Impatti climatici non CO2 dell'aviazione: Contrails

L'eliminazione del contributo del settore dell'aviazione al cambiamento climatico globale richiederà due importanti cambiamenti dal punto di vista tecnologico. Il primo è il passaggio dal tradizionale carburante per l'aviazione derivato dai combustibili fossili a una serie di vettori energetici più compatibili con il clima, tra cui l'idrogeno e i carburanti sintetici drop-in derivati dall'idrogeno, prodotti con processi a bassissime emissioni nette di gas serra, i biocarburanti ricavati da materiali di scarto e l'elettricità prodotta da generatori di energia a basse e zero emissioni di carbonio. La seconda strategia - su cui si concentra il presente documento - è la riduzione della formazione di nubi lineari ad alta quota, note come contrails. Come discusso in questo documento, le scie possono essere ridotte eliminando i composti chimici chiamati aromatici dal carburante per l'aviazione e indirizzando gli aerei verso le regioni dell'atmosfera che sono particolarmente suscettibili alla formazione di scie. Per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione della metà del secolo, il settore dell'aviazione deve perseguire entrambe le strategie: il cambio di carburante e la riduzione delle scie.   

Le emissioni di gas serra del settore aereo sono aumentate rapidamente negli ultimi decenni e nel 2019 rappresenteranno 920 milioni di tonnellate di emissioni globali di anidride carbonica (CO2) da combustibili fossili, rispetto ai 706 milioni di tonnellate del 2013. Tuttavia, l'aviazione ha altri effetti non CO2 sul cambiamento climatico derivanti dalle emissioni di NOx, vapore acqueo e aerosol. Secondo studi recenti, questi effetti non-CO2 possono avere un impatto sul clima molto maggiore rispetto alle emissioni di CO2 e potrebbero rappresentare due terzi dell'impatto totale del trasporto aereo sui cambiamenti climatici. 

Cosa sono le scie? 

Le scie di condensazione sono le nuvole a forma di linea visibili che si formano dietro un aereo quando vola ad alta quota. A livelli di volo tipici (~35000 piedi / 10000 metri, troposfera superiore), gli aerei incontrano talvolta le cosiddette regioni di saturazione del ghiaccio (ISSR). In queste regioni, l'umidità relativa rispetto al ghiaccio supera la saturazione (cioè, condizioni atmosferiche molto fredde e umide) e possono iniziare a formarsi nubi cirrose composte da cristalli di ghiaccio. D'altra parte, quando il carburante dei jet viene bruciato in modo incompleto nel motore, provoca l'emissione di una serie di componenti come CO2, H2O, SOx, NOx, CO, altri idrocarburi e particolato non volatile (nvPM) come la fuliggine. Quando il vapore acqueo e la fuliggine vengono emessi dagli scarichi degli aerei in ISSR, le particelle di fuliggine agiscono come nuclei di condensazione per il vapore acqueo, congelando e formando cristalli di ghiaccio. Quando l'umidità dell'ambiente circostante è elevata, queste particelle di ghiaccio continuano a crescere e alla fine formano delle scie che possono persistere nell'aria (vedi Figura 1). A seconda delle condizioni di umidità dell'atmosfera, alcune scie possono avere vita breve (fino a 10 minuti) ed evaporare subito dopo la loro formazione, mentre altre possono estendersi per chilometri e durare molte ore nel cielo (scie a lunga durata). Quando le scie a lunga durata mantengono una forma lineare, sono chiamate scie persistenti e possono durare fino a 10 ore. Quando si evolvono in forme irregolari, sono chiamate contrail cirrus e non sono facilmente distinguibili dai cirri naturali, persistendo per periodi di tempo più lunghi. Le scie possono ancora formarsi al di fuori dell'ISSR in aria più secca o più calda, ma hanno vita breve, coprono piccole aree e quindi hanno un impatto trascurabile sul clima. I cirri delle scie hanno un impatto sul clima simile a quello dei cirri naturali che si formano ad alta quota (15000-30000 piedi). I cirri riflettono una piccola parte della radiazione solare in entrata verso lo spazio e intrappolano una buona parte della radiazione infrarossa proveniente dalla Terra, producendo un effetto netto di riscaldamento, in contrasto con l'effetto netto di raffreddamento delle nubi basse (si veda uno schema semplificato nella Figura 2).  

Qual è il forcing radiativo delle scie?

Il forcing radiativo (RF) misura la differenza tra la radiazione in entrata e quella in uscita dalla Terra ed è il termine comunemente usato dagli scienziati per quantificare il riscaldamento globale. Quando un fattore di forzatura climatica (ad esempio, la CO2) fa sì che l'energia in entrata sia maggiore di quella in uscita, il pianeta si riscalda (RF positivo); quando l'energia in uscita è maggiore, si raffredda (RF negativo). I modelli climatici hanno dimostrato che la radiofrequenza associata ai cirri delle scie è circa nove volte superiore a quella delle sole scie a forma di linea persistente. Un recente studio che ha valutato le RF derivanti dai diversi effetti di CO2 e non CO2 dell'aviazione globale, ha stimato che la RF dei cirri dei contrail è la componente più grande tra tutte, e più grande della RF della CO2 accumulata in tutta la storia dell'aviazione, rappresentando più della metà del forcing radiativo totale in questo settore (vedi Figura 3). Tuttavia, è anche il termine con la maggiore incertezza, poiché dipende da molti fattori.

Contenuto aromatico nel carburante per aerei

La formazione di fuliggine sembra essere in gran parte associata al contenuto aromatico del carburante per aerei (in particolare il naftalene), che dipende dalla composizione del petrolio greggio o delle miscele di petrolio greggio utilizzate per produrre il carburante per aerei. Poiché le composizioni del greggio variano notevolmente a seconda dell'acquisto da parte delle raffinerie, anche il contenuto di aromatici può variare notevolmente nelle diverse partite di carburante per aerei fornite in tutto il mondo. L'esatta composizione del carburante per aerei utilizzato in un particolare velivolo è normalmente sconosciuta, poiché le diverse partite di carburante vengono mescolate negli impianti di stoccaggio degli aeroporti. Le norme internazionali sul carburante per aerei stabiliscono oggi un limite massimo del 3% e del 25% in volume di naftalene e di contenuto aromatico rispettivamente (con un contenuto medio effettivo del 2%-3% e del 15%-20% nel carburante per aerei venduto in Europa). Storicamente è stato stabilito anche un contenuto aromatico minimo dell'8% per motivi di sicurezza. Gli aromatici aumentano la densità del jet-fuel e favoriscono il rigonfiamento delle guarnizioni, garantendo una maggiore protezione dalle perdite ed evitando danni al sistema di alimentazione. Tuttavia, non c'è consenso nel settore sulla necessità di questo limite minimo e molti aerei e motori moderni utilizzano già guarnizioni che non richiedono la presenza di aromatici nel carburante.  

I ricercatori hanno stimato che la combustione di un carburante per aviazione a basso contenuto aromatico può ridurre la formazione di fuliggine del 50-70%. A sua volta, una riduzione dell'80% delle particelle di fuliggine nei gas di scarico potrebbe ridurre la formazione di contrail del 50%, sebbene vi sia un'elevata incertezza nell'entità dell'effetto che richiede migliori misurazioni e modellizzazioni. Quando la concentrazione di fuliggine è bassa, si formano meno cristalli di ghiaccio e più grandi, aumentando il tasso di sedimentazione e, quindi, riducendo la durata del contrail e la sua RF complessiva. Pertanto, la riduzione del contenuto di aromatici e naftalene nel carburante per aerei ridurrebbe la formazione di contrail.  

Come si possono ridurre gli aromi?

Gli aromatici nei carburanti possono essere ridotti attraverso un processo chiamato idrotrattamento. Questo processo è già ampiamente utilizzato per la riduzione e la rimozione dello zolfo e degli aromatici nel diesel. Nell'idrotrattamento, l'idrogeno viene utilizzato per saturare gli idrocarburi aromatici nel carburante in presenza di un catalizzatore. Questo processo riduce anche il contenuto di zolfo del carburante, migliorando la qualità dell'aria come effetto collaterale positivo (riducendo la formazione di SOx e quindi le piogge acide). Il diesel non trattato ha un contenuto di aromatici e naftalene significativamente più elevato rispetto al cherosene e quindi un'ulteriore riduzione degli aromatici nel carburante per jet (ad esempio, fino all'8% di aromatici e quasi allo 0% di naftalene) non dovrebbe teoricamente rappresentare un ostacolo tecnico significativo. Tuttavia, è importante notare che un'ulteriore riduzione degli aromatici/napthalene durante il processo di idrotrattamento ha le seguenti conseguenze per gli operatori di raffineria: 

1. È necessario (consumato) più idrogeno per rimuovere un maggior numero di aromatici/napthalene (~7,4 volte più idrogeno per ridurre gli aromatici e il naftalene rispetto all'idrotrattamento convenzionale per il jet fuel).  

2. A causa delle condizioni operative più severe richieste per ridurre gli aromatici/naftalene.   
   • È necessaria una quantità maggiore di catalizzatore per mantenere lo stesso tasso di produzione di carburante per jet e lo stesso tempo di funzionamento del catalizzatore. 
   • Senza aumentare la quantità di catalizzatore, sarebbe necessario un cambio più frequente di catalizzatore fresco. 
   • Potrebbero esserci vincoli metallurgici/operativi nel reattore di idrotrattamento a causa del maggiore rilascio di calore dovuto alla maggiore saturazione degli aromatici. 

L'approvvigionamento di idrogeno può essere una delle sfide per la riduzione degli aromatici, in quanto è un elemento costoso della raffinazione e la maggior parte delle raffinerie è solitamente a corto di scorte. L'attuale produzione di idrogeno emette inoltre quantità significative di gas serra che dovranno essere ridotte con metodi di produzione dell'idrogeno a basse emissioni di carbonio (ad esempio, elettrolizzatori alimentati da elettricità a basse emissioni di carbonio o l'applicazione della cattura e dello stoccaggio del carbonio ai processi di reforming del gas naturale e un rigoroso controllo delle emissioni di metano a monte per ridurre al minimo le perdite). Come già menzionato, per mantenere lo stesso tasso di produzione di jet fuel nella raffineria sarebbe necessario aumentare la quantità di catalizzatore utilizzato per l'idrotrattamento del cherosene. Ciò potrebbe essere fatto acquistando più reattori (o rinnovando quelli inattivi), oppure sostituendo il catalizzatore più spesso, il che richiederebbe un arresto più frequente dell'unità, aumentando i costi di produzione.  

In termini economici, la sostituzione dei catalizzatori necessaria per ottenere un contenuto aromatico inferiore nel jet fuel non dovrebbe avere un impatto rilevante sulle raffinerie. La durata tipica del ciclo degli idrotrattori di jet fuel è oggi compresa tra i quattro e i sei anni; dopo questo periodo, i catalizzatori devono essere sostituiti. Riducendo ulteriormente il contenuto di aromatici, la durata del ciclo si ridurrebbe a due o tre anni, come per le unità diesel. Inoltre, le quantità di catalizzatori applicate nelle unità a cherosene sono significativamente inferiori rispetto a quelle delle unità diesel. Tuttavia, sarebbero necessari investimenti finanziari e di tempo nelle raffinerie per ridurre il contenuto di aromatici nel jet fuel e attualmente non esistono incentivi legali o finanziari per ridurre ulteriormente la quantità di questi componenti. A prescindere dai benefici ambientali e dal contenuto energetico leggermente superiore di un carburante a basso contenuto di aromatici, le compagnie aeree potrebbero non trovare incentivi significativi ad acquistare un carburante più costoso. Limitare e monitorare il contenuto di aromatici richiederebbe la definizione di nuove norme e politiche. Tuttavia, se non viene fatto correttamente, c'è il rischio che i produttori di carburante decidano di non vendere nei mercati regolamentati, producendo carenze di carburante, o che le compagnie aeree decidano di rifornirsi negli aeroporti al di fuori delle regioni regolamentate.  

In che modo i carburanti sostenibili per l'aviazione possono contribuire a ridurre le scie?

I carburanti sostenibili per l'aviazione (Sustainable Aviation Fuels, SAF) sono una serie di carburanti non fossili prodotti in modo sostenibile e compatibili con i motori a reazione e le tecnologie di stoccaggio del carburante esistenti, in quanto le loro proprietà chimiche e fisiche sono quasi identiche a quelle del carburante a reazione convenzionale. I SAF, che possono essere prodotti da biomassa o da sistemi power to liquid (PtL), sono tipicamente a basso contenuto di aromatici e producono meno fuliggine quando vengono bruciati. Ciò significa che l'uso di SAF avrebbe un effetto simile alla riduzione del contenuto di aromatici nel carburante per jet convenzionale, sebbene il SAF possa anche aumentare le scie dell'1-8% a causa delle maggiori emissioni di vapore acqueo. L'effetto netto di questa maggiore presenza di contrail ma di minori emissioni di fuliggine (~ -52%) si traduce, tuttavia, in una diminuzione annuale del forcing radiativo netto di circa -44%.  

Come discusso nel rapporto 2022 di CATF, i biocarburanti da soli non saranno in grado di coprire l'intera domanda di carburante per l'aviazione, a causa della limitatezza delle materie prime di biomassa e di altri usi concorrenti (attualmente le automobili e i camion consumano la maggior parte dei carburanti derivati dalla biomassa, ma c'è una domanda crescente nei settori marittimo, dell'industria pesante e dell'energia). Nel frattempo, i PtL sono ancora agli inizi e ci vorrà del tempo per scalare. Il SAF disponibile per la miscelazione con il jet fuel convenzionale può contribuire a ridurre il contenuto aromatico. Ad esempio, è stato riscontrato che una miscela di HEFA al 50% con il carburante per jet convenzionale riduce la fuliggine del 50-70%. Il SAF ha anche il vantaggio di ridurre le emissioni di CO2. È necessario valutare le emissioni dell'intero ciclo di vita del SAF per assicurarsi che i benefici derivanti dalla riduzione delle scie non siano controbilanciati da un aumento delle emissioni nella produzione e nella consegna del SAF (ad esempio, un maggiore consumo energetico per la produzione di idrogeno e la sintesi del carburante, lunghi percorsi di trasporto, ecc.)  

Oltre al SAF, l'idrogeno potrebbe svolgere un ruolo importante nella decarbonizzazione dell'aviazione a lungo termine. Nei prossimi 10-15 anni, potremmo vedere disponibili in commercio aerei a idrogeno per pendolari, regionali e a corto raggio. I primi due utilizzerebbero celle a combustibile, mentre gli aerei a corto raggio potrebbero essere alimentati da un sistema ibrido di celle a combustibile e turbine a idrogeno, con le celle a combustibile utilizzate in crociera e le turbine in fase di decollo per fornire la spinta maggiore richiesta. Poiché l'idrogeno diventa un'opzione praticabile nel settore dell'aviazione, è ragionevole chiedersi se la formazione di contrail da parte degli aerei alimentati a idrogeno sia possibile. Il prodotto principale delle celle a combustibile a idrogeno è il vapore acqueo, mentre per le turbine a idrogeno sono il vapore acqueo e gli ossidi di azoto. Le emissioni di vapore acqueo sono 4,3 volte superiori negli aerei a idrogeno rispetto a quelli a combustibile convenzionale; uno studio recente ha rilevato che l'area globale coperta dalle scie dovrebbe aumentare del 70% per gli aerei alimentati a idrogeno liquido e a celle a combustibile. Tuttavia, poiché non viene prodotta fuliggine, i cristalli di ghiaccio creati sarebbero più grandi e meno numerosi. Come nel caso del carburante per jet a basso contenuto di aromatici e del SAF, la velocità di sedimentazione è più rapida con i cristalli di ghiaccio di grandi dimensioni, con conseguenti scie di breve durata. L'effetto netto è una riduzione di ~25% e ~20% dei cirri di contrail RF per le turbine a idrogeno e le celle a combustibile, rispettivamente, rispetto agli aerei convenzionali a cherosene. Tuttavia, sono necessarie ulteriori analisi e misurazioni in volo per ottenere una migliore caratterizzazione delle scie di idrogeno. Nell'ambito della tabella di marcia di Airbus ZEROe, nel 2022 l'azienda ha lanciato il programma di test "Blue Condor" in collaborazione con il Centro aerospaziale tedesco (DLR) per confrontare le scie formate dalle turbine a idrogeno e a cherosene, sperando di fare luce sugli impatti. Nel marzo 2023, Airbus e il DLR hanno lanciato anche la nuova campagna di test di volo VOLCAN per raccogliere informazioni sulle emissioni non CO2 e sulla creazione di scie da un A321neo alimentato al 100% da SAF. 

Fattori atmosferici che influenzano la formazione delle contrails

Tuttavia, la formazione delle scie dipende non solo dalla quantità di fuliggine emessa dall'aereo, ma anche dalle condizioni atmosferiche. Il numero di cristalli di ghiaccio iniziali che si formano è proporzionale al numero di particelle di fuliggine emesse, ma le condizioni atmosferiche determinano la formazione e la persistenza della scia. È stato stimato che solo il ∼12% di tutti i voli sulla regione del Nord Atlantico è responsabile dell'80% della forzatura energetica annuale delle scie. Oltre alla quantità di fuliggine contenuta nei gas di scarico, le forti scie di riscaldamento/raffreddamento sono associate a fattori quali i cambiamenti stagionali della radiazione e della meteorologia, l'ora del giorno e le nuvole di fondo. Nella regione dell'Atlantico settentrionale, le scie fortemente riscaldanti sembrano formarsi più comunemente di notte, durante l'inverno e sopra le nuvole a basso livello. Ad esempio, durante il giorno, le scie riflettono nello spazio parte dell'energia solare aggiungendo una componente di raffreddamento, un effetto che non si verifica durante la notte. In inverno, le ISSR sono più grandi in questa regione, il che aumenta il tempo in cui un volo transatlantico può creare contrails. Le ISSR sono tipicamente spesse alcune centinaia di metri e possono coprire decine o centinaia di chilometri di larghezza.  

L'ottimizzazione della rotta per evitare queste regioni, dove si possono formare contrails grandi e di lunga durata, può essere ottenuta attraverso un'efficace pianificazione del volo. I dati atmosferici (temperatura e umidità) e i buoni modelli di previsione possono essere utilizzati per identificare e prevedere la posizione delle ISSR e deviare la rotta di conseguenza. Nel 2021, il Centro di controllo dell'area superiore di Maastricht (MUAC) di EUROCONTROL, in collaborazione con la DLR, ha condotto la prima sperimentazione operativa al mondo per studiare la fattibilità della prevenzione delle scie da parte dei controllori del traffico aereo. Le prove si sono svolte da gennaio a dicembre 2021 tra le 15:00 e le 5:00 UTC (quando la probabilità di formazione delle contrail è più alta) coprendo lo spazio aereo del MUAC (Belgio, Lussemburgo, Paesi Bassi e Germania nord-occidentale), utilizzato dal 16% di tutti i voli che transitano in Europa. Gli obiettivi della sperimentazione erano valutare se la formazione di contrail può essere prevista con ragionevole accuratezza e testare le procedure per evitare contrail persistenti in tempo reale modificando il livello di volo. Durante la sperimentazione, ai voli è stato richiesto di deviare tatticamente il livello di volo (~2000 piedi / 600 metri in su o in giù) in base alle previsioni dell'ISSR. Nonostante il basso traffico aereo nel 2021 a causa della pandemia COVID, i risultati della sperimentazione hanno dimostrato che la prevenzione delle scie è fattibile dal punto di vista operativo, sebbene sia necessaria una migliore previsione dell'ISSR. È inoltre importante considerare che le deviazioni di rotta comportano una penalizzazione in termini di consumo di carburante, che si traduce in un costo maggiore per la compagnia aerea. Un maggiore consumo di carburante aumenta anche le emissioni di CO2 e, pertanto, il compromesso tra evitare le scie e aumentare le emissioni di CO2 deve essere analizzato attentamente in ogni caso. Un'altra soluzione suggerita da alcuni ricercatori è quella di utilizzare la scarsa SAF disponibile nella piccola percentuale di voli che causano le scie di riscaldamento più forti. Questa allocazione intelligente (ad esempio, applicando un tasso di miscelazione del 50% al 2% dei voli associati alle scie più calde) moltiplicherebbe i benefici per il clima di 9-15 volte.  

Quali misure si possono adottare per ridurre le scie?

Le scie dell'aviazione riscaldano il pianeta in media due volte di più delle emissioni di CO2. Nonostante l'elevata incertezza nelle stime del forcing radiativo, è ormai assodato che le scie producono un effetto netto positivo di riscaldamento dell'atmosfera, simile a quello dei cirri. I due fattori responsabili della formazione delle scie sono la quantità di fuliggine emessa dallo scarico del motore e le condizioni atmosferiche durante il volo. Una pianificazione del volo ottimizzata può contribuire a ridurre la formazione di contrails evitando l'ISSR, dove si formano le contrails più persistenti. È stato dimostrato che è possibile prevedere l'ISSR ed evitare la formazione di contrail, sebbene sia necessaria una maggiore precisione nella modellazione. Per ridurre la formazione di fuliggine, i raffinatori possono ridurre la quantità di aromatici (soprattutto naftalene) nel carburante per jet o le compagnie aeree possono utilizzare SAF con bassi livelli di aromatici.  

I legislatori di tutto il mondo dovrebbero stabilire misure per implementare regole di monitoraggio adeguate e limitazioni al contenuto aromatico del carburante per aerei come misura a breve termine, spingendo allo stesso tempo su misure che promuovano o richiedano l'adozione di forme di SAF compatibili con il clima. Ciò potrebbe essere fatto modificando gli standard sui carburanti per l'aviazione (ad esempio, ASTM) o creandone di nuovi. In alcune regioni si sta iniziando a considerare gli effetti non CO2, soprattutto per migliorare la comprensione degli impatti. In base alla recente revisione della direttiva ETS dell'UE, gli operatori aerei dell'UE dovranno monitorare e comunicare gli effetti non CO2 di ogni aeromobile che utilizzano a partire dal 2025. Sulla base dei dati raccolti, la Commissione europea potrebbe presentare una proposta legislativa per includere le emissioni non CO2 nell'ambito del sistema ETS. Nel Regno Unito, una delle sei misure introdotte nella strategia jet-zero si concentra sulla stretta collaborazione con il mondo accademico e industriale per comprendere meglio la scienza e le potenziali mitigazioni degli impatti non CO2. Analogamente, la Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti sta conducendo un programma di ricerca volto a migliorare la comprensione scientifica delle emissioni non CO2 degli aerei e del loro impatto. Sebbene gran parte di questa ricerca coinvolga le misurazioni satellitari, la FAA "sosterrà anche le misurazioni in volo delle scie e i partner industriali per valutare e convalidare le prestazioni di uno strumento [predittivo] in modo che possa essere utilizzato più ampiamente". L'adozione di SAF che riducono le scie negli Stati Uniti potrebbe essere favorita dal credito d'imposta per il carburante per l'aviazione sostenibile previsto dalla legge sulla riduzione dell'inflazione del 2022, che offre ai produttori di SAF qualificati crediti d'imposta per un valore compreso tra 1,25 e 1,75 dollari al gallone, a seconda dell'intensità di carbonio del carburante.  

Sia in Europa che negli Stati Uniti è necessario lavorare ulteriormente sullo sviluppo di politiche e altre misure che incoraggino o richiedano agli aeromobili di evitare gli ISSR, ove possibile, e/o di dare priorità all'uso di SAF sulle rotte di volo che sono responsabili della maggiore formazione di contrail. L'efficacia di entrambe le strategie dipende però dalla capacità dei pianificatori di volo di prevedere la posizione delle ISSR, per cui sono necessarie ulteriori ricerche da parte di agenzie governative come il DLR in Germania e la NASA negli Stati Uniti su come migliorare gli strumenti e le tecniche di previsione delle ISSR. 

CATF contribuisce ad affrontare queste sfide attraverso un'analisi rigorosa, la progettazione di politiche pubbliche, l'educazione del pubblico e l'advocacy. Nell'ambito di questo impegno, CATF sta attualmente lavorando a uno studio per comprendere i requisiti delle raffinerie esistenti per ridurre i precursori delle scie (cioè gli aromatici) nel carburante per aerei ai livelli necessari con le tecnologie attuali.