Propulsione navale nucleare, all electric ships e marine MSR

Come cambierà il trasporto marittimo nei prossimi decenni

di Samuele Meschini e Stefano Segantin

Il nucleare, si sa, ha innumerevoli applicazioni. Oggi andiamo ad esplorare il mondo delle navi elettriche a zero emissioni, insieme all’ Ing. Giulio Gennaro, CTO di CorePower UK, una start-up di successo la cui mission è proprio la decarbonizzazione di questo settore. Perché elettrificare il settore navale civile? Perché il trasporto di merci su navi è responsabile del 3% delle emissioni globali di CO2-eq, cifra destinata a crescere nei prossimi decenni a meno di interventi di decarbonizzazione [1]. E perché abbiamo chiesto il parere tecnico proprio a Giulio? Oltre alla sua decennale esperienza nel settore navale, CorePower UK sta sviluppando un reattore compatto di quarta generazione per decarbonizzare il settore navale. Ma andiamo con ordine.

Traffico marittimo in cui ogni colore rappresenta una diversa tipologia di nave. (Mappa creata da Kiln Digital, www.kiln.digital).

L’utilizzo dell’energia nucleare nel trasporto marittimo non è una moda del momento. Decenni addietro le principali potenze economiche mondiali si concentrarono sulla propulsione nucleare di imbarcazioni di grossa taglia. I sottomarini nucleari progettati nel secondo dopoguerra furono i primi a sfruttare l’energia prodotta da un reattore nucleare per la propulsione. Tale tecnologia venne presto trasferita alle navi civili e, dagli anni ’60, sono entrate in servizio quattro navi cargo: la statunitense Savannah, la tedesca Otto Hahn, la giapponese Mutsu e la russa Sevmorput . Di queste, la Sevmorput è ancora operativa. Un motivo per cui la propulsione nucleare non si sviluppò ulteriormente nel settore civile fu l’elevato costo delle sopracitate navi. L’utilizzo di combustibili fossili era troppo vantaggioso dal punto di vista economico, rendendo la propulsione nucleare scarsamente competitiva.  Questo era vero fino a pochi anni fa, quando le esternalità derivanti dall’utilizzo di fonti fossili non venivano penalizzate economicamente. Con la crescente necessità di decarbonizzare il settore, meccanismi come la carbon tax e nuovi modelli di business introdotti nel settore nucleare dalle start-up riporteranno in scena l’utilizzo dell’energia nucleare nella propulsione navale o direttamente nella sua totale elettrificazione, come nel caso delle “all electric ships”, discusse più avanti in questo articolo.

Spaccato della Savannah, in cui è possibile osservare la sala macchine ed il reattore nucleare. (Peter Knego collection, immagine da https://eu.usatoday.com/picture-gallery/travel/cruises/2019/01/11/savannah-nuclear-powered-cruise-ship-tour/2201433002/)

Inoltre, la propulsione nucleare è stata utilizzata laddove era (ed è) richiesta un’elevata autonomia e affidabilità. Ben 9 rompighiaccio russi sono equipaggiati con reattori nucleari per rendere agibili rotte con presenza di ghiaccio, come quella del Mare del Nord. Quando non sono in servizio, alcuni vengono utilizzati come navi turistiche: ebbene sì, è possibile salire su una nave equipaggiata con un reattore nucleare anche in veste di turista, grazie agli elevati standard di sicurezza a bordo. Nel caso siate interessati, sappiate che i biglietti sono piuttosto cari!

Torniamo ora alla decarbonizzazione del trasporto navale, e cerchiamo di capire perché Giulio ed il suo team sono interessati a questo possibile mercato. Come anticipato, il trasporto navale di merci contribuisce per il 2,9 % alle emissioni totali di CO2. Una cifra considerevole, pari a circa un miliardo di tonnellate di CO2 immesse ogni anno nell’atmosfera. Se non verranno adottate politiche di decarbonizzazione della propulsione navale, è possibile che il peso di questo settore sulle emissioni globali cresca dal 3% al 17 % entro il 2050 [1][2].

Emissioni di CO2 dal settore navale e proiezione fino al 2050. (Autore: GRID-Arendal, immagine da https://www.flickr.com/photos/gridarendal/32318077396/in/photostream/)

Una buona notizia è che circa il 10% delle navi più grandi è responsabile per circa il 50% delle emissioni, e queste navi ben si prestano a usare energia nucleare. Ciò significa che se tutte le grandi navi si convertissero all’energia nucleare si eviterebbe l’emissione in atmosfera di circa 500 milioni di tonnellate di CO2 ogni anno. Giulio ci tiene a ricordarci che gli Small Modular Reactors (SMR), e in particolare i Molten Salt Reactors (MSR) possono anche essere utilizzati per produrre combustibili a basse emissioni alternativi (come l’idrogeno verde e derivati: ammoniaca e metanolo verdi, etc …) per decarbonizzare anche la flotta che non potrà (o non vorrà) convertirsi al nucleare.

Per quanto riguarda la vera e propria propulsione nucleare, invece, il principio di funzionamento resta simile alla propulsione navale classica: invece di inviare combustibile ad un motore a combustione interna, si utilizza gas ad alta temperatura per mettere in rotazione un albero motore, che trascina le eliche. La differenza fondamentale è che il fluido che fornisce energia per la propulsione non è riscaldato mediante combustione di combustibili fossili ma sfruttando l’energia termica del reattore, il quale non emette gas climalteranti (come la CO2) durante tutto il suo funzionamento.

Schema di funzionamento di una nave a propulsione nucleare. Il fluido primario viene riscaldato dal reattore e, producendo vapore, alimenta la turbina che aziona l’albero dell’elica. (Immagine da https://world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/transport/nuclear-powered-ships.aspx)

Ma non è tutto qui. Uno sviluppo successivo rispetto alla propulsione navale classica sarà costituito dalle cosiddette “all electric ships” (navi completamente elettriche) a energia nucleare. In questo caso il reattore è collegato a un sistema di conversione di potenza che a sua volta trascina un alternatore, generando corrente elettrica e fornendo energia a tutte le utenze di bordo: propulsione, sistemi ausiliari, macchinari, elettronica, illuminazione… In realtà tutte le moderne navi da crociera sono già all electric ships ma ricavano l’energia da motori Diesel invece che da reattori nucleari. Con gli MSR sara’ possibile eliminare combustibili fossili, combustione ed emissioni di gas serra, oltre che NOx, SOx e particolato. Ed è proprio quest’ultimo concetto che viene proposto da Giulio e CorePower.

Rendering di una Atomic – Electric 2700 TEU Feeder, Core Power.

E dal punto di vista della sicurezza? Anche questo aspetto non è del tutto nuovo: esiste un particolare trattato marittimo internazionale denominato SOLAS (Safety Of Life At Sea), il cui Capitolo VIII regola l’utilizzo di reattori nucleari per la propulsione navale. Essendo stato redatto durante la fine degli anni settanta, tale documento fa riferimento a reattori di vecchia generazione. Proprio per fronteggiare le nuove sfide imposte dal cambiamento climatico, e quindi per includere reattori di nuova generazione, è richiesto un aggiornamento delle normative. E’ importante evidenziare che lo sviluppo di reattori di piccola taglia comporta una semplificazione dal punto di vista del licensing, cioè il processo di approvazione da parte delle autorità di sicurezza del progetto di un nuovo reattore nucleare. Se per produrre 3 GWth è sufficiente un reattore di grossa taglia, ne servono circa 10 di piccola taglia. Questo porta ad una produzione in serie dei reattori, con relativa standardizzazione dei modelli e dei processi. Non è quindi necessario un licensing ad hoc per ogni singolo reattore, ma una volta ottenuto il consenso dell’autorità competente è possibile produrre e installare reattori compatti ad un ritmo elevato, permettendo una rapida decarbonizzazione dell’intero settore. Giulio ci informa che anche il decommissioning, cioè lo smantellamento a fine vita, risulta facilitato per la tecnologia MSR, non solo grazie alle ridotte quantità di materiali che bisognerebbe gestire, ma anche perché questi reattori aprono ad una nuova modalità molto più snella di decommissioning. Per quanto riguarda l’utilizzo nel settore navale, gli MSR sono progettati per essere installati e rimossi dalla nave in maniera semplice e sicura. Le dimensioni ridotte permettono il trasporto del reattore stesso in totale sicurezza. E’ quindi possibile selezionare un luogo per lo smantellamento del reattore e lo smaltimento del materiale radioattivo con infrastrutture specializzate ed attrezzate ad hoc, invece che doverlo fare sul posto come nelle centrali più classiche. 

Ora che sappiamo che i reattori saranno sicuri e non richiederanno decenni per il licensing, cerchiamo di capire qual è il funzionamento del m-MSR e quali sono i suoi vantaggi. m-MSR sta per marine-Molten Salt Reactor, un reattore modulare di piccola taglia raffreddato a sali fusi con spettro veloce.

Rendering di m-MSR proposti per l’elettrificazione del trasporto navale. (Immagine fornita da CorePower).

Il combustibile è disciolto nel sale fuso, il quale funge quindi sia da combustibile che da liquido refrigerante. Questo è un valore aggiunto alla sicurezza intrinseca del reattore: nel caso in cui si avesse una perdita di refrigerante, il reattore si spegnerebbe a causa della riduzione della quantità di combustibile nel nocciolo. In questo modo si evitano incidenti spiacevoli come la perdita di fluido refrigerante con mancato shutdown del reattore e conseguente surriscaldamento (e possibile fusione) dei materiali. Il combustibile viene classificato come HALEU, cioè un combustibile che, nella classe dell’uranio a basso arricchimento (minore del 20%), sta nella fascia alta. Nello specifico, il m-MSR sfrutta uranio arricchito al 16-19%. Ciò ottimizza la capacità del reattore di autosostenere le reazioni nucleari, escludendo comunque il rischio di proliferazione. Giulio ci racconta che Core Power propone un sale fuso al cloro per i suoi m-MSR, forti di collaborazioni con aziende internazionali che stanno investendo moltissimo in questa tecnologia (come, ad esempio, Terrapower di Bill Gates). Un obiettivo parallelo è quello di rendere questi reattori “onnivori”, ovvero capaci di generare energia anche da diversi tipi di fissile. Il punto di forza forse più peculiare di questi reattori veloci di piccola taglia è che hanno un ciclo del combustibile che copre l’intero arco della vita operativa della nave, non richiedendo quindi “refueling” ed eliminando tutti i rischi di proliferazione connessi con il maneggiare combustibile nucleare a bordo o nei porti. In condizioni ideali si potrebbe persino immaginare di installare il reattore all’interno della nave durante la sua costruzione ed estrarlo quando questa termina il servizio senza mai dover intervenire sul nocciolo dello stesso, neanche per sostituirlo. 

Per concludere, ecco cosa abbiamo imparato noi del Comitato Nucleare e Ragione dal nostro incontro con Giulio. Il settore del trasporto navale si affida quasi esclusivamente alle fonti fossili per la propulsione ed è, quindi, un altro settore che si deve avviare verso un’efficacie strategia di decarbonizzazione, senza contare la necessità di preservare oasi di biodiversità di cui il mare è pieno. Viste le dimensioni e le potenze in gioco, senza dimenticare le necessità del settore stesso, il nucleare compatto sembra essere un’ottima promessa per raggiungere la “carbon neutrality”. Il mondo della ricerca e quello delle start-up sta esplorando questo campo, sviluppando e proponendo soluzioni e tecnologie sempre più convincenti e sicure. Nel frattempo, la legislazione internazionale sembra poter partire già da solide fondamenta gettate nel secolo scorso. La versatilità degli SMR apre le porte a possibili applicazioni in svariati campi, tra cui quello della decarbonizzazione del settore navale, andandosi ad inserire nella (ristretta) gamma di tecnologie efficaci, carbon-free e a basso impatto ambientale.

Bibliografia

  1. international maritime organization – report 2020, https://www.imo.org/en/OurWork/Environment/Pages/GHG-Emissions.aspx
  2. https://www.spglobal.com/esg/insights/your-climate-change-goals-may-have-a-maritime-shipping-problem 

Per approfondire

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