La risposta immediata per ridurre l’impronta carbonica del comparto dei trasporti non risiede soltanto nei carburanti sintetici gassosi di prossima generazione, ma anche nell’adeguato sfruttamento di un vettore energetico liquido già maturo e distribuito, sebbene non capillarmente: il carburante HVO.
Il carburante HVO rappresenta una vera e propria rivoluzione termochimica e meccanica per motori ad accensione spontanea. Derivato dal trattamento industriale di biomasse di scarto, come oli alimentari esausti e grassi animali residui, l’olio vegetale idrotrattato (o Hydrotreated Vegetable Oil in inglese, da cui l’acronimo), si configura come un gasolio paraffinico puro, di origine rinnovabile.
La sua scomposizione molecolare rivela un idrocarburo speculare al diesel fossile ma capace di abbattere le emissioni nette di anidride carbonica fino al 90%, lungo il suo intero ciclo di vita. Ciò comporta il vantaggio non sottovalutabile di poter essere introdotto nei serbatoi delle attuali flotte commerciali senza richiedere modifiche strutturali ai propulsori già in circolazione.
Il processo di idrogenazione catalitica
Per comprendere l’esatto funzionamento del carburante HVO, è essenziale analizzare le dinamiche chimiche e termodinamiche che governano la sua produzione. Iniziamo differenziandolo nettamente dal biodiesel tradizionale di prima generazione. Quest’ultimo – chimicamente noto come FAME, da Fatty Acid Methyl Esters – si ottiene tramite un processo di transesterificazione.
Tale reazione spezza i trigliceridi, utilizzando metanolo, ma lascia all’interno della struttura molecolare finale circa l’11% di ossigeno legante. La presenza di questi atomi di ossigeno rende il fluido igroscopico, dunque soggetto a umidità; instabile allo stoccaggio prolungato e, soprattutto, incline a formare sedimenti gommosi i quali possono occludere i filtri dei motori moderni.
La sintesi del biocarburante HVO puro si affida invece all’idrogenazione catalitica avanzata. All’interno dei reattori industriali, i trigliceridi e gli acidi grassi liberi delle biomasse vengono aggrediti, con idrogeno gassoso ad alta pressione, e sottoposti a temperature elevate, in presenza di catalizzatori metallici. Questa operazione elimina radicalmente l’ossigeno molecolare. Lo trasforma in acqua e anidride carbonica, spezzando le catene, sature come insature, e convertendo i grassi biologici in alcani, ovvero idrocarburi paraffinici puri.
Il risultato finale è un combustibile idrofobo, stabile e chimicamente analogo alle frazioni più pregiate del petrolio distillato. In aggiunta, si presenta privo delle vulnerabilità strutturali tipiche dei vecchi esteri metilici, i componenti principali di biocarburanti di prima generazione.
Le fasi della raffinazione del carburante HVO
La conversione, su scala industriale, della biomassa grezza in idrocarburo paraffinico ad alte prestazioni avviene all’interno di reattori petrolchimici complessi. Qui, ogni stadio termico e pressorio è calibrato per massimizzare la selettività della reazione ed evitare il deterioramento dei letti catalitici preposti all’eliminazione dell’ossigeno. L’azienda Howden, specializzata nella produzione di biocarburanti, ha prodotto un whitepaper che illustra, in termini ingegneristici, come si produca l’HVO. Il documento è in lingua inglese.
Proviamo a spiegarlo con maggiore semplicità. Il nucleo della trasformazione è rappresentato dalla reazione di idrodeossigenazione. Questa viene condotta all’interno di una finestra di temperatura rigorosa, compresa tra 300°C e 380°C, con pressioni operative comprese tra 40 e 100 bar. Il suo scopo è eliminare l’ossigeno.
Per gestire l’elevata esotermicità della reazione, e controllare la purezza dell’idrogeno iniettato per lavare via l’elemento indesiderato, gli impianti utilizzano sistemi avanzati di ricircolo dei gas acidi mediante compressori alternativi a pistoni. Il processo comprende anche la purificazione dell’idrogeno in eccesso, il quale si separe dalle frazioni gassose leggere e dall’idrogeno solforato, prima di essere reinserito nel ciclo idrodeossigenatorio.
La struttura molecolare delle paraffine biologiche
L’interazione cinetica tra la biomassa e la fase gassosa, all’interno dei moduli di idrotrattamento industriale, si articola in passaggi successivi. Le fasi che ora andiamo a descrivere giocano ruoli determinanti per conferire al fluido HVO le sue proprietà idrocarburiche pure.
Saturazione dei doppi legami ed eliminazione dell’ossigeno
Nella prima fase, gli oli di frittura rigenerati e i grassi animali, che rappresentano la base del processo, vengono miscelati con l’idrogeno e spinti sui letti catalitici. Questi si compongono di leghe di Nichel-Molibdeno o Cobalto-Molibdeno e sono stesi su una superficie di allumina.
L’azione catalitica satura istantaneamente i doppi legami stabili delle catene carboniose dell’olio vegetale idrogenato per motori diesel. In questo modo, è possibile creare le condizioni per la rimozione dell’ossigeno, in una delle tre vie industriali che padroneggiamo: la deossigenazione vera e propria, che produce acqua; la decarbossilazione, che rilascia anidride carbonica; la decarbonilazione, che genera monossido di carbonio.
Al fine di proteggere l’integrità dei catalizzatori, ed evitare il fenomeno dell’avvelenamento da metalli, la frazione lipidica in ingresso deve subire una purificazione preliminare. Essa mira ad abbattere il contenuto di fosforo e metalli alcalini a valori rigorosamente inferiori a 3 parti per milione. L’importanza di questo valore è sottolineata nelle analisi strutturali della task force Alfa Laval, distribuite all’interno dei circuiti di LinkedIn al fine di descrivere la teoria del processo di raffinazione.
In un secondo momento, si procede a separare il propano gassoso, derivato dalla scissione del glicerolo, dalle acque acide di processo e dalla frazione idrocarburica liquida, composta da paraffine, il sottoprodotto chiave della raffinazione.
I modelli matematici dimostrano come la corretta gestione del bilancio termico tra la reazione di idrodeossigenazione e le vie di rimozione dell’ossigeno sia fondamentale per preservare la lunghezza delle catene carboniose (lo si evidenzia nello studio cinetico esplicativo Eurecha Main Report on Hydrotreated Vegetable Oil, portato avanti presso l’Università di Aquisgrana). Il mantenimento della struttura di carbonio evita l’eccessiva formazione di gas leggeri a favore di alcani liquidi a catena lineare (le paraffine, appunto) necessari nella produzione di carburante HVO.
Isomerizzazione per la massima stabilità alle basse temperature
Le paraffine lineari (o n-paraffine) ottenute dal primo stadio di idrotrattamento presentano una forte criticità meccanica. A causa della loro geometria molecolare perfettamente simmetrica, cristallizzano e poi solidificano non appena le temperature scendono vicino allo zero termico. Per ovviare a questo limite, il flusso idrocarburico ottenuto viene convogliato in un secondo reattore e sottoposto a idroisomerizzazione.
In questo step, sotto l’azione di catalizzatori bifunzionali a base di platino, depositati su minerali zeoliti vulcanici, le catene lineari subiscono una ristrutturazione geometrica, venendo parzialmente ramificate in isoparaffine stabili. L’operazione non altera il numero di atomi di carbonio e mantiene invariato il potere calorifico. Questa riconfigurazione spaziale impedisce l’aggregazione dei cristalli di cera, abbassando drasticamente il punto di intorbidamento del carburante, ovvero la temperatura alla quale il gasolio inizia a formare cristalli solidi di paraffina. In tal maniera, gli si conferisce una fluidità ottimale.
Rimozione di zolfo e composti aromatici nocivi
L’ultimo stadio del processo di idrotrattamento opera una depurazione profonda dai contaminanti eteroatomici. I composti solforati e azotati, originariamente presenti nelle frazioni lipidiche di scarto, vengono spezzati e convertiti in idrogeno solforato e ammoniaca. Questi due gas sono facilmente separabili, per via fisica, nella colonna di strippaggio finale.
Un vantaggio strutturale dell’HVO, rispetto al diesel di origine fossile, risiede nella totale assenza, all’interno della biomassa di partenza, di idrocarburi aromatici e policiclici aromatici. Il fluido in uscita si presenta come una miscela paraffinica pura, trasparente come l’acqua, completamente inodore e priva di zolfo. Questo riduce a livelli trascurabili, poiché prossimi allo zero, la formazione di residui carboniosi in fase di iniezione. In altre parole, comporta una combustione estremamente pulita all’interno dei cilindri del motore.
Compatibilità meccanica e prestazioni fisiche del carburante HVO
L’impiego dell’olio vegetale idrogenato, all’interno dei motori a combustione interna e accensione spontanea, risolve le problematiche manutentive storicamente associate alle miscele bio-indotte. I parametri fisici che il carburante HVO è in grado di offrire sono superiori a quelli dei combustibili standard e salvaguardano la componentistica delle moderne flotte per il trasporto merci.
Lo standard normativo europeo per i gasoli paraffinici
A causa della sua specifica natura chimica, oltre che di una densità leggermente inferiore rispetto al gasolio tradizionale (circa 780 chili per metro cubo contro gli 820-840 chili per metro cubo del fossile), l’HVO, allo stato puro, non rientra nei parametri della normativa EN 590 che regola il diesel commerciale. Il combustibile è invece governato dallo standard europeo di compatibilità con i motori EN 15940, specifico per gasoli paraffinici di sintesi o idrotrattamento.
Nel corso degli ultimi anni, la quasi totalità dei principali costruttori mondiali di veicoli industriali, motori marini e macchine movimento terra, a cominciare da Iveco, Scania, Volvo, Mercedes-Benz Trucks e Caterpillar, i primi ad aderire, ha rilasciato l’omologazione ufficiale per i propri propulsori Euro 5 ed Euro 6 all’utilizzo del carburante HVO puro al 100%. L’adozione del fluido rispetta pienamente i vincoli di garanzia della casa madre e, data la perfetta miscibilità chimica tra i due idrocarburi, consente all’operatore di miscelarlo con il diesel EN 590, in qualsiasi proporzione e all’interno dello stesso serbatoio, in caso di rifornimento d’emergenza.
Resistenza al congelamento e stabilità di stoccaggio
Il processo di isomerizzazione catalitica risolve le vulnerabilità logistiche tipiche del biodiesel FAME, storicamente soggetto a degradazione biologica e congelamento precoce. Modulando l’intensità dell’idro-isomerizzazione in raffineria, è possibile produrre il biocarburante avanzato HVO in versioni specifiche per climi rigidi. In tal maniera, lo si dota di un punto di nebbia e un valore di Cold Filter Plugging Point (CFPP, la soglia presso la quale il gasolio inizia a cristallizzare a causa del freddo) capaci di raggiungere i -20°C. Ciò elimina i rischi di blocco delle pompe e dei filtri carburante durante la stagione invernale, purché si resti entro tale temperatura.
Sotto il profilo dello stoccaggio nei depositi aziendali e nelle cisterne delle basi logistiche, l’assenza di ossigeno molecolare e l’inerzia chimica del fluido impediscono l’assorbimento dell’umidità atmosferica. In questo modo, si azzera la proliferazione di colonie batteriche e la formazione di morchie. Si può così consentire la conservazione del carburante per oltre dodici mesi consecutivi, senza registrare fenomeni di ossidazione o alterazioni delle proprietà termodinamiche.
Riduzione del particolato e degli idrocarburi incombusti
Il carburante HVO vanta un numero di cetano eccezionalmente elevato. Esso è situato in un range compreso tra 70 e 95, a fronte del valore minimo di 51 previsto per il gasolio tradizionale. Questo parametro indica quanto sia rapida l’accensione del motore, dopo l’iniezione nella camera di scoppio: più elevata, minore è il tempo necessario. La velocità del fluido HVO determina una combustione più omogenea, controllata e, di conseguenza, termodinamicamente efficiente. L’impatto sulla qualità dell’aria e le emissioni di idrocarburi della miscela di cui ci stiamo occupando sono notevolmente contenuti:
- particolato fine: la totale assenza di anelli aromatici nella struttura molecolare riduce fino al 30% la formazione di particolato solido (come PM2.5 e PM10) allo scarico;
- incombusti e monossido: la stabilità della combustione riduce del 20% le emissioni di monossido di carbonio e minimizza la frazione di idrocarburi incombusti;
- sistemi di post-trattamento: la forte riduzione dei fumi riduce l’accumulo di fuliggine nei filtri antiparticolato, riducendo la frequenza dei cicli di rigenerazione automatica e allungando la vita utile dei catalizzatori a riduzione selettiva e delle valvole EGR nei camion dedicati al trasporto pesante a lungo raggio.
Politiche europee e tracciabilità delle materie prime di scarto
La sostenibilità ecologica del carburante HVO è vincolata ai rigidi criteri europei per il calcolo del risparmio di gas serra e la prevenzione del cambio d’uso indiretto del suolo. Per essere catalogato come biocarburante avanzato, ai sensi della Direttiva Europea sulla Promozione delle Energie Rinnovabili, l’HVO non può essere sintetizzato a partire da oli vegetali vergini derivati da colture alimentari dedicate che entrino in competizione con la filiera nutrizionale. Ciò significa che non si può fare uso di olio di palma o di soia grezzi, dal momento che si tratta di due responsabili storici di fenomeni di deforestazione nei paesi tropicali.
Nel mercato attuale, i consorzi di certificazione internazionale applicano rigidi protocolli di tracciabilità basati su passaporti digitali e bilanci di massa della catena di custodia.
Ogni lotto di combustibile viene monitorato, dall’origine fino alla pompa di erogazione. L’iter mira a garantire che le materie prime provengano esclusivamente da scarti raccolti ed elaborati secondo logiche di economia circolare, quali oli esausti della ristorazione urbana, grassi animali non edibili, di categoria 1 e 2, derivati dall’industria zootecnica, e residui di lavorazione olearia della filiera conciaria. Questo impianto normativo garantisce che la decarbonizzazione della logistica si fondi sulla reale valorizzazione di un rifiuto liquido, trasformando un potenziale inquinante ambientale in un pilastro strategico della mobilità pesante europea.
