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Zero Emission Vessels: le navi prive di emissioni

Zero Emission Vessels

Le navi prive di emissioni

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In apertura: la strategia dell’IMO per la decarbonizzazione del trasporto marittimo prevede di raggiungere nel 2050 l’obiettivo minimo di dimezzare, rispetto

al livello attuale, le emissioni di gas a effetto serra (greenhouse gases) da parte delle navi; questo obiettivo verrà raggiunto impiegando provvedimenti

normativi già previsti nei settori operativo (per esempio ottimizzazione della rotta o limitazione della velocità) e tecnico-progettuale (aumento dell’efficienza

energetica della nave), ma rimarrà un «emission gap» per colmare il quale è necessario prevedere l’impiego di nuove tecnologie, nuovi combustibili e nuovi provvedimenti (IMO action to reduce greenhouse gas emissions from international shipping, disponibile nella mediateca dell’IMO alla pagina

https://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/Reducing-greenhouse-gas-emissions-from-ships.aspx).

Claudio Boccalatte

Ammiraglio ispettore del Genio Marina proveniente dal Genio Navale, dopo aver terminato il servizio attivo nel 2017 come Direttore del CISAM di Pisa, è attualmente nella posizione di ausiliaria. È entrato nell’Accademia navale di Livorno nel 1975 e ha conseguito con lode la laurea in Ingegneria navale e meccanica presso l’Università degli Studi di Genova. Collabora con varie riviste, e in particolare con la Rivista Marittima dal 1992; dal 2006 cura la rubrica Scienza e tecnica. È Fellow della Royal Institution of Naval Architects, Presidente della Sezione della Spezia dell’ATENA (Associazione di Tecnica Navale) e Presidente del Consiglio Direttivo dell’Associazione Amici del Museo Navale e della Storia.

L’opinione pubblica mondiale è sempre più sensibile al problema dell’inquinamento globale, nelle sue diverse forme, tra cui quella dell’emissione di gas a effetto serra, come l’anidride carbonica (CO2) che viene prodotta dalla combustione di tutti i combustibili fossili contenenti carbonio, incluso il gas naturale. La comunità internazionale, rappresentata dalle diverse organizzazioni che gravitano attorno alle Nazioni unite, e in primo luogo dall’Assemblea generale, si è posta ambiziosi obiettivi per la riduzione delle emissioni nei prossimi decenni. Nel settembre 2015 l’Assemblea generale ha approvato una lista di 17 obiettivi di sviluppo sostenibile (1) per l’anno 2030, cui sono collegati 169 obiettivi numerici (target). Tra gli obiettivi ci sono l’energia rinnovabile e accessibile (obiettivo 7) e la lotta contro il cambiamento climatico (obiettivo 13).

Anche il mondo del trasporto marittimo è chiamato a dare il suo contributo, e l’organizzazione internazionale responsabile per la produzione delle regole che le navi mercantili devono rispettare, l’IMO (International Maritime Organisation), sta studiando tecnologie e combustibili alternativi per arrivare prima possibile a operare commercialmente navi prive di emissioni dannose per l’ambiente, chiamate ZEV (Zero Emission Vessels, unità navali a emissioni nulle). In particolare l’IMO ha sviluppato una strategia nei confronti dei gas a effetto serra, chiamata GHG strategy (GHG: GreenHouse Gas, gas a effetto serra), che prevede come obiettivo minimo una riduzione delle emissioni di gas a effetto serra del 50% nel 2050 rispetto alle emissioni del 2008, e l’eliminazione completa delle emissioni non appena tecnicamente possibile a partire dallo stesso 2050, e comunque entro la fine del XXI secolo. Per raggiungere questo obiettivo, considerando che la vita media di una nave mercantile è di almeno 20-30 anni, occorrerà che le prime navi senza emissioni entrino in servizio attorno al 2030.

La stessa sfida interessa anche altri settori dei trasporti, ma per ognuno di essi esistono soluzioni differenti; per esempio nel settore automotive oggi si prevede, almeno in Europa, un rapido abbandono del gasolio impiegato nei motori diesel per la propulsione delle autovetture e dei mezzi da trasporto leggero (furgoni), e una più lenta transizione dai combustibili tradizionali per motori a ciclo Otto (benzina e gas naturale) verso i veicoli a propulsione interamente elettrica, facenti uso di batterie avanzate agli ioni di litio: a partire dal 2050 molti scenari prevedono, infatti, che vengano prodotti solo veicoli a propulsione elettrica. In altri settori, come il trasporto pesante su ruote, il trasporto aereo e quello marittimo, invece, giocheranno un ruolo importante i nuovi combustibili liquidi a effetto serra ridotto o nullo, i LCF (Low Carbon Fuel), ottenuti con processi produttivi che eliminano o bilanciano la produzione di anidride carbonica, come i biocombustibili, combustibili di origine biologica considerati a emissione di anidride carbonica globalmente nulla, in quanto, nel corso del loro ciclo produttivo, quando sono ancora dei vegetali, assorbono dall’atmosfera una quantità di CO2 pari a quella che viene emessa dalla loro combustione. Il biocombustibile di prima generazione, che già oggi costituisce il 5-6% della benzina che viene erogata dai distributori europei, presenta alcuni svantaggi, principalmente perché viene prodotto impiegando superfici che potrebbero essere utilmente utilizzate per la produzione di vegetali per il consumo umano, e verrà sostituito dai biocombustibili di seconda e terza generazione, che impiegano prodotti di scarto (liquami degli allevamenti di animali, rifiuti e sottoprodotti dell’industria alimentare con elevato contenuto oleoso, materie plastiche di scarto, ecc.) oppure particolari coltivazioni che forniscono un elevato contenuto di energia e crescono su terre che non potrebbero produrre raccolti idonei all’impiego come cibo, oppure an-

Un’immagine della settantatreesima riunione del MEPC (Marine Environment Protection Committee) dell’IMO, svoltasi a Londra nell’ottobre 2018. Nel corso della riunione, cui hanno partecipato i rappresentanti delle nazioni, è stato concordato un programma di lavoro per raggiungere gli ambiziosi obiettivi di riduzione dei gas a effetto serra stabiliti dall’organizzazione (imo.org).

In basso: la copertina dello studio Zero-Emission Vessels 2030: How do we get there?, pubblicato dalla società di

classifica britannica Lloyd’s Register (LR), in collaborazione con la società di consulenza UMAS (University Maritime Advisory Service) - (lr.org).

cora alghe marine (in questo settore sono particolarmente avanzati gli studi negli Stati Uniti, con un impianto pilota che dovrebbe produrre combustibile dalle alghe su larga scala nel 2025).

Tornando al settore delle unità navali mercantili, un recente studio della società di classifica britannica Lloyd’s Register (LR), in collaborazione con la società di consulenza UMAS (University Maritime Advisory Service) ha identificato sette possibili nuove tecnologie di propulsione a impatto ambientale nullo, cioè idonee per gli ZEV. Queste tecnologie sono: — propulsione elettrica a batterie; — propulsione ibrida elettrica e a idrogeno; — celle combustibile a idrogeno; — motori a combustione interna a idrogeno; — celle combustibile ad ammoniaca; — motori a combustione interna ad ammoniaca; — biocombustibili.

Altri tipi di propulsione a emissione nulla non sono stati considerati, sia per motivi di accettabilità da parte dell’opinione pubblica (è il caso della propulsione navale nucleare, abbandonata per le navi mercantili da alcuni decenni), oppure perché non considerati idonei alla propulsione di unità mercantili operative, come nel caso della propulsione eolica, che viene invece utilmente impiegata, in fase di transizione energetica, come sistema ausiliario su navi dotate di apparato motore tradizionale per ridurre i consumi e quindi l’impatto ambientale. Ognuna delle tecnologie è stata applicata per la propulsione di 5 diversi tipi di nave (Bulk carrier, portacontainer, petroliera, nave da crociera e traghetto RoPax), ipotizzando tre diversi possibili scenari nell’andamento dei prezzi, sviluppati per tenere conto delle incertezze nell’evoluzione del mercato dell’energia, cercando di coprire tutte le possibili evoluzioni. Ogni scenario è caratterizzato da una forma di energia «green», cioè a ridotto impatto ambientale, generalmente però ottenuto a un costo elevato. Di seguito una descrizione dei tre scenari: — primo scenario: Green Electricity. In questo scenario l’energia elettrica è prodotta principalmente da fonti rinnovabili, con largo impiego di sistemi per il recupero dell’anidride carbonica prodotta; in questo modo i prezzi dell’energia sono alti, ma l’impatto ambientale in termini di effetto serra è nullo se non negativo. Le batterie raggiungono elevati livelli tecnologici, ma i prezzi restano alti. L’idrogeno è prodotto a prezzi relativamente bassi da combustibili fossili e immagazzinato come gas compresso, mentre l’ammoniaca è prodotta impiegando energia elettrica «pulita» e idrogeno a buon mercato. Sono disponibili biocombustibili di terza generazione, che nella loro catena produttiva non generano emissioni;

— secondo scenario: Green Ammonia. In questo scenario è disponibile ammoniaca prodotta senza emissioni di gas serra. L’energia elettrica è prodotta, a prezzi contenuti, prevalentemente da combustibili fossili, le batterie vengono prodotte su larga scala provocando una riduzione dei prezzi. L’idrogeno è prodotto impiegando un mix di combustibili fossili ed energie rinnovabili, e sia le tecniche di immagazzinamento che la tecnologia delle celle a combustibile migliorano, ma con prezzi elevati. Sono disponibili biocombustibili di terza generazione, che nella loro catena produttiva non generano emissioni; — terzo scenario: Green Hydrogen. In questo scenario l’idrogeno è prodotto esclusivamente da fonti rinnovabili senza produzione di gas serra, ma a un costo elevato. La tecnologia delle celle a combustibile consente elevati livelli di efficienza, e il costo dei serbatoi d’idrogeno diminuisce. L’energia elettrica è prodotta, a prezzi contenuti, impiegando un mix di combustibili fossili e sorgenti rinnovabili, la tecnologia delle batterie raggiunge livelli elevati e il loro prezzo scende. L’ammoniaca viene prodotta a prezzi elevati e con livelli contenuti di emissioni a partire da energia a buon mercato ed idrogeno dal costo elevato. I risultati delle analisi effettuate sono riportati in termini economici, di rendimento dell’investimento effettuato per l’acquisto della nave, ponendo pari a 1 il rendimento più elevato e pari a 0 il più basso. In tutti gli scenari, la soluzione con l’impiego dei biocombustibili in sostituzione dei tradizionali combustibili fossili è quella che presenta il rendimento maggiore, mentre la soluzione elettrica a batterie è quella a rendimento più basso. Subito dopo i biocombustibili si classificano le soluzioni che prevedono l’impiego di ammoniaca come combustibile, seguite da quelle che prevedono l’impiego di idrogeno.

In ogni caso il rendimento di tutte le soluzioni di ZEV ipotizzate è sempre sostanzialmente inferiore rispetto a quello delle navi con propulsione tradizionale (motore a combustione interna e combustibile fossile), evidenziando la necessità di interventi normativi per rendere queste soluzioni competitive. Il prezzo di questi interventi è stato stimato in circa 250 dollari per tonnellata di anidride carbonica prodotta per i biocombustibili, e circa il doppio per ammoniaca e idrogeno. L’idrogeno, per poter essere trasportato allo stato liquido, deve essere mantenuto a temperature poco superiori allo zero assoluto (-253°C a pressione ambiente); il trasporto sotto forma di gas compresso (a pressioni che possono raggiungere i 700 bar) presenta altri inconvenienti, oltre a essere meno efficiente dal punto di vista volumetrico. L’idrogeno liquido rilasciato accidentalmente può causare la frattura fragile dell’acciaio al carbonio ed evaporare aumentando di centinaia di volte il proprio volume e trasformandosi in un gas altamente infiammabile che, se rilasciato al chiuso, può mantenersi separato dall’aria per periodo prolungati; grazie alle ridotte dimensioni delle sue molecole, l’idrogeno gassoso può passare attraverso molti materiali. L’idrogeno brucia con una fiamma invisibile e presenta un’elevata velocità di propagazione della fiamma, con conseguenti forti rischi di detonazioni nel caso di combustione all’interno di spazi confinati. I serbatoi per l’idrogeno gassoso compresso comportano rischi di esplosione nel caso di rottura dei serbatoi per le elevatissime pressioni in gioco; a queste pressioni una perdita può causare la combustione spontanea dell’idrogeno, con getti di fiamma (jet fires) pericolosissimi anche per la difficoltà di individuarli a occhio nudo.

L’ammoniaca (NH3), al cui impiego come combustibile navale è stato dedicato un articolo nel numero di aprile 2021 di questa Rivista, è un gas incolore, infiammabile, altamente tossico e corrosivo, con un odore molto forte e soffocante. È molto solubile in acqua, e normalmente è venduta in forma liquida; ha un contenuto energetico simile a quello dell’idrogeno e del metanolo, ma una bassa infiammabilità, il che è positivo per la sicurezza, ma la rende poco idonea per l’impiego nei motori a combustione interna se non in combinazione con un’altra sostanza che faciliti l’innesco della combustione. Il contatto e l’inalazione da parte degli esseri umani può portare a bruciature e asfissia; fortunatamente il forte odore sgradevole viene avvertito a livelli di concentrazione molto inferiori a quelli di effettivo pericolo.

I biocombustibili sono prodotti direttamente o indirettamente a partire da materiali organici, e sono classificati in base alla loro origine. Come già accennato, i biocombustibili di prima generazione sono prodotti direttamente da raccolti di vegetali impiegabili anche per l’alimentazione; tra di essi il bioetanolo prodotto mediante fermentazione a partire da cereali e zucchero, e il biodiesel ottenuto da olio estratto dai semi di colza (seed rape). I biocombustibili di seconda generazione sono prodotti da coltivazioni non alimentari, come il legno, i rifiuti organici e specifiche coltivazioni particolarmente idonee alla produzione di biomassa;

Il Palazzo Ducale di Venezia sommerso dall’acqua alta del 4 novembre 1966. L’aumento del livello del mare dovuto all’effetto serra porterebbe, secondo molti studiosi, a un aumento della frequenza e della gravità di questo tipo di fenomeni, se non si prendono in tempo provvedimenti correttivi (wikipedia.it).

Un’immagine del porto mercantile di Napoli che evidenzia la coesistenza di zone destinate alla nautica da diporto, al traffico passeggeri (traghetti e navi da crociera) e al traffico mercantile; è anche visibile la base militare con il molo san Vincenzo. Le zone portuali in ambiente urbano sono oggi considerate una possibile fonte di inquinamento per tutta la città e come tali sottoposte a un attento monitoraggio ambientale. In basso: una nave porta contenitori in uscita dal porto di Genova; il continuo aumento delle dimensioni delle navi da carico, in assenza di provvedimenti correttivi, le rende sorgenti sempre più importanti di gas a effetto serra (autore).

la terza generazione è costituita da coltivazioni ottimizzate quali le alghe. Sono funzionalmente equivalenti ai tradizionali combustibili liquidi di origine fossile, e compatibili con i motori e le infrastrutture esistenti; la loro integrazione nell’industria armatoriale appare quindi relativamente semplice. Il loro contenuto energetico è però inferiore a quello del gasolio (2), e quindi a parità di altri elementi forniscono potenze inferiori e richiedono serbatoi di dimensioni maggiori per ottenere la stessa autonomia.

Il biometanolo (metanolo prodotto da biomassa) è un particolare biocombustibile; alla pressione atmosferica è liquido in un ampio campo di temperature, tra -98°C e +65°C. È fortemente tossico per l’uomo, è difficile da individuare senza particolari apparati, e brucia con fiamma invisibile; rispetto ai combustibili di origine fossile, ha una densità inferiore e un minor potere calorifico, ma è molto infiammabile, con una temperatura d’infiammabilità abbastanza bassa (11-12°C). È solubile in acqua, per cui è impossibile rimuovere l’acqua che eventualmente entra nei serbatoi, con conseguenti problemi di densità energetica e di qualità della combustione. In conclusione i rischi principali di questo combustibile sono l’incendio, l’esplosione e il contatto con gli esseri umani.

Le batterie sono oggi basate su principi chimici molto diversi tra loro; anche solo limitandosi al tipo agli ioni di litio, oggi il più promettente, ci sono numerose varianti in termini di processi chimici, metodologie di fabbricazione e architetture, ognuna delle quali richiede specifici requisiti di costruzione e collaudo per mitigare i rischi di cedimento. Il rischio maggiore è probabilmente quello legato alla deriva termica, cioè al possibile riscaldamento incontrollato a seguito di danneggiamento meccanico, sovraccarico, corti circuiti o sfruttamento eccessivo della capacità. In ogni caso le prestazioni di queste batterie sono fortemente dipendenti dalla temperatura. Le conseguenze di un’avaria includono la fuoriuscita di gas tossici e infiammabili, l’incendio e l’esplosione. Le architetture impiegate sono generalmente basate su di una gerarchia di apparati, dalla singola cella al modulo, alla batteria, al sistema completo. Oggi il monitoraggio avviene principalmente sulle temperature e sui voltaggi a livello di batteria o di modulo, mentre avarie che possono avere gravissime conseguenze possono avere origine anche solo a livello di singola cella.

Le celle a combustibile sono reattori chimici al cui

interno sostanze chimiche impiegabili come combustibili, quali idrogeno, ammoniaca o metanolo, subiscono delle reazioni che generano elettricità, calore e acqua, senza produrre quindi alcuna emissione inquinante; inoltre, non avendo parti in movimento, non generano rumore e vibrazioni. Di grande importanza per la durata della vita di una cella a combustibile, che è un sistema molto costoso, è la purezza del combustibile impiegato. I principali rischi sono quelli delle reazioni incontrollate o secondarie e delle perdite di combustibile.

In conclusione, tutte le sette tecnologie identificate dallo studio del Lloyd’s Register sono considerate fattibili senza modifiche sostanziali alle tipologie di navi mercantili oggi impiegate, anche se per ognuna di esse sono state individuate delle aree tecnologiche che necessitano di investimenti prima di poter essere impiegate su scala industriale. Queste aree tecnologiche, molte delle quali sono comuni a diversi sistemi di propulsione, sono le batterie e i motori elettrici, le tecnologie di immagazzinamento dell’idrogeno e dell’ammoniaca, le celle a combustibile, i motori a combustione interna «dual fuel» a idrogeno o ad ammoniaca e i relativi sistemi di propulsione in emergenza mediante combustibile liquido, i reformer (3), i serbatoi per i biocombustibili e i motori a combustione interna ottimizzati per gli stessi biocombustibili.

L’introduzione dei sistemi di propulsione e dei combustibili innovativi del tipo «Zero Emission» comporterà dei rischi per la sicurezza, rischi che andranno identificati e studiati per mitigarli o gestirli. L’industria dello shipping ha impiegato decenni per ottimizzare la progettazione e la gestione delle navi che impiegano i tradizionali combustibili fossili, riuscendo a ottenere un tasso di incidenti abbastanza contenuto, applicando i principi base della prevenzione, detezione e ventilazione; principi che rimarranno validi, ma andranno adattati alle caratteristiche dei nuovi combustibili, i quali presentano, oltre a specifiche di sicurezza particolari, come la necessità di essere trasportato in forma criogenica per l’idrogeno, anche lo svantaggio di una minore densità energetica rispetto ai combustibili di origine fossile, con conseguente necessità, a parità di caratteristiche (portata, velocità e autonomia) di immagazzinare a bordo un quantitativo di combustibile maggiore. Saranno necessari rigorosi studi di analisi dei rischi e l’adozione di sofisticati sistemi di sicurezza e relative procedure in tutte le fasi, dalla progettazione, costruzione e collaudo alla gestione operativa e alle manutenzioni, oltre che una riqualificazione del personale mediante specifici corsi di formazione, tenendo presente che qualunque sistema di sicurezza è efficace solo quanto il personale che lo impiega e manutiene. 8

La copertina dello studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies. Al centro: la copertina dello studio Zero-Emission Vessels: Transition Pathways. We’re considering how to turn ambition into reality. In basso: la copertina dello studio Fuel production cost estimates and assumptions, pubblicate da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

Schema delle principali attività connesse con la produzione di idrogeno per l’impiego a bordo di unità navali a zero emissioni. Dallo studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, pubblicato da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

Schema delle principali attività connesse con la produzione di ammoniaca per l’impiego a bordo di unità navali a zero emissioni. Dallo studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, pubblicato da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

Schema delle principali attività connesse con la produzione di biocombustibili per l’impiego a bordo di unità navali a zero emissioni. Dallo studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, pubblicato da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

Schema delle principali attività connesse con la produzione di metanolo per l’impiego a bordo di unità navali a zero emissioni. Dallo studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, pubblicato da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

Schema delle principali attività connesse con l’impiego di batterie a bordo di unità navali a zero emissioni. Dallo studio Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, pubblicato da LR, in collaborazione con UMAS (lr.org).

NOTE

(1) SDGs, Sustainable Development Goals. (2) Dell’ordine dei 38 MJ/Kg (Megajoule/kilogrammmo) rispetto ai 46 MJ/Kg del gasolio di origine fossile. (3) I reformer sono componenti che estraggono da un combustibile, come il gasolio o l’etanolo, l’idrogeno che verrà poi impiegato per far funzionare la cella a combustibile.

BIBLIOGRAFIA

Zero-Emission Vessels: Transition Pathways, disponibile sul sito internet del Lloyd’s Register all’indirizzo http://info.lr.org/ZEV-transition-pathways. Zero-Emission Vessels 2030: How do we get there?, disponibile sul sito internet del Lloyd’s Register all’indirizzo https://www.lr.org/en/insights/articles/zev-reportarticle/. Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, lr.org. Fuel production cost estimates and assumptions, lr.org. Energy Transition Outlook 2020, https://eto.dnv.com/2020/#ETO2019-top. https://www.dnv.com/maritime/insights/topics/decarbonization-in-shipping/index.html. https://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/Reducing-greenhouse-gas-emissions-from-ships.aspx. Società di classifica Lloyd’s Register, lr.org. Società di classifica DNV-GL, dnv.com. IMO (International Maritime Organization), imo.org. Rivista della Lega Navale, settembre 2020, La propulsione ausiliaria a vela, Claudio Boccalatte. Rivista Marittima, aprile 2021, L’ammoniaca come combustibile navale, Claudio Boccalatte. Rivista della Lega Navale, gennaio 2021, L’IMO di Londra, organizzazione delle Nazioni Unite per il settore marittimo, Claudio Boccalatte.

(quali sale operatorie ,, terapie intensive(quali sale operatorie unità di sterilizzazione). Ne parliamo unità di sterilizzazione). Ne parliamo con i proprietari Enrico e Alberto con i proprietari Enrico e Alberto enturatoV Ve , che guidano con successo l’azienda

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Da anni collaborate anche con la Da anni collaborate anche con la Marina Militare Italiana. Marina Militare Italiana. Come avete iniziato?veteiniziatoo?

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Fincantieri

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gabinetto dentistico

, ginecologia , ginecologia e zona degenza in grado di e zona degenza in grado di ricevere fino a otto ricoverati acuti, ricevere fino a otto ricoverati acuti, otto trattamenti in codice rosso e otto trattamenti in codice rosso e otto pazienti in terapia intensiva . ”otto pazienti in terapia intensiva

aL collaborazione con le Marine collaborazione con le Marine internazionali sarà sempre più internazionali sarà sempre più nel vostro Dna, anche dopo nel vostro Dna, anche dopo l’esperienza del Covid? enturato:AlbertoVVe

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