deve impattare sulle colture esistenti e sugli ecosistemi da cui deriva: l’utilizzo di scarti permette di non entrare in competizione con la normale filiera agricola, al contrario degli esempi citati, perché permette di non consumare suolo e risorse utili all’agricoltura tradizionale. Il problema che ne caratterizza l’utilizzo è principalmente il costo, nonostante esso sia esente dalle fluttuazioni del mercato petrolifero che stiamo vivendo in questo periodo di incertezza. In un mondo in cui la popolazione continua a crescere a dismisura, il mercato degli scarti avrà certamente un boom negli anni a venire, e ricavandone biofuel si potranno prevenire anche i disastrosi effetti del rilascio in natura degli oli esausti.

Il valore di emissione determinato dall’ICAO per quanto riguarda il kerosene tradizionale è di 89 gCO2e/MJ (questa unità di misura, i grammi di CO2 emessa per ogni MegaJoule di energia prodotto si riferisce all’intensità di emissione). È chiaro che un biofuel, per essere considerato tale deve sottostare a questo valore, oltre a rispettare alcune prerogative produttive, mantenendo la massima sicurezza nell’utilizzo. La normativa si riferisce per ora ai soli aerei civili equipaggiati con motori a turbina, e allo stato attuale ha certificato cinque diversi processi produttivi per la trasformazione delle varie materie prime in biofuel. Tutti i biocarburanti autorizzati sono del tipo drop in, con cui si intende che: non richiedono modifiche a motori e sistemi-carburante degli aeromobili esistenti e tantomeno ai sistemi di stoccaggio a terra; possiedono circa le stesse caratteristiche di sicurezza ed efficienza del kerosene tradizionale; non limitano le prestazioni dell’aeromobile; permettono il blend con kerosene senza alterarne le proprietà. L’obiettivo che si pongono le compagnie aeronautiche è quello di azzerare le emissioni di carbonio derivanti dall’aviazione entro il 2050, e i percorsi delineati suggeriscono che il SAF potrebbe contribuire fino al 70% di questa riduzione.

Già all’inizio del nuovo millennio vennero condotti degli studi riguardo i biocarburanti: particolarmente importanti furono i risultati ottenuti dalla Jatropha Curcas, un arbusto non commestibile diffuso nelle zone tropicali e che cresce in zone aride, apprezzata specialmente perché non compete con altre coltivazioni ma aiuta nella lotta alla desertificazione ed al consumo di suolo. I primi test in volo furono condotti nel 2008 sfruttando, su diversi aeromobili, solo un motore alimentato con una miscela al 50% di biofuel e kerosene tradizionale, tenendo gli altri in funzione normalmente. Data l’importanza strutturale dei biocarburanti per il contenimento di costi ed emissioni di gas serra nell’industria aeronautica (che oggi incide per il 2% sulle emissioni totali globali), i due colossi Airbus e Boeing nello stesso anno stipularono un accordo per collaborare sulla ricerca dei biofuel, e si può affermare che queste nuove fonti di energia non sono destinate al dimenticatoio dopo un breve servizio al termine del TG della domenica: l’esempio dell’A380 della scorsa settimana ne è testimone.

Esistono normative internazionali che definiscono composizione chimica, proprietà fisiche ed altri requisiti che deve avere un carburante avionico. I parametri più importanti sono il GED (Gravimetric Energy Density) ed il VED (Volumetric Energy Density) che valutano il “potere calorifero” del prodotto. Esse consentono la presenza di acqua, sia sospesa (rende la miscela opaca), sia in soluzione: se le quantità sono troppo elevate c’è il rischio che i sistemi di stoccaggio abbiano dei problemi oppure che il propellente stesso perda le sue proprietà.
Alcuni punti caratteristici nella scala della temperatura del combustibile sono: il cloud point, determinato dalla temperatura in cui il liquido inizia a gelare localmente, pur mantenendo la viscosità per passare nei condotti; il pour point che è la temperatura minima a cui si può ancora considerare fluido; il pumpability point, al di sotto del quale le pompe non riescono a portarlo dai serbatoi nel motore. Inoltre, per legge, non deve solidificare al di sopra dei -47°C.

Parlando di combustibili tradizionali, sul mercato esiste una grande varietà di propellenti aeronautici, che ovviamente cambiano in base alla motorizzazione dei velivoli ed al costo.
La AvGas, benzina avionica, viene utilizzata sugli aerei di piccole dimensioni con motore a scoppio: si è evoluta nel corso degli anni per sottostare alle normative anti-piombo ed attualmente è disponibile nella versione 100LL, a 100 ottani con un contenuto di piombo massimo di 0,56 g/L (Low Lead). Questo particolare tipo di verde si differenzia dalla benzina comune per la ridotta pressione di vapore che le permette di restare liquefatta anche in quota, dove la volatilità più bassa evita il pericoloso fenomeno del vapor lock, cioè la formazione di vapore nei condotti del carburante che intaccherebbe la stabilità dell’erogazione della spinta.
Il cherosene, nella versione Jet-A1, è il combustibile comunemente impiegato sui jet civili. Raffinato dal petrolio, la sua temperatura di ebollizione è tra i 180 e i 250 °C e si posiziona nella parte alta della torre di frazionamento, al di sotto della benzina. La sua composizione chimica dipende comunque dal tipo di greggio utilizzato e dalla lavorazione che subisce, ma in generale una molecola è composta da catene carboniose di 12-15 atomi e sono presenti degli anelli aromatici che prevengono le perdite, gonfiando le tenute ma causando depositi di sedimento. Nonostante venga reso più sicuro con degli additivi anticorrosivi e antistatici, il suo costo è minore rispetto a quello di altri idrocarburi per il minor grado di raffinazione. Per quanto riguarda i jet militari, si utilizza attualmente il JP-8, molto simile al combustibile “civile” tranne che per la presenza dell’etere monometilico del glicole etilenico, additivo antighiaccio. In passato ci si serviva del Wide-Cut-Fuel: una miscela, formata al 30% da cherosene e per il restante 70% da benzina, affetta da grossi problemi di sicurezza per la facilità con cui si incendiava a bordo. Gli aerei ed elicotteri imbarcati su navi e portaerei bruciano oggi un tipo di cherosene ancora diverso per rendere più sicuro lo stoccaggio a bordo, dato che tutti i combustibili aeronautici si deteriorano facilmente e bisogna continuamente controllarne lo stato. Per dei velivoli particolari quali il North American XB-70 Valkyrie ed il Blackbird SR-71 furono sviluppati nuovi jet propellant che resistessero bene ad altissime quote e velocità fino Mach 3.
Infine, per i razzi ed i velivoli con endoreattori, si usa il Rocket Propellant 1 (RP-1), molto più raffinato del propellente tradizionale.
Per necessità economiche, le compagnie aeree e petrolchimiche svilupparono nuovi tipi di combustibili non direttamente derivati dal petrolio: i synthetic jet fuels. Questi si sintetizzano a partire da una miscela di CO e H2 detta SynGas, e si differenziano per la provenienza della materia prima: il coal to liquid è il processo che ottiene la SynGas dal carbone, il gas to liquid la trasmuta da gas di estrazione mentre il biomass to liquid sfrutta biomasse di origine vegetale. Si usa per tutti la denominazione SPK (Synthetic Paraffinic Kerosene). Il loro ciclo di produzione è però altamente inquinante per l’atmosfera ed il suolo; inoltre, a causa dell’assenza di composti aromatici, c’è il rischio che si infiltrino attraverso le tenute, motivo per cui si tende ad utilizzare sempre un blend di combustibili sintetici e tradizionali.

E per gli aerei elettrici? La tecnologia attuale delle batterie non permette ancora di poter volare in modalità full-electric. In primis, perché le batterie di oggi non sono efficienti per mantenere in funzione per lunghe tratte dei motori aeronautici; in secondo luogo, perché le basse temperature ad alta quota sono un problema anche per i sistemi di accumulo che vedrebbero nettamente diminuite le riserve di energia elettrica.
Dello scorso mese è anche la notizia dell’accordo raggiuto tra il colosso europeo Airbus e CFM International, una joint venture tra General Electric e Safran Aircraft Engines, per collaborare nella produzione di un sistema di alimentazione e spinta a Idrogeno, al fine di programmare un volo dimostrativo da tenersi con un A380 entro la metà di questo decennio. L’obiettivo è mettere in servizio i primi velivoli a zero emissione entro il 2035, come previsto dal programma ZEROe di Airbus.

Per approfondire il tema della sostenibilità in campo aerospaziale, stiamo organizzando una conferenza. Rimanete dunque sintonizzati sui nostri canali!


Fonti:
https://www.wired.it/article/aerei-elettrici-batterie/
https://www.enac.gov.it/ambiente/impatto-ambientale/le-emissioni-gassose/gli-alternative-fuels
https://aerospacecue.it/jet-fuels-combustibili/19983/
https://www.tuttosulvolo.it/curiosita/combustibili-aeronautici/
https://www.aviation-report.com/primo-volo-di-un-airbus-a380-alimentato-al-100-da-carburante-sostenibile-per-aviazione-saf/
https://www.airbus.com/en/newsroom/press-releases/2022-02-airbus-and-cfm-international-to-pioneer-hydrogen-combustion