Fonti di energia alternativa per gli aerei: volare green nel prossimo futuro

1. AUMENTO DELL’EFFICIENZA

Prima di pensare a ridurre l’uso dei combustibili fossili, si può tentare di aumentare al massimo l’efficienza degli aerei, così non solo si evitano sprechi, ma si rende anche più facile l’uso di fonti energetiche alternative, meno performanti.

Ci si lavora da almeno 50 anni, da quando cioè il petrolio ha cominciato a costare molto. Il risultato è che oggi un aereo di linea consuma circa il 50% meno di uno equivalente degli anni ’60. Il miglioramento si è avuto nell’aerodinamica, nei materiali e nei motori.

Ma ci stiamo avvicinando ai limiti teorici: difficile immaginare ulteriori, decisivi, passi avanti, a meno di cambiare del tutto la forma all’aereo.

È ciò che abbiamo proposto con il progetto Parsifal, che prevede la costruzione di biplani con fusoliera larga, un’ala che parte da sotto il corpo del velivolo e un’altra che parte dalla coda e si unisce alla prima con elementi verticali.

I calcoli e i prototipi ci dicono che un aereo fatto così consumerebbe il 20% in meno di un aereo tradizionale. Ma non sarà facile convincere i grandi costruttori aeronautici ad abbandonare la quasi secolare forma attuale: servirebbero enormi investimenti in ricerca e sviluppo.

Molto efficiente sarebbe anche “l’ala volante”, aerei costituiti solo da un’ala triangolare, come il bombardiere B-2 (foto sotto), molto più leggeri e aerodinamici. Ma, oltre ai problemi ricordati sopra, in questo caso i passeggeri dovrebbero anche stare chiusi dentro l’ala, senza finestrini.

VANTAGGI
Riduce i consumi e quindi emissioni, inquinamento e costi di volo.
SVANTAGGI
Non sono da aspettarsi decisivi progressi ulteriori, a meno di un’improbabile rivoluzione dell’architettura degli aerei.

2. BIOCARBURANTI E IDROGENO

- BIOCARBURANTI
Per abbassare le emissioni di CO₂ degli attuali aerei si potrebbero sostituire i carburanti da petrolio con altri simili ottenuti dalla raffinazione degli oli alimentari usati, o da zuccheri e oli di piante coltivate appositamente, comprese alcune alghe.
Le piante crescono assorbendo CO2 dall’aria; bruciando carburanti dai loro derivati non se ne aggiunge altra. È una soluzione che piace molto alle linee aeree, visto che si può applicare ai motori esistenti.
Già alcune mescolano percentuali di biocarburanti al cherosene, per testare il metodo e poter dire di stare già riducendo la propria impronta ambientale. Qantas, per esempio, usa miscele al 50% di biocarburante da oli vegetali, mentre Virgin impiega una miscela con biocarburante derivato dall’alcol su 700 voli.
Il problema è che l’aviazione civile brucia ogni anno circa 100 milioni di tonnellate di petrolio, molto più delle 72 milioni di tonnellate di tutta la produzione dell’olio di palma (sotto, nel Borneo), il più coltivato.
Sostituire del tutto il cherosene avio con biocarburanti vuol dire quindi sottrarre cibo o deforestare per produrne di più: la stessa International Air Transport Association prevede, del resto, che nel 2025 solo il 2% dei carburanti avio sarà bio.
VANTAGGI
Si possono usare negli attuali aerei; sostituire con essi tutto il cherosene ridurrebbe le emissioni di CO2 fino all’80% (non il 100% perché produzione, trasporto ecc. richiedono combustibili fossili).
SVANTAGGI
La loro produzione su grande scala entra in competizione con l’uso di terreno, acqua e fertilizzanti per l’agricoltura; non risolvono inquinamento chimico, rumore e scie di vapore.

- IDROGENO
L’idrogeno può essere prodotto a volontà scindendo la molecola dell’acqua con elettricità, così che bruciando non farà altro che restituire acqua all’aria: se l’elettricità è rinnovabile, quindi, le sue emissioni di CO2 sono nulle.
L’idrogeno rilascia tre volte tanta energia per unità di peso del cherosene, e può essere usato sia nei jet sia nei motori a scoppio o a turbina degli aerei a elica.
Questo lo rende una soluzione su cui puntano diversi costruttori: Airbus (foto sotto), per esempio, testerà un motore jet a idrogeno su un aereo-laboratorio, in vista di un primo modello di velivolo previsto per il 2035.
L’idrogeno, però, deve essere mantenuto liquido a -250 °C, per non occupare troppo volume, il che richiede apparecchiature criogeniche e contenitori ospitati nella fusoliera, quattro volte più ingombranti dei serbatoi di cherosene nelle ali, con una grossa diminuzione dello spazio utile al carico.
Anche il suo rifornimento negli aeroporti non sarà facile: quando si caricano i razzi spaziali con questo gas, si sgombera un’area intorno per 1,5 chilometri.
VANTAGGI
Se prodotto con rinnovabili annulla le emissioni di CO2; si può usare nei motori jet, a scoppio o elettrici, con poche modifiche; liquefatto ha una densità energetica superiore al cherosene; riduce molto l’inquinamento chimico; potrebbe essere prodotto negli stessi aeroporti grazie all’energia solare.
SVANTAGGI
Serbatoi e sistema criogenico vanno ospitati nella fusoliera obbligando a riprogettare gli aerei; i sistemi di rifornimento degli aeroporti andrebbero riconfigurati per l’uso di questo gas; nei jet non risolve il problema di scie di vapore e rumore.

3. CARBURANTI DERIVATI DALL’IDROGENO O E-FUEL E MOTORI ELETTRICI A BATTERIA

- CARBURANTI DERIVATI DALL’IDROGENO O E-FUEL
Dall’idrogeno, si può compiere un passo ulteriore e far reagire il gas con la CO₂ estratta dall’aria o da fumi industriali, ottenendo idrocarburi liquidi simili a quelli da petrolio.
La purezza di questi e-fuel, carburanti da elettricità, riduce anche inquinamento chimico e formazione di scie. Recentemente, il chimico Aldo Steinfeld, del Politecnico di Zurigo, ha dimostrato di poter produrre e-fuel dalla CO₂ e dall’umidità dell’aria, usando solo energia solare: secondo Steinfeld, grandi impianti di questo tipo posti nei deserti potrebbero alimentare l’intera aviazione mondiale.
Intanto all’aeroporto di Emsland, in Germania, è stato costruito un piccolo impianto sperimentale alimentato a elettricità eolica (sotto), in grado di produrre una tonnellata di e-cherosene al giorno. Al momento, però l’Ue prevede che nel 2030 solo lo 0,7% del carburante per aerei sarà un e-fuel.
VANTAGGI
Possono essere usati con gli aerei attuali; se realizzati con energia rinnovabile quasi annullano le emissioni di CO2; riducono scie di vapore e inquinamento chimico.
SVANTAGGI
Al momento sono sperimentali e costosissimi; tutti i vari passaggi produttivi fanno perdere il 70-80% circa dell’energia rinnovabile di partenza; non riducono il rumore.

- MOTORI ELETTRICI A BATTERIA
Un’elica può benissimo essere fatta ruotare da un motore elettrico, che è anche più affidabile e pesa meno di uno a scoppio. I motori elettrici, inoltre, non emettono, non inquinano e non fanno rumore.
Alimentati con batterie ricaricate a energia rinnovabile, quindi, risolverebbero in un colpo solo tutti i problemi di sostenibilità dell’aeronautica.
Sembrano l’uovo di Colombo, ma le batterie al momento sono circa 15 volte più pesanti del cherosene, a parità di energia utilizzabile, il che limita in proporzione carico e raggio di volo.
Le batterie, inoltre, necessitano di metalli rari e la loro produzione fa già fatica a coprire il mercato del trasporto su strada. Infine, con l’elettricità non si alimentano i motori a jet, che permettono velocità e quote maggiori di quelli a elica.
Ciò non toglie che esistano già aerei elettrici sotto ai 10 posti, per spostamenti intorno all’ora di volo: la slovena Pipistrel (foto sotto), per esempio, produce un aereo da turismo elettrico.
Se poi in futuro le batterie aumenteranno di molto la loro densità elettrica, si potrà pensare anche di realizzare velivoli elettrici più grandi: noi intanto stiamo collaborando a un progetto europeo per un aereo elettrico da 19 posti per il traffico regionale. Sopra ai 1.000 chilometri, però, credo che i jet rimarranno insostituibili.
VANTAGGI
Eliminano al 100% emissioni di CO2, rumore e inquinamento chimico.
SVANTAGGI
La scarsa densità energetica delle batterie ne limita per ora autonomia e carico; l’elettrico non è adatto per i jet; ci potrebbe essere carenza di metalli rari necessari alle batterie.

4. MOTORI ELETTRICI A IDROGENO E SISTEMI IBRIDI

- MOTORI ELETTRICI A IDROGENO
L’idrogeno può anche essere convertito di nuovo in elettricità, usando celle a combustibile, e con essa si possono alimentare motori elettrici.
Nel 2020, l’ingegnere aeronautico Roelof Vos, dell’Università di Delft (Paesi Bassi), ha realizzato un drone di questo tipo, con una apertura alare di 3 metri, che rappresenta il modello in scala ridotta di un possibile aereo commerciale da 350 posti del futuro.
L’aereo è una “ala volante” spinta da due eliche con motore elettrico, alimentate da idrogeno attraverso una cella a combustibile. Funziona benissimo, ma i vari componenti del sistema occupano i tre quarti dello spazio utile al carico.
Inoltre un aereo di questo genere, avrebbe un’autonomia molto ridotta rispetto a uno equivalente attuale. Un altro progetto è ZA600 di ZeroAvia (foto in basso).
VANTAGGI
Sono gli stessi degli aerei elettrici a batteria e di quelli a idrogeno; il rifornimento di idrogeno è molto più rapido della ricarica delle batterie; la densità di energia dell’idrogeno liquido è maggiore di quella delle batterie, aumentando l’autonomia.
SVANTAGGI
Oltre agli svantaggi dell’idrogeno e dell’uso di motori a elica, l’aggiunta delle celle a combustibile riduce ulteriormente lo spazio di carico e l’efficienza del sistema: la conversione dell’idrogeno in elettricità ha infatti un rendimento di solo il 50% circa.

- SISTEMI IBRIDI
In parallelo con le auto, una delle soluzioni a cui si pensa per abbattere le emissioni di CO2 dell’aviazione è l’uso di sistemi ibridi, accoppiando motori elettrici a batterie e motore a scoppio.
Come altri centri di ricerca europei stiamo lavorando a un aereo ibrido elettrico-termico, da 19 posti, per servire tratte intorno ai 300 km fra piccoli aeroporti europei e tra gli hub.
Combinare motori elettrici e termici, permette di contenere il peso delle batterie e di sfruttare, per esempio quando si atterra o decolla, i vantaggi di pulizia e silenziosità dell’elettrico.
È vero che, se si usano carburanti fossili nel motore termico, il vantaggio climatico dell’ibrido è minimo, però c’è la possibilità di alimentarli anche con biocarburanti, e-fuel o idrogeno, riducendo di molto le emissioni». Anche la Nasa, intanto, sta pensando ad aerei ibridi (foto sotto).
VANTAGGI
È un passo intermedio verso aerei a zero CO2, che pone meno problemi tecnici; se il motore elettrico è usato quando l’aereo è vicino a terra, riduce inquinamento e rumore.
SVANTAGGI
La riduzione delle emissioni, se non si usano carburanti a bassa emissione di CO2 per il motore tradizionale, è minima o nulla.

5. SEQUESTRO DELLA CO2

Si può anche lasciare tutto come ora, ma pagare qualcun altro perché estragga CO2 dall’aria in quantità pari a quelle emesse durante i voli, piantando foreste o catturando il gas sequestrandolo nel sottosuolo, come fa per esempio la svizzera Climework con il suo impianto Orca, da poco inaugurato in Islanda (foto sotto).

È una strada già percorsa da una cinquantina di compagnie aeree, come Easy Jet o Lufthansa, che lasciano ai passeggeri l’opzione di un sovrapprezzo sul biglietto per compensare il sequestro della CO₂ emessa per il loro trasporto in quel viaggio: una possibilità che crescerà molto in futuro.

Ma certo è più razionale non emettere CO₂ piuttosto che emetterla e poi estrarla da un’altra parte.
VANTAGGI
Non c’è da cambiare nulla rispetto a oggi, se non realizzare abbastanza progetti di riforestazione o impianti di sequestro e stoccaggio della CO2.
SVANTAGGI
Non è garantito nel tempo: la CO₂ può sfuggire dai depositi o gli alberi piantati morire; i prezzi sono ancora molto alti: Climeworks chiede circa 1.200 euro per tonnellata di CO₂ sequestrata, che è quanto emette per passeggero un grande aereo fra Roma e New York; non riduce né inquinamento chimico né rumore e non copre l’effetto riscaldante delle scie di vapore.

E QUINDI? Come si vede, non esiste il “proiettile magico” che risolverà in un colpo solo i problemi di sostenibilità dell’aviazione: ogni aerolinea, industria aeronautica e nazione userà mix diversi di soluzioni per cercare di migliorare la situazione, con progressi lenti e diseguali.
E c’è anche il rischio che, alla fine, molti facciano poco o niente, per evitare di sparire. Sì, perché l’industria del trasporto aereo è molto poco profittevole, i margini sono del 7-8% l’anno, quando va bene, ed è anche un settore con molta competizione.
Aggiungere spese per aumentare la sostenibilità, potrebbe mandare a picco non poche aziende del settore.
Il che vuol dire che senza aiuti pubblici e un procedere graduale e globale nell’imporre limiti e obblighi per non favorire i Paesi meno attenti all’ambiente, difficilmente si avranno rapidi e decisivi cambiamenti. Insomma, meglio che Greta Thunberg si tenga stretto l’abbonamento ferroviario. Pare dovrà usarlo ancora per molto tempo.