Innovazioni nella propulsione navale

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ARGOMENTO: ARCHITETTURA NAVALE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Propulsione

Tutto parte dalla progettazione
Tradizionalmente, la costruzione navale attraversa quattro fasi: l’ideazione delle specifiche, gli studi preliminari, il contratto e la definizione dei dettagli. Queste fasi sono modulate impiegando processi a “spirale” di analisi e verifica dei requisiti che vanno ad influire, tra le tante cose, nelle specifiche originali, nella fattibilità del progetto e nei costi.

Lo sviluppo tecnologico e normativo sta influenzando il processo consentendo di arrivare ad un prodotto finito in modo sempre più rapido ed efficiente. Questo approccio multidisciplinare richiede un maggior coordinamento dei gruppi di lavoro che devono confrontarsi continuativamente fra di loro per ottenere una gestione e automazione del flusso di lavoro anche nel caso si debbano in fase d’opera utilizzare sistemi diversi. La disponibilità di Software di gestione per il ciclo di vita del prodotto (PLM) facilitano il lavoro facendo risparmiare tempo che altrimenti sarebbe impiegato per superare le barriere di comunicazione fra i diversi specialisti per armonizzarne i requisiti. Quello che va compreso è che gli architetti navali sono di fatto degli ingegneri chiamati a studiare e trovare soluzioni in situazioni sempre più complesse.  

Come navigheranno le navi del futuro?
Uno dei problemi più scottanti è l’impatto ambientale provocato dai sistemi di propulsione nel campo marittimo a fronte delle emergenze legate alla crisi climatica in corso.

Secondo i dati forniti da Siemens, alla COP26 (2021) banche, assicuratori e investitori avevano stimato l’impegno di 130 trilioni di dollari [1] di capitale privato per finanziare la transizione energetica. Solo un anno dopo, alla COP27, il piano di attuazione di Sharm el Sheikh suggerì che potrebbero essere necessari sei trilioni di dollari solo per raggiungere gli obiettivi net zero globali.

Secondo GlobalData, sull’onda emotiva di fenomeni climatici sempre più estremi, il settore dei trasporti marittimi si sta adeguando alle nuove necessità. Verosimilmente l’attuale dipendenza da petrolio, carbone e gas nella produzione globale di energia diminuirà nel periodo che precede il 2035 mentre aumenteranno le iniziative per rimuovere il CO₂ dall’atmosfera (GlobalData stima un aumento di quasi cinque volte della capacità di segregazione del carbonio tra il 2023 e il 2030).

Cosa comporterà per il campo dell’ingegneria ed architettura navale?
Le catene di approvvigionamento dei materiali dovranno essere ripensate non solo per la sempre minore disponibilità degli stessi per i conflitti in atti ma anche per la constatazione della non sostenibilità degli attuali processi produttivi. Ad esempio, gli impianti attuali per la produzione degli acciai impiegano tecniche fortemente emissive per cui si dovranno presto trovare soluzioni meno inquinanti. Tra i tanti aspetti meritano di essere affrontati due aspetti: i carburanti del futuro e le batterie, con ricadute che toccheranno in qualche modo tutti i tipi di navi fino a quelle da diporto.

I carburanti
Per quanto concerne i carburanti per la propulsione, a torto o a ragione, si nota una crescente popolarità per la produzione di idrogeno prodotto utilizzando gas naturale. 

navi gasiere – photo credit andrea mucedola

A breve termine, il gas naturale liquido (GNL) offre un’alternativa conveniente ed a basse emissioni di carbonio per le navi ma, a medio termine, nuovi combustibili come metanolo e ammoniaca dovrebbero consentire ai cantieri navali di ridurre ulteriormente le emissioni di carbonio. Di fatto stanno nascendo bioraffinerie in seno ai maggiori fornitori petroliferi (BP, ENI e Chevron) che stanno investendo ingenti somme per abbassare i costi di produzione con l’obiettivo di produrre 100 milioni di barili al giorno (mbg) di biocarburanti entro il 2030. In campo nazionale, CONFITARMA, sulla base di risultati decisamente positivi del progetto di decarbonizzazione della flotta, ha avviato, a giugno 2021, un test di una miscela di biocarburante (B30) per alimentare la product tanker LR1 M/T Cielo di Rotterdam del Gruppo d’Amico. Il Joint Industry Project (JIP) ha evidenziato una riduzione di emissioni di CO₂ relative e assolute, ed emissioni di NOx stabili, di fatto dimostrando che le miscele di biocarburante B30 costituiscono una soluzione pratica e conforme al regolamento europeo sull’uso di carburanti rinnovabili a basso contenuto di carbonio per il trasporto marittimo (FUEL EU) che entreranno in vigore dal 1° gennaio 2025.

A seguito di questi risultati ed in anticipo rispetto all’entrata in vigore della nuova normativa, il Gruppo d’Amico ha certificato, attraverso l’amministrazione di bandiera, tutte le sue navi LR1 (Long Range 1) affinché possano operare permanentemente con una miscela di biocarburante B30. L’obiettivo futuro è di certificare l’intera flotta, testando e certificando anche i biocarburanti B40 e B50.

Per il lungo termine i produttori di combustibili alternativi stanno valutando l’impiego di idrogeno a basso costo e a basse emissioni. Secondo Siemens, sulla base dei gasdotti pianificati potrebbero essere prodotti ogni anno 22 milioni di tonnellate di idrogeno entro il 2030. Ciò porterebbe il tasso di crescita annuale composto (CAGR) [2] di idrogeno al 58% tra il 2020 e il 2025, ed un altro 20% tra il 2025 e il 2030. Questo includendo sia l’idrogeno blu che quello verde, prodotto tramite l’elettrolisi delle molecole d’acqua a energia rinnovabile, la cui produzione, secondo l’Unione Europea, salirà a 80 GW entro il 2030. Un valore di idrogeno verde che per il Giappone e la Corea del Sud salirebbe a 15 GW entro il 2040. Questa soluzione necessiterà forti investimenti in merito alla complessità dello stoccaggio (a causa della bassa densità l’idrogeno deve essere mantenuto a temperature bassissime ed in ambienti ad alta pressione per impedirne la dissipazione). 

Il problema delle batterie
Secondo GlobalData le entrate del settore delle batterie saranno superiori a 168 miliardi di dollari entro il 2030 rispetto ai 55 miliardi di dollari del 2020. I ricavi delle batterie al piombo avranno una crescita incrementale, mentre quelli delle batterie agli ioni di litio guideranno gran parte dell’espansione, occupando una quota percentuale crescente del mercato totale delle batterie.

Ma non è così semplice
Nell’elenco stilato dalla Commissione Europea del 2020, il litio è stato inserito per la prima volta come materiale critico. La quasi totalità del litio necessario per soddisfare il mercato di batterie europeo è importata dall’estero. Secondo la US Geological Survey, le riserve mondiali di litio ammontano a 21 milioni di tonnellate e sono concentrate in pochi Paesi sotto forma di soluzioni saline e minerali. Le prime si trovano principalmente nel “Triangolo del Litio”, tra Cile, Argentina e Bolivia, che detiene più della metà delle riserve mondiali,

Il Litio viene ricavato tramite un processo di evaporazione dei laghi salmastri sotterranei, che risulta relativamente economico ed efficiente ma ha un elevato consumo di acqua, un bene altamente strategico per il futuro del pianeta (si parla di 1,8 milioni di litri di acqua per tonnellata di litio). Esso può essere estratto anche da depositi di roccia, in Australia e in Cina, dove le riserve sono stimate ammontare rispettivamente a 4,7 milioni e 1,5 milioni di tonnellate.

Miniera di litio a Salar del Hombre Muerto, Argentina, una delle fonti più importanti del litio al mondo, un elemento cruciale per la produzione di batterie agli ioni di litio molto importanti nella tecnologia di energia rinnovabile e nelle auto elettriche.  Le attività minerarie hanno però sollevato preoccupazioni tra la popolazione locale sugli impatti ambientali negativi per l’elevato consumo di acqua che ha portato a una controversia sui diritti idrici rispetto al progetto.  – immagine ripresa dal satellite EO-1 della NASA – public domain – fonte http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=38729
Lithium mine, Salar del Hombre Muerto, Argentina.jpg – Wikimedia Commons

Secondo il sito Orizzonti politici tra i maggiori Paesi produttori, abbiamo l’Australia (circa 50% del litio mondiale) seguita da Cile (22%), Cina (17%) e Argentina (8%).

Geographical distribution of the known Lithium reserves worldwide [12]. Source: Chemetall – Roskill Information Services Ltd. (2009), R. Keith Evans, Geologist and Industrial Minerals Expert (2009), Garrett – Handbook of Lithium and Natural Calcium Chloride (2004), National research Council (NRC) (1985)

In sintesi, sarà necessaria maggiore innovazione per rendere disponibili i nuovi materiali, valutando sia gli effettivi vantaggi dell’impiego delle batterie (anche a fronte di rischi geopolitici legati all’approvvigionamento delle risorse) sia il loro impiego per lunghi viaggi che costringeranno gli architetti navali a rivedere i sistemi di propulsione e i processi che regolano il loro disegno. C’è ancora molto da valutare e la soluzione, in particolar modo per le imbarcazioni minori, non è così immediata a meno di voler intraprendere, sull’onda emotiva, soluzioni che potrebbero essere alla lunga controproducenti. 

immagine in anteprima da BelKharmoudi Aziz – Yanko Design

Nota

[1]  un trilione equivale ad un miliardo di miliardi

[2] Il tasso di crescita annuale composto (CAGR) viene in genere utilizzato come strumento per valutare la performance in un determinato periodo di tempo.

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