E-fuel

Ancora sulla gestione della crisi climatica

Gli e-fuel sono combustibili sintetici ottenuti combinando idrogeno e carbonio. Sono chimicamente identici ai corrispondenti prodotti di origine fossile: idrocarburi. Nel corso della raffinazione possono essere ottenuti combustibili diversi quali benzina, gasolio, metano, kerosene e Gpl.

Gli e-fuel non sono fonti di energia, perché tutt’al più l’energia che se ne può ricavare è quella spesa per la loro preparazione. Sono quindi dei vettori o veicoli di energia, come l’idrogeno da elettrolisi e l’elettricità. È questo un concetto fondamentale, che merita di essere approfondito.

Vettori di energia

Il più noto dei vettori di energia è l’elettricità. È comoda, l’elettricità: premi un pulsante, giri una manopola, manovri un cursore, e ottieni senza fatica l’effetto voluto, che può essere di vario genere, domestico, industriale o qualsiasi altro. Ma c’è un però: bisogna che qualcuno la produca, e per produrla occorre spendere altra energia da fonte fossile (carbone, olio, gas), rinnovabile (acqua, sole, vento), nucleare. Nel caso dell’acqua, la trasformazione avviene con rendimento molto elevato, negli altri casi il rendimento delle trasformazione è via via più basso, fino a raggiungere il minimo con il solare e il nucleare: non siamo ancora molto bravi a utilizzare queste fonti.

Quindi, l’energia elettrica serve per veicolare l’energia dell’acqua, del vento, del carbone ecc. verso lo scopo finale, e non è una fonte essa stessa. Analogamente, l’idrogeno da elettrolisi può restituire l’energia spesa per produrlo, e la stessa cose vale per gli e-fuel. In entrambi questi casi, si spende energia elettrica, a sua volta prodotta da altra fonte, per produrre idrogeno da elettrolisi e poi, nel caso degli e-fuel, altra energia elettrica, comunque prodotta, per combinarlo con il carbonio e ottenere degli idrocarburi di sintesi. L’origine di tutto, insomma, è sempre una fonte primaria (fossile, rinnovabile o nucleare) da usare per produrre energia elettrica, vettore di energia, per ricavare altri vettori di energia, idrogeno o e-fuel.

L’idrogeno è un combustibile che presenta vantaggi e ostacoli propri. Con il suo uso, in teoria si scarica all’atmosfera solo vapore d’acqua, la stessa acqua che si è scomposta per produrlo. In realtà, ci saranno anche degli ossidi d’azoto da rimuovere per via catalitica. Ma l’idrogeno, a causa della piccolezza e la leggerezza della sua molecola, è sfuggente più di qualsiasi altro elemento, e perciò è difficile da immagazzinare e da conservare: richiede, a parità di potere calorifico e di pressione, serbatoi di maggior volume, e basta poco per vederlo fuggir via e depositarsi negli strati alti dell’atmosfera.

Vantaggi precipui degli e-fuel

Il vantaggio specifico degli e-fuel sta nell’impiego di anidride carbonica per la sintesi, in combinazione con l’idrogeno da elettrolisi dell’acqua. Perciò, l’uso di questi combustibili restituisce all’atmosfera solo l’anidride carbonica usata per la loro preparazione.

Ma il vantaggio più accattivante è quello di permettere di continuare a usare gli stessi motori termici già esistenti, con le sole evoluzioni dettate dall’esperienza, ma senza la necessità di stravolgere l’industria. Veicoli di terra, mare e aria rimarrebbero simili agli attuali, e anche negli impieghi statici le differenze potrebbero essere molto modeste. In particolare, per navi e aerei questo vantaggio non può essere trascurato, perché al momento non esistono tecnologie che consentano di far volare gli aerei o far navigare le navi con altre forme di propulsione, salvo che si vogliano usare navi a vela o navi a propulsione nucleare. Per gli altri impieghi, bisogna mettere in conto i rendimenti.

Problemi aperti

Per gli e-fuel, i problemi aperti sono due: quello dei rendimenti finali e quello dei costi.

Per quanto riguarda i costi, devo dire che non ho le idee chiare, ma quel che si legge fa intendere che per i biocombustibili il costo attuale è intorno a 2 €, mentre per gli e-fuel è di 10 €. Questo, da solo, non dice niente, perché ci sarebbero molti distinguo da fare, e molti dettagli da analizzare.

il calcolo dei rendimenti

Per quanto concerne i rendimenti, proviamo a scandagliare diverse ipotesi derivanti dall’incrocio della fonte primaria usata per produrre energia elettrica e destinazione finale dell’idrocarburo sintetizzato, secondo la seguente tabella, che riempiremo con i dati calcolati nel seguito.

Prima di entrare in ciascuna casella della tabella, facciamo qualche distinguo.

• Per il carbone consideriamo dismesse tutte le tecnologie che risalgono a molti decenni fa, quali treni e navi che usano il carbone come combustibile e la gassificazione mediante gasogeno. Quel che resta è la combustione di polverino di carbone e l’utilizzo parallelo di coke e gas di cokeria.
• Per petrolio e gas, si considerano la combustione in caldaia e quella nelle turbine a gas. Teniamo da parte l’impiego del gas naturale come base della chimica fine.
• Per sole e atomo teniamo conto da un lato del basso rendimento con cui siamo in grado di utilizzare queste fonti, ma mettiamo in conto anche dell’economicità dei costi d’esercizio rispetto a quelli, gravosi, di investimento.
• Per acqua e vento, continua a essere prevalente il costo di investimento rispetto al costo d’esercizio, ma in questo caso, il rendimento è assai più elevato.
• Si intende l’energia elettrica usata come impiego tal quale, quindi senza utilizzarla per produrre e-fuel, ma impiegandola direttamente in motori elettrici o in altri impieghi diretti, come quelli domestici
• I motori diesel con combustibile di origine sintetica possono essere usati tanto per trazione (automezzi, treni, navi), quanto per impieghi fissi di natura industriale. Trascuriamo il caso di impiegare generatori diesel, per evitare che il cane si morda la coda.
• L’aviazione civile appare oggi il caso più specifico e evidente degli e-fuel, dato che al momento non esistono altri modi di far volare degli aerei. L’impiego diretto di idrogeno in aviazione appare ancora prematuro, anche se ci sono ricerche in materia.
• Si intendono gli usi domestici di combustibili di sintesi per climatizzazione invernale e produzione di acqua sanitaria non solo in casa, ma anche in ambienti di lavoro.

Il confronto dei rendimenti

A1. La produzione di energia elettrica da carbone presenta un rendimento intorno al 42%. Il rendimento di detto vettore impiegato su utenze elettriche varia a seconda delle condizioni d’impiego, ma si mantiene comunque su valori elevati. Si può stimare un rendimento complessivo intorno al 38%.

A2. La produzione di energia elettrica da idrocarburi presenta rendimenti più elevati di quelli relativi all’impiego di carbone, e nel caso di cicli combinati si va o intorno al 55% e oltre. Si può quindi stimare un rendimento finale intorno al 50%.

A3. Il rendimento con cui si produce energia elettrica dal sole e dall’atomo è basso, prossimo al 25%, ma il costo d’esercizio è molto modesto: i costi stanno tutti nell’investimento iniziale. Quindi, il confronto con le altre fonti, che appare di per sé impietoso, non dice tutto. In attesa di diventare più bravi a utilizzare queste fonti, stimiamo un rendimento finale intorno al 22-23%.

A4. I rendimenti di questa combinazione sono molto alti, ma la produzione di massa è ostacolata dalla disponibilità e dalla discontinuità delle fonti. Il rendimento finale è comunque superiore a 80%.

B1. Supponendo di usare motori diesel con rendimento del 40%, il rendimento finale è del 17% circa.

B2. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 22%

B3. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 10%

B4. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 36%

C1. Il rendimento di un motore aeronautico può essere stimato intorno al 30%, e quindi il rendimento finale vale circa il 12%

C2. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 17%

C3. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 8%

C4. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 27%

D1. Gli impieghi civili diretti di combustibili hanno rendimenti non discosti dl 80%, per cui il rendimento finale è del 33%

D2. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 44%

D3. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 20%

D4. Nelle stesse condizioni, il rendimento finale si attesta a 72%

Ecco che allora la nostra tabella diventa la seguente

Conclusioni

Qui giunti, ricordando che stiamo parlando di e-fuel e non d’altro e che le conclusioni li riguardano esclusivamente, cosa ne possiamo dedurre? Le seguenti conclusioni sono le più semplici:

• Dove possibile, l’impiego diretto di energia elettrica senza passare per gli e-fuel è preferibile, perché si evita un passaggio che abbassa il rendimento. Quindi, per trazione su strade e ferrovie, come pure per impieghi civili di climatizzazione invernale, la produzione di e-fuel dal punto di vista tecnico non si giustifica.
• Per navi e aerei, al momento non esiste la possibilità di evitare il passaggio dai combustibili e pertanto si deve cercare di usare energia elettrica ottenuta nella maniera più pulita ed economica.

E allora possiamo dire viva le auto elettriche e la pompa di calore, ma anche guai a non prevedere il ricorso agli e-fuel in mare e nell’aria.