Premessa
Questo articolo, a cura di NGV Italia, Assogasmetano e Federmetano, ha lo scopo di fornire a decisori pubblici, media e stakeholder il quadro più chiaro ed esaustivo possibile sui vantaggi ambientali delle auto a gas naturale rispetto ai motori a gasolio o benzina, fornendo evidenze tecniche e scientifiche e sfatando alcuni luoghi comuni su tali forme di alimentazione.
Emissioni di gas serra
Il gas naturale ha emissioni di anidride carbonica nettamente inferiori rispetto a benzina e gasolio. Il risparmio di CO2 è dovuto al suo maggiore contenuto di idrogeno rispetto agli altri due carburanti. Ecco in evidenza alcuni esempi di confronto:
Durante la combustione l’idrogeno viene trasformato in acqua, mentre il carbonio viene trasformato in CO2. Ovviamente maggiore è la percentuale di idrogeno nell’idrocarburo e minori sono le emissioni di CO2 prodotte dalla sua combustione. Dato che il potere calorifico dell’idrogeno è molto alto rispetto a quello del carbonio (120 MJ/kg rispetto a 33 MJ/kg), di fatto il 55% del calore prodotto dalla combustione del gas naturale deriva dall’idrogeno, il che è impossibile nel caso degli altri idrocarburi più pesanti. Di seguito l’evidenza delle minori emissioni di CO2 generate dalla combustione del gas naturale rispetto a quelle di benzina e di gasolio (meno 23-24% per unità di energia prodotta)
Una volta determinato che a pari energia prodotta il gas naturale produce molta CO2 in meno rispetto a gasolio e benzina, occorre guardare all’efficienza con la quale i motori alimentati con i diversi carburanti utilizzano l’energia prodotta dalla combustione. Consideriamo prima di tutto il confronto tra motori a gas naturale e motori a benzina, entrambi a ciclo otto. In questo caso, grazie all’elevatissimo numero di ottano del gas naturale (110-120) i motori così alimentati possono avere dei rapporti di compressione estremamente elevati rispetto quelli a benzina (fino a 13:1 verso 9-10:1). A rapporti di compressione elevati corrispondono rendimenti superiori e quindi, nella pratica, i motori sviluppati per funzionare specificatamente a gas naturale utilizzeranno l’energia prodotta dalla combustione meglio di quelli a benzina. Per questo motivo viene amplificato il vantaggio emissivo del gas naturale arrivando ad emissioni di CO2 che possono essere inferiori a quelle dei motori a benzina in percentuali ampiamente superiori al 25%.
Per quanto riguarda il confronto tra i motori a ciclo otto a gas naturale e i motori a ciclo diesel occorre considerare che questi ultimi possono funzionare con rapporti di compressione ancora più elevati (16-18:1) e con miscele che contengono aria in eccesso; tuttavia, per contro, essi necessitano di complessi sistemi di abbattimento degli inquinanti (EGR, SCR, filtri anti particolato) che ne disottimizzano il funzionamento. Sommando i pro e i contro, i motori a ciclo diesel utilizzano l’energia prodotta dalla combustione in modo leggermente migliore di quelli a gas naturale a ciclo otto, ma comunque, grazie al maggiore contenuto di idrogeno, le motorizzazioni a gas naturale hanno un potenziale di riduzione delle emissioni di CO2 rispetto ai diesel tra il 10 ed il 15%.
Nel caso in cui il gas naturale venga invece utilizzato in motori a ciclo diesel, come ad esempio per i veicoli Volvo FH60, ci si avvantaggia sia dei buoni rendimenti del motore diesel e sia del maggiore contenuto di idrogeno del gas naturale. In questi casi la riduzione di emissioni rispetto all’utilizzo di gasolio è superiore al 20%. Riportiamo a titolo di esempio le emissioni della Seat Arona TGI registrate allo scarico del veicolo secondo il rigoroso protocollo WLTP:
Consapevoli che le considerazioni sopra esposte fanno riferimento al potenziale dei motori disegnati per funzionare specificatamente a gas naturale (cosiddetti di “terza generazione”), cioè quelli dove l’utilizzo della benzina come combustibile è da considerarsi solo per le emergenze, apriamo una breve parentesi sui sistemi retrofit sia su motori a benzina che su motori a gas naturale. Il retrofit gas naturale sui motori a benzina, per avere buoni rendimenti energetici, deve prevedere, ove possibile, una messa a punto che includa che la scintilla scocchi prima rispetto alla benzina, in quanto il gas naturale ha una velocità di combustione inferiore. Così facendo, si possono ottenere riduzioni delle emissioni di CO2 superiori al 20%. Nel caso contrario, le riduzioni possono essere nell’ordine del 15%, in quanto il funzionamento non ottimizzato riduce il rendimento del motore. Il retrofit su motori diesel viene chiamato “dual fuel”. In questo caso il gas naturale brucia insieme al gasolio percentuali in peso che sono prossime al 50% sfruttando i buoni rendimenti dei motori a gasolio. La riduzione delle emissioni di CO2 è quindi potenzialmente superiore al 10%12 purché il kit di retrofit includa un catalizzatore ossidativo che assicuri che l’eventuale presenza di metano incombusto nei gas di scarico venga abbattuta.
Chiarito quindi che le emissioni di CO2 derivate dalla combustione del gas naturale fossile nei motori di ultima generazione sono sempre sensibilmente inferiori a quelle generate dalla combustione di gasolio e benzina, andiamo a considerare le emissioni derivate dal ciclo di estrazione, raffinazione e trasporto degli idrocarburi per capire se le considerazioni sopracitate rimangono valide. Lo studio molto dettagliato condotto da Thinkstep nel 2017 ha confermato i seguenti valori di emissioni di CO2 per unità di energia prodotta, cosiddetti “well to wheel” (wtw):
I valori sopra indicati considerano il mix europeo di approvvigionamento del gas naturale e le fuoriuscite di gas lungo la filiera. Tali dati confermano che, anche considerando l’intera catena “well to wheel”, le emissioni dei motori a combustione funzionanti a gas naturale sono sempre potenzialmente inferiori a quelle di gasolio e benzina (rispettivamente del 28 e del 27%). Rimangono quindi valide ed amplificate le considerazioni già esposte nei paragrafi precedenti. L’automobile club tedesco “ADAC” ha messo a punto un sistema di verifica delle emissioni dei veicoli basato su moderni test condotti con il rigido protocollo WLTP – RDE associato con un algoritmo di calcolo che considera l’intera catena di fornitura dei combustibili (wtw). I risultati di tali test hanno messo a confronto i diversi modelli di Golf e Polo confermando le considerazioni sopra esposte.
Molti veicoli a gas naturale, quali la Seat Arona, la VW Polo, la VW Golf e la Fiat Panda, hanno recentemente ricevuto le cinque stelle ADAC, rientrando tra le auto più ecologiche in circolazione.
Considerazioni finali
Gli attuali motori a gas naturale (di seconda generazione) hanno prestazioni migliori in termini di emissioni di CO2 sia rispetto ai rispettivi motori a gasolio sia a quelli a benzina. Tuttavia, è doveroso segnalare che essi non hanno ancora sviluppato il loro intero potenziale di riduzione delle emissioni di CO2, che può essere raggiunto ottimizzando le motorizzazioni per il solo utilizzo a gas naturale. Recentemente il progetto “GasOn” finanziato dall’UE18 ha dimostrato che è possibile lo sviluppo di motorizzazioni a gas naturale di terza generazione, che possono ridurre le emissioni di CO2 dei motori di un ulteriore 6-8%19 rispetto a quelli di seconda. Questo a conferma delle considerazioni riportate nei paragrafi precedenti.
Ai motori a gas naturale di terza generazione è possibile apportare i seguenti ulteriori miglioramenti per ottenere riduzioni ancora superiori delle emissioni di CO2:
- Ibridizzazione (e relativo recupero energetico in frenata) ottenuta attraverso l’utilizzo di una piccola batteria e un piccolo motore elettrico (10-15 KW)
- Inserimento del biometano nel gas naturale destinato all’autotrazione
Tali opportunità possono portare a risultati notevoli, come dimostrato di seguito:
Si noti che il biometano è gas rinnovabile al 100%, è compatibile con qualsiasi motore a gas naturale e il suo utilizzo può azzerarne le emissioni di CO2, esattamente come nel caso dell’utilizzo di auto elettriche alimentate con energia rinnovabile al 100%. In Germania il gas naturale per autotrazione contiene già il 15% di biometano, mentre in Italia – dove esso è incentivato esclusivamente per l’uso autotrazione – i potenziali di sviluppo stimati dagli analisti vanno da 4 ai 9 miliardi di metri cubi annui. Tali quantità utilizzate al 100% o in miscela con il gas naturale tradizionale potrebbero alimentare quote molto elevate del traffico veicolare italiano abbattendone in modo sostanziale le emissioni di CO2. Emissioni di altri inquinanti nocivi. Come noto, il gas naturale ha una bassissima propensione alla generazione di particolato, in quanto ha natura gassosa e non contiene idrocarburi aromatici i quali sono precursori delle particelle nelle prime fasi della combustione20. Questa caratteristica porta i moderni motori a gas naturale ad avere emissioni di polveri sottili così basse che vi sono difficoltà oggettive nel misurarle.
La minore propensione a generare polveri sottili, risolvendo all’origine uno dei problemi di emissioni del motore a combustione, permette ai costruttori di veicoli di avere più flessibilità operative per ridurre le emissioni di altri inquinanti quali gli NOx e gli NMOG21, i quali vengono abbattuti in modo efficace attraverso l’utilizzo di un classico catalizzatore a tre vie senza necessità di complessi sistemi di abbattimento degli inquinanti quali filtri anti particolato, sistemi EGR, SCR, etc22.
Un recente studio dell’ente svizzero EMPA23 ha confermato che i motori a gas naturale hanno un impatto emissivo sensibilmente più basso anche dei più moderni motori a benzina Euro 6:
Conclusioni
Come anticipato in premessa, ampia documentazione scientifica dimostra che l’utilizzo del gas naturale come combustibile per autotrazione ha un elevatissimo potenziale rispetto ai combustibili tradizionali (gasolio e benzina) sia in termini di riduzione di emissioni di gas serra sia di inquinanti nocivi per la salute umana. In particolare, rispetto ai motori a benzina di ultima generazione, è possibile ridurre le emissioni di CO2 di un ulteriore 28%, che può arrivare al 52% con l’ausilio dell’ibridizzazione e di biometano in percentuale del solo 15%. Le emissioni dei principali inquinanti nocivi per la salute umana vengono ridotte di almeno il 75%.