Fondamentale per il commercio globale, il settore marittimo deve far fronte a crescenti pressioni per ridurre rapidamente la propria impronta di carbonio. Credito:Ian Taylor tramite Unsplash
È a tutto vapore per l'industria marittima europea poiché una nuova ondata di tecnologia per l'energia pulita è destinata a gettare fuori bordo le emissioni di gas serra.
La navigazione, sebbene essenziale per il commercio, contribuisce in modo significativo alle emissioni che causano il cambiamento climatico. Le spedizioni globali espellono il 3% dei gas serra (GHG) mondiali. Con l'industria marittima responsabile del trasporto di non meno del 90% del commercio mondiale, c'è una crescente pressione sul settore per ridurre rapidamente la propria impronta di carbonio.
"Il trasporto internazionale in mare aperto è una delle principali fonti di emissioni in Europa", ha affermato Syed-Asif Ansar, scienziato del Centro aerospaziale tedesco, DLR.
Anche se il 3% potrebbe non sembrare di dimensioni gigantesche, la crescita della domanda di spedizioni in tutto il mondo significa che le emissioni marittime stanno accelerando più velocemente della maggior parte degli altri settori, dice.
Senza un'azione, il trasporto marittimo potrebbe essere responsabile del 10-13% delle emissioni globali entro pochi decenni.
Carburante di transizione
Oggi, la maggior parte dei transatlantici e delle navi portacontainer si affida a motori diesel per generare elettricità per azionare la nave. L'Organizzazione marittima internazionale (IMO), l'agenzia delle Nazioni Unite responsabile della regolamentazione della navigazione, mira a ridurre della metà le emissioni delle navi oceaniche entro il 2050. Ciò richiede all'industria di impostare una rotta verso combustibili più puliti.
Un approccio consiste nell'abbattere il diesel e dirigersi verso il gas naturale liquefatto (GNL). Il GNL si forma quando il gas naturale (metano) viene raffreddato dalla forma gassosa a quella liquida, rendendolo 600 volte più piccolo in volume. Questo rende più facile il trasporto e lo stoccaggio. L'aumento della temperatura lo trasforma di nuovo in un gas.
Sebbene il GNL sia ancora un combustibile fossile, è incluso nella tassonomia dell'UE, che lo elenca come combustibile di transizione che aiuterà il passaggio alle energie rinnovabili nel prossimo futuro.
Rimozione fumi
Nel 2020 il progetto Nautilus si proponeva di sviluppare un nuovo tipo di motore a GNL che dimezzasse le emissioni di gas serra rispetto al diesel e rimuovesse completamente i gas di scarico del diesel, che contengono inquinanti nocivi per la vita marina e la salute umana.
Prendendo il nome dalla parola greca per marinaio, il progetto Nautilus sta ora costruendo un motore speciale nel DLR in Germania che funzionerà a GNL.
Questo motore contiene una cella a combustibile a ossido solido che trasforma il GNL in elettricità, senza bruciare il gas, e quindi alimenta una batteria. La cella a combustibile e la batteria insieme spingono la nave. Molta più dell'energia chimica del gas va nella propulsione che se fosse appena bruciata.
"La conversione dell'energia non è combustione, ma una conversione elettrochimica", ha affermato Ansar, leader del progetto Nautilus. "È molto più efficiente."
I combustibili a ossido solido esistono già, ma non nella scala utilizzata nel trasporto marittimo. Sono previsti per l'uso negli impianti di produzione di energia. Ma la tecnologia esistente è troppo ingombrante per le navi. "Il peso non è il problema principale sulle navi", ha detto Ansar, "ma il volume lo è".
I transatlantici
Considera anche che un tipico transatlantico richiede da 40 a 60 megawatt, all'incirca lo stesso consumo di energia di una città di circa 10.000 case. Allo stato attuale, i fornitori in Europa possono fornire solo unità di celle a combustibile a ossido solido per lo più inferiori a 10 kilowatt, una frazione di quanto necessario.
Il progetto Nautilus ha costruito grandi celle a combustibile fino a 30 kilowatt, che vengono poi combinate in bundle per raggiungere i 40-60 megawatt richiesti per le navi.
Il team mira a ottenere i test a terra certificati entro il 2024, con i test a bordo entro il 2026 e una nave passeggeri alimentata dal motore entro il 2030.
Il prossimo passo sarà quindi la nave portacontainer. Stanno pensando in grande. "Non vogliamo alimentare navi in applicazioni di nicchia", ha affermato Ansar. "Vogliamo prendere di mira l'elefante nella stanza, che sono le navi mercantili, le grandi navi passeggeri e altri transatlantici".
E poiché l'energia GNL genera ancora CO2 emissioni, il progetto guarda anche più avanti fino a quando questo combustibile fossile di transizione sarà sostituito da un'alternativa a basse emissioni di carbonio.
Metano verde
Inizialmente, il carburante verrebbe miscelato e poi sostituito da una forma rinnovabile di GNL, metano verde, generato utilizzando l'energia solare o eolica. Il metano verde non aggiunge emissioni nell'atmosfera.
For now, the ambition is to gradually replace diesel engines on ships with technology that taps into fuel cells, LNG and battery storage. Further challenges involve making the units robust enough for ocean voyages, of huge scale and able to operate under different loads.
But diesel and LNG are not the only options when it comes to powering ocean-going freighters and tankers. Another project seeks to clean up global shipping by embracing the potential of ammonia to energize the shipping industry.
Ammonia is widely used in the chemical industry and is best known as the key ingredient in fertilizer. Colorless and with a pungent smell, the fact that the ammonia molecule (NH3) is rich with hydrogen makes it perfect to adapt as a fuel. When used as a fuel, the only emissions are water, with no carbon present to make CO2 .
"There is a strong focus on ammonia as a possible alternative to fossil carbon fuel for propulsion," said Andrea Pestarino at RINA consulting in Italy, "But there is no commercial engine that can be installed right now onboard a ship." He coordinates the Engimmonia project, one of a number of initiatives worldwide seeking to tap ammonia to power shipping.
Energy dense
Ammonia is a relatively energy-dense means to store and transport green hydrogen generated by renewables. Liquid ammonia packs more energy into the same volume as liquid hydrogen, and can be stored at minus 33 degrees Celsius, as opposed to minus 253 degrees Celsius for hydrogen.
"Instead of storing hydrogen, you store ammonia," said Pestarino. In practice, this means you no longer need large pressurized tanks to store concentrated hydrogen gas, but can simply hold onto chilled liquid ammonia.
Nonetheless, care is needed to ensure no leakage, since ammonia is toxic and smelly. The project is tackling a further challenge; ensuring harmful nitrous oxide gases are scrubbed from exhaust fumes when ammonia is consumed.
It's the talk of the town in shipping circles. "Ammonia is currently seen as the most efficient way to decarbonize the shipping sector, especially propulsion," said Pestarino.
Green ammonia
Engimmonia is also out to transform technologies used on land into ship-shape tech ready for sea conditions. This requires strategies to recycle waste heat for electricity and air conditioning. There are also practical challenges such as where to fit solar panels onto container ships, which have very few free surfaces as they are designed today.
Suffice it to say the ammonia itself will need to be green ammonia, generated from renewable energy sources, in the same way that LNG will ultimately have to be replaced by green methane. At the moment, ammonia is not a carbon-free alternative because fossil-fuel energy is used in its creation.
Numerous initiatives are underway to navigate the shipping industry towards decarbonization, in line with the goals of the European Green Deal, a plan to make Europe the world's first climate neutral continent.
"We're bringing all the pieces of the puzzle together to make a viable system for the shipper," said Ansar. + Esplora ulteriormente
