Vai al contenuto principale

Impatti climatici non CO2 dell'aviazione: Contrails

18 ottobre 2023 Categoria: Trasporti Area di lavoro: Carburanti a zero emissioni di carbonio

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 guidando gli aeromobili intorno alle regioni dell'atmosfera che sono particolarmente suscettibili alla formazione di scie. Per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione di metà secolo, il settore dell'aviazione deve perseguire contemporaneamente entrambe le strategie: il cambio di carburante e la riduzione delle scie.

Le emissioni di gas a effetto serra dal settore dell'aviazione 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 soli 706 milioni di tonnellate del 2013. Tuttavia, il trasporto aereo ha altri effetti non legati alla CO2 sul cambiamento climatico, derivanti dalle emissioni di NOx, vapore acqueo e aerosol. Secondo studi recenti, questi effetti non legati al 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).


Figura 1: Formazione delle scie

Fonte: Kärcher 2018


Figura 2: Effetto delle nuvole sulla radiazione terrestre

Fonte: NASA


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 l'RF associato ai cirri delle scie è circa nove volte più grande di quello derivante dalle sole scie lineari persistenti. Un recente studio che ha valutato le RF dei 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.


Figura 3: Termini di forzatura radiativa effettiva (ERF) dell'aviazione globale

Fonte: Lee et al. 2021


Contenuto aromatico nel carburante per aerei

Il carburante per aerei è composto da n-paraffine (o n-alcani), iso-paraffine, cicloparaffine e aromatici, approssimativamente distribuiti in modo normale nell'intervallo di numero di carbonio C8 - C16 (vedi Figura 4). La formazione di fuliggine sembra essere in gran parte associata al contenuto aromatico del carburante per jet, che favorisce la nucleazione della fuliggine nelle zone ricche di carburante della camera di combustione. A sua volta, il contenuto aromatico dipende dal petrolio greggio o dalle miscele di petrolio greggio da cui viene prodotto il carburante per aerei. Poiché le composizioni del petrolio greggio variano notevolmente a seconda dell'acquisto da parte delle raffinerie, anche il contenuto aromatico può variare notevolmente nei diversi lotti di carburante per aerei forniti in tutto il mondo. L'esatta composizione del carburante per aerei utilizzato in un determinato velivolo è generalmente sconosciuta, poiché le diverse partite di carburante vengono mescolate nei depositi degli aeroporti. Le norme internazionali sul carburante per aerei stabiliscono oggi un limite massimo del 25% in volume di contenuto aromatico (con un contenuto medio effettivo del 15%-20% nel carburante per aerei venduto in Europa). Un contenuto aromatico minimo dell'8% è stato storicamente stabilito anche per considerazioni di sicurezza, in quanto gli aromatici sono noti per causare il rigonfiamento delle guarnizioni, il che fornisce una maggiore protezione dalle perdite ed evita danni al sistema di alimentazione. Tuttavia, al giorno d'oggi non c'è un chiaro consenso nell'industria sulla necessità di questo limite minimo, e un certo numero di aeromobili e motori all'avanguardia oggi utilizzano guarnizioni che non sembrano richiedere la presenza di aromatici nel carburante. Inoltre, uno studio del DOE (Dipartimento dell'Energia) degli Stati Uniti del 2020 afferma che gli aromatici sono necessari solo per garantire il rigonfiamento delle guarnizioni che sono state precedentemente esposte al carburante contenente aromatici e che le guarnizioni che non sono state precedentemente esposte al carburante non li richiedono. Lo studio fa riferimento a un volo di prova con il 100% di HEFA in un Boeing 777, anche se non vengono forniti ulteriori dettagli. Tuttavia, è necessario trovare una soluzione di transizione per la flotta legacy del mercato che avrà ancora bisogno di aromatici.


Figura 4: Composizione di un Jet A1 medio

Fonte: U.S. DOE 2020


Gli aromatici presenti nel carburante per aerei sono costituiti da molecole ad anello singolo (monoaromatici) e da aromatici a due anelli (diaromatici), come il naftalene. I di-aromatici (ad esempio il naftalene) hanno la maggiore tendenza a formare fuliggine durante la combustione rispetto ai monoaromatici e agli idrocarburi paraffinici. L'impatto del naftalene è stato dimostrato in una campagna DLR-NASA del 2021 che ha effettuato misurazioni sullo scarico di un A320 che bruciava diversi tipi di carburante per jet. Alcuni carburanti testati avevano un contenuto aromatico totale simile ma un diverso contenuto di naftalene. Il carburante con il più basso contenuto di naftalene ha mostrato la più bassa formazione di fuliggine e il più basso numero di particelle di ghiaccio (~8% di riduzione della fuliggine per una riduzione dello 0,3% di naftalene) rispetto ad altri con un più alto contenuto di naftalene. Uno studio precedente condotto su un motore turbofan ha mostrato una riduzione di ~3% della fuliggine per una sostituzione dello 0,3% di naftalene con monoaromatici al 65% di spinta del motore (tipico durante la crociera, dove si formano le scie). Al 100% di spinta (tipica durante il decollo), l'effetto del naftalene era indistinguibile. Anche il regime del motore ha un effetto sulla produzione di fuliggine, in particolare il rapporto carburante/aria, la pressione e la temperatura di combustione. A spinte elevate, gli altri prodotti della combustione incompleta influiscono più degli aromatici sulla formazione di fuliggine, mentre gli aromatici acquistano importanza a spinte inferiori. Questi test suggeriscono che un carburante per aerei contenente le specifiche minime di monoaromatici richieste dalle attuali norme sui carburanti per aerei (adatto per la flotta tradizionale), ma senza naftalene, ridurrebbe già in modo significativo la formazione di fuliggine. Le norme sui carburanti per aerei stabiliscono attualmente un limite massimo del 3% in volume di naftalene, con un contenuto medio effettivo del 2-3% nei carburanti per aerei venduti in Europa.

I ricercatori hanno stimato che la combustione di un carburante per l'aviazione a basso contenuto di sostanze aromatiche può ridurre la formazione di fuliggine del 50-70% (la riduzione maggiore deriva dal basso contenuto di naftalene). A sua volta, una riduzione dell'80% delle particelle di fuliggine nello scarico di un aereo potrebbe ridurre del 50% la formazione delle scie, 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 in particolare di naftalina nel carburante per aerei ridurrebbe la formazione di contrail.

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

I carburanti sostenibili per l'aviazione (SAF) sono un termine generico utilizzato per definire un insieme di carburanti prodotti in modo sostenibile, non derivati da fonti fossili, che sono generalmente compatibili con i motori a reazione e le tecnologie di stoccaggio del carburante esistenti, poiché le loro proprietà chimiche e fisiche sono molto vicine a quelle del carburante a reazione convenzionale. I SAF, che possono essere prodotti da biomassa o da sistemi power to liquid (PtL), non contengono praticamente aromatici e quindi, quando vengono bruciati, producono una quantità di fuliggine significativamente inferiore rispetto al carburante per jet convenzionale. Ciò significa che l'uso dei SAF avrebbe un effetto simile alla riduzione del contenuto di aromatici nel carburante per aerei convenzionale.

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 richiederanno tempo per crescere. Lo scarso SAF oggi disponibile per la miscelazione con il carburante per jet convenzionale può contribuire a ridurre la formazione di fuliggine. Ad esempio, è stato riscontrato che una miscela di HEFA al 50% con il carburante per jet convenzionale riduce la fuliggine del 50-70%. Poiché il SAF ha un contenuto di idrogeno più elevato rispetto al carburante per jet convenzionale, può anche aumentare la formazione di contrail a causa della maggiore quantità di emissioni di vapore acqueo che si formano durante la combustione. Tuttavia, l'effetto dell'aumento delle scie è più che compensato dalla riduzione delle emissioni di fuliggine. Ad esempio, se tutti i voli nella regione del Nord Atlantico fossero alimentati al 100% da SAF, si osserverebbe un aumento del +5% delle scie, ma una riduzione del -52% della fuliggine. Ciò si traduce in una diminuzione annuale del forcing radiativo netto di circa -44%.

Se viene mantenuta la specifica minima dell'8% di aromatici nel carburante per aerei, il 100% di SAF che non contiene aromatici non può (ancora) essere utilizzato come carburante per aerei. Per volare con il 100% di SAF, gli aromatici devono essere miscelati in modo che la miscela soddisfi il requisito minimo dell'8% di aromatici. Questo può essere fatto miscelando il SAF con il carburante per jet convenzionale (ad esempio, una miscela 50/50 di SAF (~0% di aromatici) con il carburante per jet convenzionale (~20% di aromatici) avrebbe un contenuto totale di aromatici pari a circa l'8-9%), anche se la miscela conterrebbe ancora un po' di naftalene proveniente dal carburante per jet fossile. In alternativa, i produttori potrebbero cercare di sintetizzare gli aromatici meno dannosi (monoaromatici) evitando il naftalene e miscelarli con il SAF per rispettare gli standard. Inoltre, se l'obiettivo è volare interamente con il SAF, questi aromatici devono essere prodotti da fonti non fossili. Un esempio di ciò è rappresentato da Virent. Grazie alla sua tecnologia Bioforming, Virent produce aromatici sintetici rinnovabili (Synthesized Aromatic Kerosene o SAK, contenente il 98% di monoaromatici e solo lo 0,1% di naftalene) a partire da zuccheri di origine vegetale, che possono essere aggiunti al SAF per raggiungere gli stessi livelli di aromatici del carburante per jet convenzionale, senza dover miscelare alcun carburante per jet fossile per soddisfare gli standard. La miscela può essere personalizzata per soddisfare tutte le specifiche del carburante per jet e può essere utilizzata come carburante drop-in per i voli 100% SAF. Virent sostiene che in diverse campagne di test di volo è stata ottenuta una riduzione della fuliggine del 50-70% a diverse altitudini e rapporti di miscela, simile alla riduzione della fuliggine ottenuta miscelando il SAF con il carburante fossile. Vale la pena notare che la maggior parte dei voli 100% SAF annunciati negli ultimi anni sono di questo tipo. Solo pochi di essi sono stati effettuati utilizzando SAF paraffinico puro al 100% (cioè senza aggiunta di aromatici), in genere utilizzando nuovi aeromobili che non richiedono aromatici.

Oltre alla riduzione delle scie, il SAF può anche ridurre le emissioni di CO2 rispetto al carburante per jet convenzionale. 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.)

Gli aerei a idrogeno segneranno la fine delle scie?

Oltre al SAF, l'idrogeno potrebbe svolgere un ruolo importante nella decarbonizzazione dell'aviazione a lungo termine. Nei prossimi 10-15 anni potremmo vedere 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, in cui le celle a combustibile vengono 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 principale sottoprodotto delle celle a combustibile a idrogeno è il vapore acqueo, mentre le turbine a idrogeno producono sia vapore acqueo che 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 a combustione di 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 dei carburanti a reazione 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 di CO2 e sulla creazione di scie da parte di un A321neo alimentato al 100% da SAF.

Come si possono ridurre gli aromatici nelle raffinerie di kerosene convenzionale?

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 significativamente più elevato di mono-, di- e tri- aromatici. Se necessario, sono disponibili catalizzatori e tecnologie per ridurre in modo significativo gli aromatici totali nel diesel. Questi stessi catalizzatori e tecnologie possono essere applicati per ridurre il contenuto di aromatici nel jet fuel (ad esempio, fino all'8% di aromatici e quasi allo 0% di naftalene). Tuttavia, è importante notare che la riduzione degli aromatici/naftalene durante il processo di idrotrattamento ha le seguenti conseguenze per le raffinerie:

  1. Per saturare i monoaromatici sono necessarie condizioni più severe (ad esempio, pressioni più elevate, tassi di alimentazione più bassi). Tuttavia, la maggior parte degli idrotrattori di cherosene nelle raffinerie opera a condizioni relativamente blande per rimuovere lo zolfo e/o migliorare la stabilità del colore e dello stoccaggio. Ciò significa che saranno necessari investimenti per rinnovare le unità esistenti o per costruirne di nuove che operino a condizioni più severe.
  2. In alcune unità esistenti, potrebbe essere possibile aumentare la severità operativa per ridurre ulteriormente gli aromatici, ma a causa delle condizioni operative più severe, sarà necessario un maggior quantitativo di catalizzatore per mantenere lo stesso tasso di produzione di jet fuel 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 progettuali e metallurgici/operativi nel reattore di idrotrattamento a causa del maggior rilascio di calore derivante dalla maggiore saturazione degli aromatici.
  3. Una maggiore saturazione degli aromatici comporta una maggiore necessità di idrogeno. Si stima che sia necessario un quantitativo di idrogeno 7-8 volte superiore per ridurre all'8% un cherosene contenente il 20% di 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 detto, 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.

Infine, è importante tenere presente che la riduzione del contenuto di aromatici nel jet fuel fossile avrebbe un impatto sui tassi di miscelazione del SAF. Come spiegato in precedenza, una miscela al 50% di SAF con jet fuel fossile contenente in genere ~20% di aromatici, produrrebbe una miscela di carburante con un totale di ~8-9% di aromatici. Miscelando con il SAF un jet fuel fossile a basso contenuto di aromatici (metà del contenuto tipico), si otterrebbe un carburante con un contenuto totale di aromatici ben al di sotto del minimo dell'8%. Questo limiterebbe la quantità di SAF che può essere miscelata a un jet fuel fossile che è stato idrotrattato per ridurre gli aromi. Il jet fuel fossile continuerà a far parte del mercato dell'aviazione nel medio termine, fino a quando non saranno disponibili altre opzioni scalabili di SAF non basate sulla biomassa. Tuttavia, la riduzione delle scie non può aspettare che il mercato del jet fuel diventi al 100% SAF. Per questo motivo, parallelamente allo sviluppo del 100% SAF e delle miscele SAF, è importante ridurre i precursori delle scie nel carburante fossile per aerei. Un'ulteriore analisi di diversi scenari che includano aerei legacy e moderni, SAF, jet fuel fossile a basso contenuto di aromatici e monoaromatici rinnovabili, fornirebbe maggiore chiarezza sui diversi percorsi e sulla loro fattibilità, considerando anche la disponibilità di biomassa. La soluzione più immediata e conservativa, date tutte le incognite, sarebbe la riduzione del naftalene a circa lo 0% nel carburante fossile per aerei.

Fattori atmosferici che influenzano la formazione di contrail

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 formati è proporzionale al numero di particelle di fuliggine emesse, ma sono le condizioni atmosferiche a determinare 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 delle rotte per evitare queste regioni in cui 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 di conseguenza le rotte di volo. 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. La sperimentazione si è svolta da gennaio a dicembre 2021 tra le 15:00 e le 5:00 UTC (quando la probabilità di formazione di 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 i livelli di volo. Durante la sperimentazione, ai voli è stato richiesto di deviare tatticamente i livelli 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-19, 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 aumento dei costi 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 contrail evitando gli ISSR, dove si formano le contrail 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 aerei 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 al contempo 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 legati al CO2, soprattutto per migliorare la comprensione degli impatti.

In base alla recente revisione della direttiva ETS, gli operatori aerei dell'UE dovranno monitorare e comunicare gli effetti delle emissioni di gas non CO2 di ciascun aeromobile da loro utilizzato 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. La revisione di ReFuelEU Aviation prevede anche l'obbligo per i fornitori di carburante di comunicare il contenuto di aromatici e naftalene nel carburante per l'aviazione fornito negli aeroporti dell'UE a partire dal 2025. I dati raccolti serviranno a migliorare la conoscenza degli effetti non-CO2. Nel Regno Unito, una delle sei misure introdotte nella strategia jet-zero si concentra sulla stretta collaborazione con il mondo accademico e l'industria 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 e del loro impatto. Sebbene gran parte di questa ricerca coinvolga le misurazioni satellitari, la FAA "sosterrà anche le misurazioni in volo delle scie da parte degli aerei e dei 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 studiando le opportunità offerte dai sistemi di raffinazione esistenti per ridurre i precursori delle scie nel carburante per aerei ai livelli necessari con le tecnologie attuali.

Misure chiave per ridurre le scie

  • Implementare i quadri MRV nella legislazione per monitorare la formazione delle scie.
  • Limitare il contenuto di aromatici (in particolare di naftalene) negli standard dei carburanti per aerei.
  • Accelerare la transizione verso il SAF, naturalmente a basso contenuto di aromatici
  • Modificare le rotte di volo per evitare le regioni atmosferiche inclini a produrre forti scie di riscaldamento.