Intervista a Francesco Zanobetti | assegnista di ricerca presso il CIRI FRAME e Professore a contratto al DICAM

Siamo qui con Francesco Zanobetti, assegnista di ricerca presso il CIRI FRAME e Professore a contratto al DICAM all'Università di Bologna, parte del gruppo di ricerca LISES – Laboratorio di Sicurezza Industriale e Sostenibilità Ambientale. Francesco, il tuo lavoro sulla decarbonizzazione navale ha ricevuto il Best Paper Award nell'ambito di Top Class Research@DICAM, segno di quanto il tema sia cruciale per l'industria oggi. Per chi non conosce il tuo ambito, di cosa ti occupi esattamente in dipartimento?
Grazie! Al DICAM, nel laboratorio LISES, sotto la guida del Professor Cozzani, ci occupiamo principalmente di sicurezza industriale, sostenibilità ambientale, e sviluppo di processi e tecnologie innovative. L’obiettivo è integrare questi aspetti per supportare l’evoluzione dei sistemi industriali ed energetici verso soluzioni più sicure e sostenibili.

Nello specifico, il mio lavoro riguarda tecnologie e strategie emergenti a basse emissioni, con particolare attenzione agli aspetti tecno-economici e di sostenibilità legati alla loro implementazione nel percorso verso la neutralità climatica.

Parliamo dalla pubblicazione premiata. Qual è il problema che avete voluto affrontare e l'idea che ha mosso la vostra ricerca?
Il punto di partenza è un dato ormai consolidato: il trasporto marittimo contribuisce per circa il 3% alle emissioni globali di CO₂. Senza una profonda decarbonizzazione di questo settore, gli obiettivi di neutralità climatica al 2050 difficilmente potranno essere raggiunti.

In questo contesto si stanno studiando diverse strategie per la decarbonizzazione del settore marittimo. Le più diffuse oggi si basano su interventi di efficientamento energetico o su soluzioni che non richiedono modifiche particolarmente invasive a bordo nave. Tuttavia, pur essendo fondamentali, queste misure comportano un potenziale di riduzione della CO₂ limitato. Per questo motivo, gli scenari di decarbonizzazione indicano che l’impiego di combustibili a basse emissioni e di tecnologie come la Carbon Capture and Storage sarà necessario per conseguire abbattimenti significativi delle emissioni.

In questo quadro, la Carbon Capture and Storage a bordo nave rappresenta una strategia emergente, considerata complementare alla futura diffusione su larga scala di combustibili più puliti, come idrogeno e ammoniaca. Si tratta quindi di una soluzione integrativa, pensata per affiancare altre strategie di decarbonizzazione del trasporto marittimo. Al momento della nostra ricerca, però, non era ancora stata analizzata in modo approfondito: gli studi disponibili si concentravano prevalentemente sulla fattibilità tecnologica, sugli aspetti economici o sulla quantificazione della CO₂ evitata tramite la tecnologia OCCS a bordo.

Tuttavia, per favorire lo sviluppo su larga scala di una tecnologia non è sufficiente valutarne le prestazioni tecnico-economiche o ambientali. È necessario adottare una visione più ampia di sostenibilità, in cui gli aspetti tecnici, economici, ambientali e sociali vengano integrati in un unico quadro di analisi, così da fornire una valutazione complessiva dell’impatto della tecnologia. Ed è questo sul quale ci siamo focalizzati nel condurre questa ricerca.

Ciò che mancava era una valutazione realmente olistica della sostenibilità di questa tecnologia, che è tuttora emergente e che quindi necessita di strumenti di valutazione che tengano di conto di tutti gli aspetti di sostenibilità per promuovere un’implementazione sostenibile della tecnologia su grande scala nel settore marittimo. Per questo abbiamo sviluppato una procedura sistematica che consente di integrare i principali driver della sostenibilità già nelle diverse fasi di progettazione, fornendo un quadro metodologico strutturato per una valutazione complessiva della tecnologia nel contesto marittimo.

Mi parlavi di catturare la CO₂ a bordo nave: esiste solo una tecnologia oppure ci sono diverse tecnologie? E cosa vuol dire esattamente catturare la CO₂ a bordo nave?

Per ridurre le emissioni del trasporto marittimo oggi si stanno esplorando due grandi direttrici. La prima è l’impiego di combustibili alternativi come idrogeno e ammoniaca, che non contengono carbonio e quindi non generano CO₂ in fase di combustione a bordo. Questo comporta però l’adozione di sistemi di propulsione profondamente diversi rispetto agli attuali motori alimentati a diesel o gas naturale, oltre a nuove infrastrutture di rifornimento. Sebbene queste soluzioni siano promettenti, esistono ancora sfide legate alla maturità tecnologica, alla normativa, alla disponibilità su larga scala e agli aspetti di sicurezza.

La seconda direttrice consiste invece nell’intervenire sulle navi esistenti. In questo caso si mantengono combustibili contenenti carbonio, come diesel o LNG, ma si installano sistemi di trattamento dei fumi di combustione. È qui che si inserisce l’Onboard Carbon Capture and Storage (OCCS). Tecnicamente, si tratta di sistemi che separano la CO₂ dai gas di scarico prodotti dalla combustione nel motore principale o nei generatori ausiliari. La CO₂ catturata viene poi compressa e generalmente liquefatta per ridurne il volume, quindi stoccata temporaneamente in serbatoi a bordo fino allo scarico in porto, dove può essere trasferita verso trasporto, utilizzo o stoccaggio geologico permanente.

L’idea di fondo è quindi consentire una riduzione significativa delle emissioni senza sostituire immediatamente l’intera flotta o riprogettare completamente i sistemi di propulsione, ma integrando un’unità di cattura a valle del processo di combustione.

Per quanto riguarda le tecnologie, non esiste un’unica soluzione. Le principali opzioni si differenziano per il meccanismo di separazione della CO₂. Le più mature sono basate sull’assorbimento chimico con solventi, tipicamente amminici. Esistono però anche alternative come membrane selettive, sistemi di adsorbimento su solidi porosi e processi criogenici, nei quali la CO₂ viene separata tramite raffreddamento fino alla liquefazione o, in alcune configurazioni, alla solidificazione. Ciascuna di queste tecnologie presenta requisiti energetici, ingombri, pesi e livelli di maturità differenti, aspetti particolarmente critici nel contesto navale.

La metodologia che abbiamo sviluppato parte proprio dalla definizione di un portafoglio ampio di tecnologie OCCS, includendo non solo le soluzioni più consolidate ma anche alternative meno mature. Il primo passo è uno screening tecnico di fattibilità, che tiene conto dei vincoli tipici di una nave: spazio disponibile, peso aggiuntivo, fabbisogno energetico per la cattura e la liquefazione della CO₂, integrazione con i sistemi di bordo e impatto sull’efficienza complessiva.

Per le tecnologie risultate tecnicamente compatibili, abbiamo poi valutato le performance nei diversi domini della sostenibilità: tecnologico, economico, ambientale e sociale. L’analisi è stata condotta sia separatamente per ciascun dominio sia in forma integrata, perché emergono inevitabilmente dei trade-off. Ad esempio, una tecnologia può garantire migliori prestazioni ambientali ma richiedere maggiori costi o consumi energetici, con potenziali impatti indiretti.

Per supportare il processo decisionale abbiamo infine aggregato gli indicatori di performance in un indice complessivo di sostenibilità, che consente di confrontare le diverse alternative. La procedura è stata poi sottoposta ad analisi di sensitività per verificarne la robustezza rispetto alle incertezze nei parametri di input.

Un elemento importante è che lo stesso framework è stato applicato anche a sistemi di propulsione basati su idrogeno e ammoniaca, che rappresentano le principali alternative di lungo termine all’OCCS. Questo ha permesso un confronto metodologicamente coerente tra diverse traiettorie di decarbonizzazione, evidenziando sia i punti di forza sia le criticità della cattura a bordo rispetto ai combustibili privi di carbonio in fase di combustione.

Molto esaustivo! Se non sbaglio avete fatto lo studio su una nave da crociera. Sto pensando a tutte le grandi navi che trasportano container: può essere utilizzata anche lì? E poi: puoi utilizzare questa tecnologia anche nelle navi più piccole?

Sì, lo studio è stato condotto su una nave da crociera alimentata a LNG, ma la metodologia che abbiamo sviluppato non è legata a una specifica tipologia di nave. È applicabile, in linea di principio, a qualsiasi unità, a condizione che venga definito lo schema di integrazione dell’OCCS a bordo della nave.

Nel nostro caso, abbiamo modellato l’implementazione su una nave a LNG perché presenta una caratteristica interessante: l’LNG deve essere vaporizzato prima di essere inviato al motore, e questo processo mette a disposizione una sorgente fredda. Questa può essere sfruttata, almeno in parte, per facilitare il condizionamento della CO₂ catturata, ad esempio nella fase di liquefazione, riducendo il fabbisogno energetico aggiuntivo. Quindi non abbiamo solo valutato la tecnologia di cattura in sé, ma anche il modo in cui può integrarsi energeticamente con il sistema nave.

Se consideriamo invece una nave alimentata con gasolio marino, questa opportunità di integrazione non è disponibile. Il framework resta invariato, ma cambia il modo in cui il sistema viene integrato: la liquefazione della CO₂ deve essere alimentata da energia prodotta a bordo, con un impatto diverso sui consumi complessivi della nave. In altre parole, ciò che varia non è il metodo di valutazione, ma il modo in cui la tecnologia viene integrata nel contesto specifico della nave.

Per quanto riguarda le grandi navi portacontainer, l’OCCS rappresenta un’opzione tecnicamente implementabile. Le maggiori dimensioni possono facilitare l’integrazione del sistema di cattura e lo stoccaggio temporaneo della CO₂ a bordo. Tuttavia, anche in quel caso è necessario sviluppare uno schema di implementazione coerente con il sistema di propulsione e con i vincoli operativi della nave.

Quando si passa a navi di piccola o media taglia, come traghetti o altre unità di dimensioni più contenute, il tema diventa più complesso. I vincoli di spazio, peso ed energia disponibile a bordo diventano molto più stringenti. Proprio per questo stiamo lavorando su configurazioni alternative, ad esempio ipotizzando di mantenere a bordo la fase di separazione della CO₂ e di trasferire a terra alcune fasi più ingombranti o energivore, come parte della rigenerazione del solvente. L’idea è minimizzare ciò che deve essere installato a bordo, rendendo l’OCCS compatibile con navi di dimensioni ridotte.

In sintesi, il framework è applicabile a tutte le navi. Ciò che cambia davvero è lo step in cui si definisce lo schema di integrazione dell’OCCS, tenendo conto dei vincoli specifici di bordo e delle possibilità di integrazione energetica disponibili.

Prima parlavi di valutare la sostenibilità secondo quattro principi-tecnologico, economico, ambientale, sociale. Ce n’è uno “più problematico”, che vi ha dato più da lavorare, più da pensare? Anche la sicurezza, immagino...
Sì, sicuramente. Quello che è emerso fin da subito è che tutti e quattro i domini della sostenibilità — tecnologico, economico, ambientale e sociale — non evolvono nella stessa direzione. Anzi, molto spesso sono in contrasto tra loro e generano “trade-off”.

Prendiamo ad esempio una tecnologia di cattura basata su solventi chimici. Dal punto di vista ambientale può essere molto efficace, perché consente di ridurre in modo significativo le emissioni di CO₂. Tuttavia, comporta la gestione a bordo di solventi che possono essere potenzialmente tossici o infiammabili, a seconda della formulazione utilizzata. Questo introduce specifiche criticità in termini di sicurezza per l’equipaggio e, nel caso di navi passeggeri, per le persone a bordo.

Se invece consideriamo una tecnologia criogenica, non vi è l’utilizzo di solventi chimici e si riducono quindi i rischi legati alla gestione di sostanze potenzialmente pericolose. Qui la separazione avviene raffreddando i fumi fino alla liquefazione o alla desublimazione della CO₂, sfruttando differenze di temperatura e proprietà fisiche. Tuttavia, questo richiede una significativa potenza frigorifera. A bordo della nave, tale esigenza si traduce in un maggiore fabbisogno energetico che, nella maggior parte dei casi, deve essere coperto aumentando la produzione di energia tramite combustione di carburante. Questo può comportare un incremento dei consumi e delle emissioni associate. Di conseguenza, la riduzione del rischio sul piano della sicurezza può essere compensata da un aumento degli impatti ambientali complessivi.

Quello che abbiamo osservato, quindi, è uno spostamento degli impatti tra domini: migliorare una dimensione può comportare un peggioramento in un’altra. In un contesto di decision making questa è una situazione complessa, perché focalizzarsi su un singolo dominio, ad esempio quello ambientale o quello economico, può portare a una visione parziale delle reali prestazioni della tecnologia.

È proprio per questo che abbiamo ritenuto necessario costruire un framework basato su più domini, includendo in modo esplicito anche la dimensione sociale. In letteratura, quest’ultima è spesso la più difficile da quantificare. Nel nostro caso è stato possibile integrarla grazie all’expertise del gruppo del professor Cozzani nella valutazione della sicurezza di tecnologie emergenti.

Abbiamo trattato la sicurezza come una componente chiave della sostenibilità sociale, quantificandola attraverso indicatori basati su dati oggettivi, senza ricorrere esclusivamente a giudizi soggettivi o expert judgement. Il livello di rischio associato a una tecnologia può infatti essere considerato un proxy della sua accettabilità sociale: una soluzione percepita come più sicura è generalmente più accettabile.

Il fatto di poter quantificare in modo strutturato questo sottodominio ci ha permesso di integrare anche la dimensione sociale in una valutazione aggregata di sostenibilità. Questo rappresenta uno degli elementi distintivi del lavoro, perché in molti studi l’analisi si ferma agli aspetti tecnico-economici o ambientali, lasciando scoperta proprio la componente sociale.

Avete analizzato navi che sono operative. Le nuove navi che si stanno costruendo hanno già inglobato un sistema come quello che avete concepito, oppure ancora no? C’è resistenza nell’industria navale?

È una domanda molto importante. Oggi l’industria si sta concentrando soprattutto sul retrofit, quindi sull’installazione di sistemi di cattura su navi già operative. Il motivo è abbastanza semplice: la maggior parte della flotta mondiale è già in esercizio e continuerà a navigare ancora per molti anni. Se vogliamo ottenere riduzioni di CO₂ in tempi relativamente brevi, dobbiamo intervenire su queste navi.

Chiaramente il retrofit non è banale. Ci sono vincoli molto concreti: spazio disponibile a bordo, peso aggiuntivo, integrazione con gli impianti esistenti, energia necessaria per far funzionare il sistema. Tutto questo deve essere gestito senza compromettere l’operatività della nave o la sua capacità di carico.

Per le nuove costruzioni il discorso cambia un po’. Se si progetta una nave fin dall’inizio, si possono prevedere spazi dedicati e un’integrazione energetica più efficiente. Questo rende l’implementazione potenzialmente più semplice rispetto a intervenire su una nave già esistente. Detto questo, l’OCCS non è ancora uno standard nei newbuild: siamo in una fase di valutazione tecnica ed economica, con progetti pilota e prime applicazioni su scala reale, anche considerando la possibilità di utilizzare combustibili sintetici o biocombustibili che quindi non comportano l’emissione di CO₂ fossile.

Negli ultimi mesi, però, si è visto un passaggio importante: aziende come Wärtsilä hanno annunciato la disponibilità commerciale di soluzioni di cattura dopo un’installazione full-scale su una nave operativa. Questo significa che la tecnologia sta uscendo dalla sola dimensione sperimentale e sta entrando in una fase di maturazione industriale.

Più che parlare di resistenza, quindi, parlerei di prudenza. Il settore navale investe su asset che hanno cicli di vita molto lunghi, e prima di adottare una tecnologia su larga scala è necessario dimostrarne solidità tecnica, sostenibilità e conformità normativa. L’interesse c’è, ed è concreto, ma il percorso è ancora in evoluzione.

Ci sono aree del mondo dove la ricerca accademica e/o le aziende sono più attente, più attive?

Sì, ci sono sicuramente aree del mondo più attive di altre. Se guardiamo alla Carbon Capture and Storage in generale, la Norvegia e il Regno Unito sono tra i Paesi europei più avanzati. La Norvegia, ad esempio, ha una lunga esperienza nello stoccaggio geologico della CO₂ offshore, e questo ha favorito la creazione di un ecosistema in cui ricerca, industria ed enti pubblici collaborano in modo molto strutturato.

Anche il Regno Unito sta investendo in modo significativo nella CCS, soprattutto attraverso lo sviluppo di cluster industriali e programmi dedicati alla decarbonizzazione dei settori più difficili da abbattere.

Per quanto riguarda l’applicazione marittima dell’OCCS, siamo ancora in una fase di consolidamento tecnico a livello globale, ma negli ultimi mesi si sono visti segnali chiari di maturazione industriale, con le prime installazioni su scala reale e l’ingresso sul mercato di soluzioni commerciali. Il Nord Europa, e in particolare la Norvegia, resta uno dei contesti più dinamici, anche grazie alla presenza di un’industria navale avanzata, enti di classificazione molto attivi e una forte collaborazione tra industria e centri di ricerca.

Immagino sia un tema attenzionato anche da progetti di ricerca europei. Dico bene?

Sì, è un tema che negli ultimi anni ha ricevuto molta attenzione anche a livello europeo. All’interno del laboratorio LISES abbiamo avuto la possibilità di contribuire a diversi progetti in collaborazione con partner internazionali, tra cui SINTEF, che è uno dei principali istituti di ricerca norvegesi nel campo dell’energia e della CCS.

Un esempio è COREu – CO₂ Routes Across Europe. Non è un progetto specificamente dedicato all’applicazione a bordo nave, ma riguarda lo sviluppo delle infrastrutture e delle catene di trasporto e gestione della CO₂ su scala europea. È però indicativo di come il tema della CCS sia cresciuto in modo significativo negli ultimi anni a livello europeo, e di come anche il nostro gruppo abbia progressivamente consolidato competenze che ci hanno permesso di partecipare a progetti di questo livello.

Un altro ambito rilevante è la partecipazione al network gigaCCS, che punta ad accelerare la diffusione della CCS su larga scala. In questo contesto si lavora anche su sorgenti puntuali con concentrazioni relativamente basse di CO₂ nei fumi, che rappresentano un caso tecnicamente più complesso e spesso più costoso da affrontare. Le navi rientrano in questa categoria, e proprio per questo l’applicazione della cattura a bordo viene analizzata come una delle possibili soluzioni.

All’interno di queste iniziative si sta ragionando anche su come adattare le tecnologie di cattura al contesto navale, in particolare per navi di piccola e media taglia, dove i vincoli di spazio, peso ed energia rendono l’implementazione più delicata. È un ambito ancora in evoluzione, ma sicuramente molto attivo.

Vedi un’applicazione anche in altri settori paralleli alle navi? Penso ai camion, penso a qualche treno ancora diesel…o aerei anche.

È una domanda molto interessante. Al momento, l’applicazione della cattura della CO₂ direttamente su camion o treni diesel è stata esplorata molto meno rispetto al settore marittimo. In linea di principio non è impossibile trattare i gas di scarico anche in questi casi, ma i vincoli sono ancora più stringenti rispetto a una nave: spazio disponibile, peso aggiuntivo, fabbisogno energetico e gestione dello stoccaggio temporaneo della CO₂ incidono molto di più sulle prestazioni del mezzo.

Su un camion, ad esempio, integrare un sistema di cattura significherebbe aumentare consumi, complessità e necessità di scaricare periodicamente la CO₂ raccolta. Questo rende l’applicazione particolarmente complessa, soprattutto per tratte lunghe. Detto questo, con lo sviluppo di materiali adsorbenti più efficienti, capaci di trattenere maggiori quantità di CO₂ in volumi ridotti e con minore energia di rigenerazione, si potrebbero immaginare in futuro soluzioni più compatte. In quel caso, per tratte brevi o applicazioni specifiche, qualche forma di cattura a bordo potrebbe diventare più plausibile. Ma molto dipenderà dall’evoluzione tecnologica e dal vantaggio di soluzioni di transizione quali l’elettrificazione, l’utilizzo di idrogeno o di altri combustibili sintetici o derivati da biomasse di seconda o terza generazione.

Per quanto riguarda l’aviazione, la situazione è ancora più delicata. Installare un sistema di cattura direttamente su un aereo comporterebbe penalizzazioni di peso ed efficienza difficilmente compatibili con i requisiti operativi del settore. Per questo oggi la ricerca si concentra soprattutto sui sustainable aviation fuels (SAFs).

Qui però la cattura della CO₂ resta centrale, ma in una fase diversa della filiera. La CO₂ può essere catturata a terra, da impianti industriali o tramite Direct Air Capture (DAC), e combinata con idrogeno prodotto da fonti rinnovabili per sintetizzare combustibili. Quando questi combustibili vengono utilizzati, rilasciano CO₂ allo scarico, ma se l’intero processo è alimentato da energia a basse emissioni il bilancio complessivo può essere molto ridotto su base ciclo di vita. In altre parole, la CO₂ emessa è la stessa che era stata precedentemente intercettata, quindi il sistema può avvicinarsi a un ciclo quasi neutro dal punto di vista del carbonio.

In questo senso, la cattura non deve necessariamente avvenire nel punto di utilizzo, come nel caso dell’OCCS a bordo nave. Se l’integrazione a bordo non è tecnicamente o economicamente sostenibile, può essere più efficace collocare la cattura a monte, nella fase di produzione dei combustibili che poi verranno utilizzati nei diversi settori dei trasporti.

In definitiva, la fattibilità dipende molto dal contesto: spazio disponibile, energia necessaria, durata delle tratte e logistica della CO₂ sono fattori determinanti. Per questo è fondamentale valutare ogni applicazione con un approccio sistemico e sull’intero ciclo di vita.

L’ultima domanda: l’attuazione è onerosa a livello economico? È possibile incontrare più una resistenza concettuale o più una resistenza per impatto economico, indipendentemente dal Net Zero 2050?

L’Onboard Carbon Capture and Storage comporta sicuramente un costo aggiuntivo, sia in termini di investimento sia di costi operativi legati al consumo energetico e alla gestione della CO₂ catturata. Non è quindi una tecnologia neutra dal punto di vista economico.

Tuttavia, non parlerei tanto di una resistenza concettuale quanto di una valutazione attenta della fattibilità tecnica ed economica. C’è interesse, perché la cattura consente riduzioni significative della CO₂ nel breve e medio termine, soprattutto sulle flotte esistenti, che resteranno operative ancora a lungo. La transizione verso combustibili alternativi richiederà tempo, mentre l’OCCS può intervenire su navi già in esercizio.

La complessità principale riguarda l’integrazione tecnica: spazio disponibile, peso aggiuntivo ed energia necessaria per la separazione e il condizionamento della CO₂. L’installazione non deve compromettere la capacità commerciale, l’efficienza o la sicurezza della nave.

Per questo la chiave è il process intensification: ridurre volumi, consumi energetici e complessità impiantistica, sviluppare materiali più efficienti e sistemi più compatti. Come è accaduto per molte tecnologie, basti pensare ai grandi computer di qualche decennio fa rispetto a un iPad di oggi, anche qui l’evoluzione può portare a soluzioni progressivamente più leggere, integrate ed efficienti.

Francesco, ti ringrazio molto per questa panoramica. È stato un vero viaggio nelle sfide della decarbonizzazione del settore marittimo.
Grazie a voi per lo spazio e per avermi permesso di raccontare questo progetto. È stato un piacere condividere il lavoro svolto e riflettere sulle prospettive future della CCS nel settore marittimo. A presto!