I carburanti sintetici sono davvero sostenibili?

Nel 2020 il settore dei trasporti ha assorbito circa 100 EJ (equivalenti a 27.778 TWh) di energia su un totale di 410 EJ consumati globalmente. Sia l'Unione Europea che l'Italia hanno evidenziato come il trasporto su strada sia responsabile di una quota rilevante delle emissioni di CO₂, rendendo urgente l'adozione di strategie efficaci per la sua decarbonizzazione.

Oggi ci troviamo di fronte a due principali opzioni tecnologiche per affrontare questa sfida: l'elettrificazione diretta tramite batterie e l'utilizzo di carburanti sintetici (e-fuels) prodotti attraverso processi Power-to-X. Entrambe le soluzioni presentano vantaggi e limitazioni che devono essere attentamente valutati per identificare i percorsi più efficaci verso una mobilità sostenibile. Un'interessante ricerca condotta dal Dipartimento per l'energia dell'Università di Pisa offre una delle panoramiche più ampie per capire nel dettaglio cosa significa davvero la sostenibilità per i trasporti.

Il quadro attuale dei consumi e delle emissioni

I dati relativi al 2019 in Italia mostrano una significativa variabilità nei consumi energetici dei veicoli tradizionali, con importanti differenze legate alla tipologia di veicolo e al contesto di utilizzo. Le autovetture a benzina, dotate di motori a scoppio, registrano consumi medi di circa 10,58 litri per 100 km in ambiente urbano. Lo stesso veicolo, quando utilizzato in zona extraurbana, riduce il proprio consumo a 6,90 litri per 100 km. Questo si traduce in emissioni che variano da 65,6 grammi di CO₂ per chilometro in contesti urbani fino a 161 grammi di CO₂ per chilometro complessivi.

Per comprendere meglio l'impatto di questi dati, consideriamo un esempio concreto: un'auto a benzina che percorre annualmente 15.000 km, di cui 10.000 in ambiente urbano e 5.000 in ambiente extraurbano, produrrà circa 1,57 tonnellate di CO₂ all'anno. Questo valore è significativamente superiore agli obiettivi di emissione definiti per le nuove immatricolazioni nell'Unione Europea.

Un aspetto preoccupante emerso dall'analisi è la discrepanza tra i valori di consumo ed emissione rilevati in condizioni reali di utilizzo e quelli registrati durante i test di omologazione. Questa differenza sottolinea la necessità di approcci più realistici nella valutazione delle prestazioni ambientali dei veicoli e, soprattutto, di interventi strutturali per ridurre effettivamente le emissioni del settore dei trasporti.

L'elettrificazione dei veicoli

L'elettrificazione dei veicoli rappresenta una delle strategie più promettenti per la decarbonizzazione del trasporto su strada. Al centro di questa transizione si trovano le batterie, in particolare quelle a base di litio, che hanno conosciuto negli ultimi anni un rapido sviluppo tecnologico.

Sul mercato sono disponibili diverse chimiche di batterie, ciascuna con caratteristiche specifiche: Le batterie LCO (Litio-Cobalto-Ossido), LMO (Litio-Manganese-Ossido), NMC (Nichel-Manganese-Cobalto), NCA (Nichel-Cobalto-Alluminio), LFP (Litio-Ferro-Fosfato) e LTO (Litio-Titanato) presentano differenti prestazioni in termini di energia specifica, densità energetica e potenza.

Ad esempio, le batterie NMC, ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici di ultima generazione, offrono energie specifiche comprese tra 146 e 230 Wh/kg e densità energetiche che variano da circa 270 a oltre 4400 Wh/L. Per comprendere il significato pratico di questi valori, consideriamo che un'auto elettrica equipaggiata con una batteria NMC da 60 kWh, con un'energia specifica di 200 Wh/kg, avrà un pacco batterie del peso di circa 300 kg, capace di garantire un'autonomia di circa 400 km in condizioni ottimali.

Lo sviluppo delle tecnologie di accumulo è oggetto di intensi investimenti a livello globale. La Cina ha implementato un ambizioso piano quinquennale per lo sviluppo delle batterie a ioni di sodio, mentre l'Unione Europea, attraverso la European Battery Alliance, sta promuovendo la creazione di una filiera integrata per la produzione di batterie sul territorio europeo. Parallelamente, gli Stati Uniti hanno definito il National Blueprint for Lithium Batteries, una strategia nazionale per rafforzare la propria competitività in questo settore cruciale.

Particolare attenzione è rivolta allo sviluppo delle batterie a stato solido, che promettono di superare alcune delle limitazioni delle attuali tecnologie, offrendo maggiore sicurezza, densità energetica superiore e tempi di ricarica più rapidi. Sebbene queste batterie siano ancora in fase di sviluppo, il loro potenziale impatto sulla mobilità elettrica è considerevole.

I carburanti sintetici: processi Power-to-X

I carburanti sintetici, o e-fuels, rappresentano un'alternativa complementare all'elettrificazione diretta. Questi combustibili sono prodotti attraverso processi Power-to-X, che partono dall'elettricità rinnovabile per generare vettori energetici utilizzabili nei motori a combustione interna.

Il processo di produzione inizia con la generazione di idrogeno verde (e-hydrogen) tramite elettrolisi dell'acqua. Questo processo richiede un consumo specifico di circa 50 kWh di energia elettrica per ogni kg di idrogeno prodotto, corrispondente a un'efficienza di conversione del 67% secondo le migliori tecnologie attualmente disponibili.

L'idrogeno così ottenuto viene successivamente trasformato in diversi carburanti sintetici attraverso reazioni chimiche con CO₂ o azoto. Tra i principali e-fuels troviamo: il metanolo sintetico (e-methanol), prodotto dalla reazione tra idrogeno e CO₂, con un potere calorifico inferiore di circa 5,6 kWh/kg. L'e-diesel, ottenuto attraverso processi più complessi che coinvolgono la sintesi Fischer-Tropsch, con caratteristiche simili al diesel convenzionale. L'e-ammoniaca, derivata dalla reazione tra idrogeno e azoto atmosferico, che può essere utilizzata sia come carburante che come vettore per il trasporto dell'idrogeno stesso. Il DME sintetico (e-DME) e il metano sintetico (e-methane), che offrono alternative interessanti per applicazioni specifiche.

Le proprietà di questi e-fuels variano considerevolmente. Ad esempio, l'idrogeno presenta un potere calorifico inferiore di 33,3 kWh/kg, molto superiore a quello del metanolo sintetico (5,6 kWh/kg). Tuttavia, quando si considera la densità energetica volumetrica, i carburanti liquidi come l'e-diesel offrono vantaggi significativi rispetto ai combustibili gassosi come l'idrogeno, con differenze che possono raggiungere 3-4 ordini di grandezza.

Per illustrare questa differenza, consideriamo che per immagazzinare la stessa quantità di energia contenuta in 50 litri di e-diesel (circa 500 kWh), sarebbero necessari circa 4.000 litri di idrogeno compresso a 700 bar. Questa enorme differenza in termini di densità energetica ha importanti implicazioni per lo stoccaggio e il trasporto di questi vettori energetici.

Un confronto tra batterie ed E-Fuels

Il confronto tra elettrificazione diretta e utilizzo di e-fuels deve considerare l'efficienza complessiva del sistema, valutata attraverso un'analisi "well-to-wheel" (dal pozzo alla ruota). I veicoli elettrici a batteria presentano un'elevata efficienza energetica, con perdite limitate nella conversione dell'energia elettrica in movimento. L'elettricità prodotta da fonti rinnovabili viene trasferita alle batterie con un'efficienza di circa il 90%, mentre la conversione dell'energia dalle batterie alle ruote avviene con un'efficienza del 80-90%. Complessivamente, l'efficienza well-to-wheel dei veicoli elettrici può raggiungere il 70-75%.

In contrasto, la produzione di e-fuels comporta diverse fasi di conversione energetica, ciascuna associata a perdite significative. La produzione di idrogeno tramite elettrolisi ha un'efficienza del 67%, mentre la successiva trasformazione in carburanti sintetici comporta ulteriori perdite. A queste si aggiungono le energie richieste per la compressione o la liquefazione dell'idrogeno: la compressione a 700 bar richiede tra 5,3 e 6 kWh/kg, mentre la liquefazione può necessitare fino a 15 kWh/kg.

L'efficienza complessiva del percorso Power-to-X-to-Wheel varia a seconda del carburante sintetico considerato, ma generalmente si attesta tra il 20% e il 30%, con valori compresi tra il 44% e il 55% per la fase "well-to-tank" (dal pozzo al serbatoio). Per comprendere l'impatto pratico di questa differenza di efficienza, consideriamo un esempio concreto: per percorrere 100 km con un veicolo elettrico di medie dimensioni sono necessari circa 15-20 kWh di energia elettrica. Per coprire la stessa distanza con un veicolo alimentato a e-fuels, il fabbisogno di energia elettrica primaria sale a 50-60 kWh, considerando le perdite nelle varie fasi di conversione.

Dal punto di vista delle emissioni, i veicoli elettrici a batteria eliminano quasi completamente le emissioni locali, contribuendo a migliorare la qualità dell'aria nelle aree urbane. Le emissioni associate alla produzione di energia elettrica dipendono dal mix energetico utilizzato, ma con l'aumento della quota di rinnovabili, l'impronta carbonica dei veicoli elettrici è destinata a diminuire progressivamente.

Gli e-fuels, sebbene comportino emissioni durante la combustione, possono essere considerati neutri dal punto di vista del carbonio se la CO₂ utilizzata nel processo produttivo viene catturata dall'atmosfera o da processi industriali. Tuttavia, la minore efficienza energetica complessiva implica un maggiore fabbisogno di energia rinnovabile per unità di distanza percorsa, con conseguenti maggiori costi e requisiti infrastrutturali.

Strategie di implementazione

La transizione verso una mobilità a basse emissioni richiede un approccio integrato che sfrutti le complementarietà tra elettrificazione diretta e utilizzo di e-fuels. I veicoli elettrici a batteria rappresentano la soluzione più efficiente per il trasporto urbano e per i tragitti di medio raggio, dove le infrastrutture di ricarica possono essere implementate in modo capillare. Ad esempio, per un pendolare che percorre quotidianamente 50 km, un veicolo elettrico con un'autonomia di 300-400 km rappresenta la soluzione ottimale in termini di costi operativi ed emissioni.

Gli e-fuels, invece, trovano la loro naturale applicazione in quei settori dove l'elettrificazione diretta presenta maggiori difficoltà tecniche o logistiche. Il trasporto pesante su lunghe distanze, ad esempio, può beneficiare dell'elevata densità energetica dei carburanti sintetici, che consente autonomie superiori e tempi di rifornimento rapidi. Un camion che percorre 800 km al giorno potrebbe trovare negli e-fuels una soluzione più pratica rispetto all'utilizzo di batterie di grandi dimensioni.

Un altro ambito di applicazione degli e-fuels è rappresentato dalla transizione del parco veicoli esistente. La sostituzione completa dei veicoli a combustione interna con veicoli elettrici richiederà tempi lunghi; nel frattempo, l'utilizzo di e-fuels compatibili con i motori esistenti può contribuire a ridurre l'impronta carbonica della flotta circolante.

Verso una mobilità sostenibile 

L'analisi dettagliata delle due principali vie per la decarbonizzazione del trasporto su strada evidenzia come entrambe le soluzioni – elettrificazione diretta e utilizzo di e-fuels – possano contribuire alla transizione verso una mobilità sostenibile.

L'elettrificazione diretta tramite batterie si configura come la soluzione più immediata ed efficiente dal punto di vista energetico, particolarmente adatta per il trasporto urbano e per i tragitti di medio raggio. Gli e-fuels, nonostante la minore efficienza complessiva, rappresentano una valida alternativa complementare, soprattutto per quei settori dove l'elettrificazione diretta presenta ostacoli tecnici o logistici.

La sfida futura risiede nell'integrazione armoniosa di entrambe le tecnologie, supportata da investimenti mirati e politiche di transizione energetica. Solo attraverso un approccio integrato sarà possibile garantire una mobilità sostenibile e resiliente, capace di rispondere alle esigenze di un mondo in continua evoluzione e di contribuire efficacemente alla lotta contro il cambiamento climatico.

In questo contesto, il ruolo delle istituzioni e delle politiche pubbliche sarà determinante per creare un quadro normativo favorevole all'innovazione e per incentivare l'adozione di soluzioni a basse emissioni. Parallelamente, l'industria dovrà accelerare gli investimenti in ricerca e sviluppo, mentre i consumatori saranno chiamati a modificare le proprie abitudini di mobilità, privilegiando soluzioni più sostenibili.

La strada verso la decarbonizzazione del trasporto su strada è complessa e richiederà sforzi coordinati da parte di tutti gli attori coinvolti. Tuttavia, le tecnologie necessarie sono già disponibili o in fase avanzata di sviluppo, e i benefici in termini di riduzione delle emissioni e miglioramento della qualità dell'aria sono tali da giustificare pienamente gli investimenti richiesti.