ANPA Agenzia Nazionale per la Protezione dell Ambiente

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1 ANPA Agezia Nazioale per la Protezioe dell Ambiete ANALISI DEI FATTORI DI EMISSIONE DI O 2 DAL SETTORE DEI TRASPORTI Metodo di Riferimeto IP, metodologia opert ed aalisi sperimetali RTI AMB-EMISS 3/2001

2 ANPA Agezia Nazioale per la Protezioe dell Ambiete Uità iterdipartimetale esimeto delle Foti di Emissioe ANALISI DEI FATTORI DI EMISSIONE DI O 2 DAL SETTORE DEI TRASPORTI Metodo di Riferimeto IP, metodologia opert ed aalisi sperimetali M. ONTALDI 1, M. ILAQUA 2 1 ANPA, Dip. Strategie Itegrate, settore lima Globale, via Vitaliao Bracati 48, Roma 2 ANPA, Dip. Ambiete, Uità Iterdipartimetale esimeto delle foti di emissioe, via Vitaliao Bracati 48, Roma

3 AGENZIA NAZIONALE PER LA PROTEZIONE DELL AMBIENTE DIPARTIMENTO STATO DELL AMBIENTE Refereza: Documeto ANPA AMB/EMISS RTI 03/01 Autori Revisioe: 0 M. otaldi (ANPA-INT-LIMA) M. Ilacqua (ANPA-AMB-EMISS) Titolo: ANALISI DEI FATTORI DI EMISSIONE DI O 2 DAL SETTORE DEI TRASPORTI Data di emissioe: 17/05/01 Lista distribuzioe: di Sommario: Il rapporto verifica i fattori di emissioe dell aidride carboica relativi al settore eergetico e i particolare del settore dei trasporti, alla luce delle receti determiazioi chimico-fisiche sperimetali sui combustibili azioali codotte dalla SS (Stazioe Sperimetale combustibili) di Sa Doato Milaese (MI), e li cofrota sia co quelli idicati dalla IP (Itergovermetal Pael for limate hage) che co quelli che scaturiscoo dalla metodologia OPERT III dell Agezia europea dell ambiete. Redatto Rivisto Approvato M. otaldi M. Ilacqua R. De Lauretis M.irillo

4 INDIE INDIE.... V SOMMARIO.....VI 1. LA STIMA DELLE EMISSIONI DI GAS SERRA osiderazioi geerali Fattori di emissioe el settore dei trasporti L APPROIO SETTORIALE ON I FATTORI DI EMISSIONE IP Itroduzioe Descrizioe del metodo settoriale utilizzado i fattori di emissioe IP Procedura seguita per il calcolo delle emissioi di O LA METODOLOGIA OPERT Descrizioe della metodologia ofroto dei fattori di emissioe OPERT co i fattori IP-OSE RISULTATI SPERIMENTALI ED ANALISI RITIA DELLE METODOLOGIE Aalisi sperimetali Verifica aalitica della metodologia opert osiderazioi prelimiari sui fattori di emissioe dei carburati ONFRONTO ON I FATTORI DI EMISSIONE IP OED Aggiorameto fattori di emissioe Serie storica dei fattori di emissioe ONLUSIONI BIBLIOGRAFIA Allegato 1: Fattori di emissioe dei carburati (fote IP, Liee Guida per gli ivetari delle emissioi di gas ad effetto serra). 23 Allegato 2: Approccio di riferimeto: emissioi di O2 dal settore dei trasporti, ao Allegato 3: Emissioi di O2 dal settore dei trasporti su strada, ao 1998, stimate dal programma opert III 25 V

5 SOMMARIO Lo scopo di questo lavoro è quello di verificare i fattori di emissioe di O 2 relativi al settore eergetico ed i particolare del settore dei trasporti, il cui cosumo eergetico riferito all ao 1998 è di 1579 TJ (25,6 % dei cosumi eergetici azioali), metre la quatità di O2 emessa ello stesso ao sempre per il settore trasporti ammota a 112 MT (26,6% delle emissioi azioali di O 2 ). I risultati prelimiari di u lavoro sperimetale di aalisi dei carburati della Stazioe sperimetale combustibili soo messi a cofroto co le idicazioi della metodologia di riferimeto per il calcolo delle emissioi della O 2 elaborata dall Itergovermetal Pael for limate hage (IP, 1996 revised Guidelies for Natioal Greehouse Gas Ivetories) e della metodologia implemetata el programma opert III dell Agezia europea del ambiete. SUMMARY The calculatio of O2 emissio factors from the Italia eergy system ad specifically from the trasportatio sector, that cosumed 1579 TJ i 1998 (25,6% of total atioal eergy cosumptio), ad produced 112 MT of O 2 ( 26,6 % of total atioal O 2 emissios) i the same year, is the object of this work. The results of aalysis of fuel samples performed by Stazioe sperimetale combustibili are checked agaist the emissio factors used i the Referece Approach from the Itergovermetal Pael for limate hage (IP, 1996 revised Guidelies for Natioal Greehouse Gas Ivetories) ad the emissio factors cosidered i the opert III programme, from EEA (Europea Eviromet Agecy). VI

6 1. LA STIMA DELLE EMISSIONI DI GAS SERRA (a cura di M. otaldi) 1.1 osiderazioi geerali Le emissioi di gas ad effetto serra possoo essere di origie atropogeica o aturale. Le emissioi di origie aturale soo i particolare dovute alle attività vulcaiche, agli icedi forestali di origie aturale ed altri eveti o ifluezati dalle attività umae. Le emissioi di origie atropogeica si riferiscoo, ivece, a tutte quelle attività ifluezate dall uomo, i particolare alle emissioi di origie eergetica, ovvero derivati dall uso dei combustibili, a quelle dovute ai processi idustriali, all agricoltura, alle foreste gestite ed al trattameto dei rifiuti. Le emissioi di aidride carboica (O 2 ) di origie eergetica corrispodoo a circa il ovata per ceto delle emissioi di gas ad effetto serra; i questo lavoro si valuterao le emissioi di aidride carboica dal sistema dei trasporti. Ovviamete, ma forse o è superfluo ricordarlo, solo le emissioi di origie atropogeica soo oggetto dei trattati iterazioali i materia quali la ovezioe sul lima ed il Protocollo di Kyoto. La stima di queste emissioi si effettua co cadeza auale co diverse metodologie approvate da orgaismi scietifici iterazioali quali l Iteratioal Pael for limate hage (IP- ). I particolare per le emissioi di aidride carboica di origie eergetica soo previste due diverse metodologie, il metodo cosiddetto di riferimeto (Referece Approach) o metodo semplificato, e metodi dettagliati o settoriali. La metodologia è descritta i dettaglio elle liee guida per gli ivetari azioali delle emissioi di gas ad effetto serra edite da IP-OED el Queste liee guida, i tre volumi, soo state recetemete aggiorate e soo dispoibili i rete al sito del segretariato della covezioe ( ). Mediate il metodo di riferimeto si calcolao le emissioi di aidride carboica valutado il coteuto di carboio dei combustibili fossili utilizzati dal sistema eergetico e sottraedo quato di questo o è emesso sotto forma di aidride carboica per u qualsiasi motivo (perdite, usi o eergetici); la quatità di carboio così otteuta è cosiderata emessa sotto forma di O 2. La metodologia prevede che co pochi dati di parteza, dispoibili, el caso dell Italia, direttamete dal Bilacio Eergetico Nazioale (BEN), a cura del Miistero dell Idustria, sui quatitativi di combustibili prodotti o importati, sia possibile giugere ad ua stima approssimata delle emissioi. A tal fie soo idicati u gra umero di valori stimati a livello iterazioale da utilizzarsi el caso o siao dispoibili valutazioi più precise. Il metodo settoriale prevede la stima dettagliata dei quatitativi di combustibili fossili effettivamete bruciati ei vari settori di utilizzo e soo i geere possibili almeo due diversi livelli di approfodimeto dipedeti dal livello di 1

7 disaggregazioe settoriale. La decisioe sul livelo di approfodimeto è lasciata al paese, i base ai dati dispoibili. Nel caso italiao la stima è fatta co ua metodologia comue europea, la metodologia ORINAIR, proposta dall Agezia Europea per l Ambiete ed utilizzata per la valutazioe ache di altri iquiati. Il calcolo delle emissioi effettuato co i due metodi dovrebbe portare a risultati aaloghi, se fatto partedo dagli stessi dati di base. 1.2 Fattori di emissioe el settore dei trasporti Per quato riguarda il settore dei trasporti, il cui peso percetuale sul totale dei cosumi eergetici riferiti all ao 1998 è del 25,6 %, e i termii di O2 prodotta è del 26,6% sul totale delle emissioi riferite sempre all ao 1998, la metodologia settoriale IP forisce ua serie di fattori di emissioe per i diversi carburati, basati su valori medi iterazioali. Ioltre il BEN riporta esplicitamete i cosumi del settore, pertato è possibile effettuare ua stima dettagliata delle emissioi utilizzado i cosumi del settore ed i fattori di emissioe iterazioali. Nel caso di utilizzo della metodologia ORINAIR per eseguire la stima dettagliata delle emissioi del settore dei trasporti è ache possibile utilizzare u modello di calcolo, il modello OPERT, che calcola automaticamete le emissioi di aidride carboica sulla base di ua serie di parametri sulle caratteristiche del combustibile. Per il cosumo complessivo di combustibile del settore si fa sempre riferimeto al BEN. Nel settore dei trasporti queste due diverse metodologie di dettaglio portao a emissioi complessive diverse, pur partedo dagli stessi cosumi complessivi. Il problema era già evidete el corso della stima delle emissioi del 1994 ( 3 ) ma è divetato o più eludibile el caso dell ivetario del 1997 ( 4, 5 ) realizzato presso questa Agezia, quado tutte le altre differeze tra le diverse metodologie di stima soo state risolte. Per dirimere la questioe è stata avviata ua attività di approfodimeto aalitico e sperimetale dei fattori di emissioe che ha portato ad alcui iteressati risultati. Nei successivi capitoli sarao prima brevemete descritte le due metodologie aalitiche ed i fattori di emissioe utilizzati, quella IP e quella utilizzata da opert, e quidi aalizzati criticamete i risultati alla luce di ua serie di dati sperimetali sui carburati. 3 ENEA, ivetario emissioi azioali 1994 ell'ambito di: oriair 1994 Ivetory, by M. Ritter, EEA 1998, ISBN Brii S., Desiato F., Fortua F., Gaudioso D., Liburdi R. Scalambretti R., Emissioi i atmosfera e qualità dell'aria i Italia, ANPA, Serie Stato dell'ambiete 6/ Saia S., otaldi M., De Lauretis R., Ilacqua M. Liburdi R., Le emissioi i atmosfera da trasorto stradale, ANPA, Serie Stato dell'ambiete 12/1999 2

8 2. L APPROIO SETTORIALE ON I FATTORI DI EMISSIONE IP (a cura di M. otaldi) 2.1 Itroduzioe Le emissioi di O 2 soo prodotte quado viee bruciato del combustibile coteete carboio. Per otteere ua valutazioe delle emissioi di O 2 dal sistema dei trasporti il metodo proposto parte dagli usi fiali del combustibile (metodologia del tipo bottom-up ). Il Bilacio Eergetico Nazioale, cotiee i dati di cosumo fiale dei diversi settori ecoomici, i particolare il settore dei trasporti, i fattori di emissioe soo specificati i letteratura e comuque ella metodologia IP, pertato la stima delle emissioi si risolverebbe i ua serie di semplici operazioi matematiche. La metodologia prevede ua ampia libertà del paese ella scelta dei fattori di emissioe. I dati soo però cotrollati dal segretariato della ovezioe sul lima ed evetuali differeze dei fattori di emissioe dai valori idicati elle metodologie approvate vao giustificati. 2.2 Descrizioe del metodo settoriale utilizzado i fattori di emissioe IP I dati ecessari soo ricavabili da diverse foti statistiche, el seguito idicate i modo dettagliato, la più importate delle quali è: - il BEN (Bilacio Eergetico Nazioale, edito aualmete dal Mi. Idustria). Secodo la metodologia di riferimeto dell IP (IP revised Guidelies for Natioal Greehouse Gas Ivetories, Vol. 2), le emissioi totali aue di O 2 dal settore dei trasporti si calcolao come segue: 1. si stima, per ogi tipo di carburate, il cosumo auo e si coverte tale cosumo i uità eergetiche (Tcal); 2. si moltiplica, per ciascu tipo di carburate, tale cosumo per il relativo fattore di emissioe i modo da valutare la quatità i massa di emesso; 3. si coverte il carboio emesso i emissioi di O 2 teedo coto di ua evetuale combustioe icompleta; 4. si sommao le emissioi relative ai vari tipi di carburate. Moltiplicado i cosumi iteri lordi di ciascu combustibile per il relativo fattore di emissioe e sommado su tutti i combustibili si ottiee la valutazioe delle cosiddette emissioi appareti. Il ome emissioi appareti è giustificato dal fatto che esse corrispodoo alle emissioi che si avrebbero se tutto il carboio coteuto ei combustibili usati fosse ossidato a O 2. 3

9 Per valutare le emissioi reali del settore di pertieza del paese ell ambito della ovezioe sul lima bisoga sottrarre alle emissioi appareti le segueti tre compoeti: 1. le emissioi di O2 origiate dalla combustioe di biomasse i quato si assume che le emissioi di O2 dovute alla combustioe di biomasse sia uguale all assorbimeto di O 2 dovuto alla sua ricrescita (el caso dei trasporti questo si applica, ad esempio, al biodisel). Le emissioi di O 2 origiate dalla combustioe di biomasse soo cotabilizzate solo per iformazioe da iserire elle omuicazioi Nazioali i ottemperaza all articolo 4.1(a) della ovezioe sui ambiameti limatici; 2. le emissioi di O2 dovute ai trasporti iterazioali avali ed aerei, i primi soo evideziati el bilacio eergetico azioale, i secodi lo erao fio al 1975, attualmete essi vegoo stimati; 3. le emissioi evitate i quato il carboio coteuto ei combustibili o è stato ossidato. Esistoo degli appositi fattori di default el caso o si dispoesse di stime più precise. 2.3 Procedura seguita per il calcolo delle emissioi di O 2 Nell allegato 1 soo idicati i fattori di emissioe per ciascu tipo di carburate. Tali fattori di emissioe, che tegoo coto di ua evetuale combustioe icompleta per mezzo del fattore di ossidazioe idicato i tabella, soo estratti dal volume 2 dell IP Guidelies for Natioal Greehouse Gas Ivetories. I allegato 2 è riportata la tabella 1.A(a) SETORAL BAKGROUND DATA FOR ENERGY - Fuel ombustio Activities - Sectoral Approach, sh. 3 of 4 per l ao 1998 estratto dalla I versioe dell ivetario per quell ao. Tale tabella è utile per illustrare il procedimeto adoperato per il calcolo delle emissioi della O 2, a partire dai combustibili sia primari che secodari destiati ai trasporti, e poi calcolare il quatitativo di carboio che viee ossidato a O 2, utilizzado i relativi fattori di emissioe. I fattori di emissioe riportati i allegato 2 soo leggermete diversi da quelli i allegato 1 i quato risultati di ua serie di elaborazioi ed arrotodameti. Le stime dei cosumi coteute ell Allegato 2 soo già al etto dei carburati utilizzati per i bukeraggi marittimi ed aerei e dei biocombustibili. La stima per questi ultimi e per i bukeraggi marittimi è esplicitamete mezioata el BEN, il carboio coteuto ei combustibili usate per il traffico aereo iterazioale è stato stimato i modo covezioale 6. 6 Per quato riguarda i cosumi da trasporto aereo iterazioale, si è cosiderato che tale cosumo sia pari a circa due terzi del cosumo azioale di carboturbo. 4

10 3 LA METODOLOGIA OPERT (a cura di M. Ilacqua) Ua aaloga stima settoriale è effettuata dal programma opert III. I allegato 3 soo riportate le stime di emissioe di gas serra da parte del traffico su strada effettuate co il programma opert III sulla base dei cosumi di carburati stimati dal BEN per il Queste stime soo state effettuate co la metodologia descritta ei segueti paragrafi. 3.1 Descrizioe della metodologia La metodologia OPERT stima le emissioi di O 2 sulla base del cosumo di carburate, assumedo che il carboio coteuto i esso sia portato tutto allo stato di massima ossidazioe, ovvero a O 2 Nel caso si vogliao calcolare le emissioi complessive di aidride carboica si utilizza il calcolo stechiometrico, suppoedo che tutto il carboio sia ossidato ad aidride carboica, co la seguete formula : AL E O 2 = 44,011 12,011 + F (1) 1,008r H: dove, r rapporto tra umero di atomi di idrogeo e carboio el combustibile H: impiegato (~1,8 per bezia e ~2,0 per diesel). F Fuel cosumptio, cosumo di combustibile, i peso E Emissioi calcolate di O 2, i peso AL O 2, Nel caso si itedesse calcolare le emissioi di aidride carboica all uscita del tubo di scarico dei veicoli vao teuti i cosiderazioe i quatitativi di carboio coteuti elle emissioi di moossido di carboio, composti orgaici volatili e particolato. Si applica la formula seguete: E AL O 2 AL O VO PM F E E E = 44,011 (2) 12, ,008r 28,011 13,85 12,011 H: dove O E = emissioi di O i peso per mole di carburate combusto VO E = emissioi di VO i peso per mole di carburate combusto 5

11 PM E = emissioi di particolato carboioso per mole di carburate combusto Da quato precede è implicita l assuzioe che la miscela idrocarburica sia costituita esclusivamete dai compoeti idrogeo e carboio. Ifatti ella formulazioe (2), relativamete alla parte per il calcolo della quatità stechiometrica di aidride carboica prodotta, soo presi i cosiderazioe solo i pesi atomici del carboio e dell idrogeo. 3.2 ofroto dei fattori di emissioe OPERT co i fattori IP-OSE U cotrollo icrociato tra i dati emissivi del trasporto su strada dell Allegato 2 (riga b. Road trasportatio) e dell Allegato 3 (somma dei totali per tipologia di carburati) evidezia differeze piccole ma o trascurabili tra le emissioi calcolate co il modello opert e quelle fatte a partire dai fattori di emissioe IP-OSE sulla base degli stessi cosumi di carburati (differeza percetuale pari a 4% per la bezia, 3,5% per il gpl, iferiore all 1% per il gasolio). Tali differeze percetuali soo le stesse per gli ivetari degli ai precedeti ( ). La valutazioe comparata mostra che il modello opert si basa per il calcolo delle emissioi su di u rapporto medio tra idrogeo / carboio (rapporto H/) dei carburati (bezia e gasolio), riteuto dalla metodologia idipedete dal coteuto eergetico o dalla desità dei carburati e desuto dalla letteratura iterazioale. I particolare i rapporti H/ cosigliati dal programma, soo pari a 1,8 per le bezie, 2,0 per i gasoli e 2,58 per il gpl. Dalle cosiderazioi precedeti è evidete che esiste ua differeza tra i fattori di emissioe utilizzati da opert e quelli IP-OSE: - il dato IP-OSE stima le emissioi a partire da u determiato coteuto eergetico dei carburati e ulla dice del rapporto H/; - il dato BEN, ormalizza le bezie ed i gasoli rispetto al loro coteuto eergetico che risulta diverso da quello IP-OSE; - la metodologia seguita dal modello opert si basa su cosiderazioi termochimiche di base. L aalisi delle differeze tra i fattori di emissioe suddetti è effettuata el capitolo 4. o valutazioi idirette ( ad esempio eq. (1) ) è possibile ricavare dei rapporti H/ per i primi due approcci (IP e MIA) e cofrotarli co quelli cosigliati el modello opert, co i dati di letteratura e co i risultati sperimetali. I tabella 1 soo illustrate per ogi approccio di stima le segueti iformazioi : %, %H, H/, fattore emissioe O 2 derivato. Si sottoliea che el caso del dato idicato come fattore emissioe BEN o si tratta di ua composizioe del prodotto comuicata dal Miistero Idustria ma di u fattore di emissioe (e quidi del rapporto H/) ricavato da ua bezia che abbia il potere calorifico idicato el BEN ed il fattore di emissioe per uità di eergia idicato dall IP/OED. 6

12 Ache ua rapida lettura dei dati i tabella mostra l estrema variabilità dei dati co differeze, per la bezia, fio al 5% elle emissioi specifiche ed addirittura del 25% el rapporto H/. Per il gasolio i fattori di emissioe soo più costati ma i rapporti H/ variao fio al 15%. La differete composizioe dei carburati, prodotti co miscele di diversi idrocarburi, o può giustificare simili variazioi per bezia e gasolio. Le differeze tra le varie foti, già esamiate el precedete capitolo, soo quidi acora più evideti e lo è ache l importaza di effettuare campage sperimetali che correlassero l aalisi chimica dei carburati azioali (e quidi il rapporto H/) co il loro coteuto eergetico. 7

13 aratterizzazioe chimico-fisica di combustibili per autotrazioe 1 semestre settembre febbraio 2001 AMPIONI DI BENZINA arboio Idrogeo H/ O2 fattore emissioe % m/m % m/m (kg O 2 )/(kg fuel) media valori misurati 86,035 13,528 1,875 3,152 (dopo eutralizzazioe errore sperimetale) approccio IP / OED 84,500 15,300 2,158 3,102 approccio BEN 83,030 16,970 2,436 3,042 approccio OPERT 86,878 13,122 1,800 3,183 Dati di letteratura: Perry. 2,140 3,113 Heywood 1,900 3,167 AMPIONI DI GASOLIO media valori misurati autotrazioe 86,64 13,33 1,834 3,175 (dopo eutralizzazioe errore sperimetale) media valori misurati riscaldameto 86,68 13,21 1,816 3,176 approccio IP / OED 87,53 12,47 1,698 3,207 approccio BEN 86,22 13,78 1,905 3,159 approccio OPERT 85,63 14,37 2,000 3,138 Dati di letteratura: Perry. 1,910 3,162 Heywood 1,830 3,183 AMPIONI DI GPL media valori misurati autotrazioe 82,59 17,41 2,513 3,026 approccio IP / OED 81,38 18,62 2,727 2,982 approccio BEN 81,62 18,38 2,684 2,901 approccio OPERT 82,20 17,80 2,580 3,012 Dati di letteratura: Perry. 2,610 3,014 Tabella 1 - ofroto tra i rapporti H/ Fote: elaborazioi ANPA su dati IP, MIA, OPERT 8

14 4. RISULTATI SPERIMENTALI ED ANALISI RITIA DELLE METODOLOGIE (a cura di M. Ilacqua) 4.1 Aalisi sperimetali Grazie al cotratto i essere tra ANPA e la Stazioe sperimetale dei combustibili per la caratterizzazioe di u campioe rappresetativo dei carburati prodotti i Italia, è stato possibile utilizzare delle aalisi relative ai parametri carboio, idrogeo, potere calorifico superiore, zolfo, di u umero di campioi rappresetativi del mercato azioale a partire da settembre Vediamo a questo puto di dare alcui ragguagli tecici sulle determiazioi sperimetali eseguite. Per la determiazioe del coteuto di carboio e idrogeo elle bezie, il campioe di combustibile viee bruciato e successivamete viee determiata la O 2 e H 2 O prodotte, dopo separazioe cromatografica e rivelazioe a coducibilità termica. La metodica aalitica impiegata per il carboio ed idrogeo el gasolio è ASTM D5291. La ripetibilità (idice di precisioe ella serie di determiazioi aalitiche, espresso come deviazioe dal valore medio di determiazioi ripetute quado siao state eseguite ella stessa serie, dallo stesso operatore, ello stesso laboratorio, sulla stessa strumetazioe) della prova atta a determiare il coteuto percetuale i peso di carboio (%) è pari a 0,98% per il livello di carboio (L %) =87%, ovvero per il livello %= 87%, due prove aalitiche si dicoo i ripetibilità se il risultato otteuto, si colloca all itero dell itervallo (87 + 0,98/2) ed (87-0,98/2). La formula che mette i relazioe la ripetibilità al livello di carboio (L%) è per il carboio r =0,0072 (L% + 48,48), metre per l idrogeo r = 0,11 * LH %, dove LH% è il livello di idrogeo; pertato per il riferimeto 13% H r = 0,42. Per quato riguarda ivece la riproducibilità (idice della precisioe fra le serie, espresso come deviazioe dal valore medio di determiazioi ripetute i serie diverse, eseguite i tempi diversi evetualmete da operatori ed i laboratori diversi) della prova aalitica per il carboio è R = 0,018 (L % + 48,48), metre per l idrogeo R = 0,2314 * LH %. Per la determiazioe del potere calorifico superiore (metodo ASTM D 240) per bezie e gasoli, il campioe i esame viee bruciato i bomba co ossigeo, e misurata la quatità di calore sviluppata durate la combustioe co formazioe di prodotti allo stato gassoso, ad eccezioe dell acqua. La ripetibilità per il potere calorifico superiore è per qualsiasi livello r = 0,13; la riproducibilità R= 0,4. Per la determiazioe dello zolfo (metodo EN ISO14596) il campioe viee esamiato mediate spettrometria di fluoresceza ai raggi X. Si utilizza uo stadard itero per correggere evetuali iterfereze della matrice. Prededo i esame il GPL, la determiazioe del % e H% è stata effettuata utilizzado il metodo (EN 27941); per il potere calorifico iferiore ivece si è ricorso al metodo (DIN 51612). Etrambe le determiazioi per il GPL soo da calcolo basato sull aalisi strumetale gas-cromatografica eseguita su campioi rappresetativi. Il lavoro sperimetale prosegue tuttora ed alla data di pubblicazioe del presete rapporto si dispoe solo di ua parte dei dati. I tabella 2 soo riportati i dati medi risultati dalle aalisi dispoibili, per bezia, gasolio e gpl. 9

15 Questi dati soo tuttavia sufficieti a verificare la metodologia opert per il calcolo delle emissioi stechiometriche di O 2, dato che si dispoe di rilevazioi precise del rapporto H/ e di tutti gli altri composti chimici coteuti i u discreto umero di campioi. aratterizzazioe chimico-fisica di combustibili per autotrazioe 1 semestre settembre febbraio 2001 arboio Idrogeo H/ Ossigeo Zolfo Pot. al. If. Aalizzatore HOAalizzatore HO EN ISO % m/m % m/m %m/m mg/kg kcal/kg AMPIONI DI BENZINA media valori 86,029 13,527 1,875 0, AMPIONI DI GASOLIO media autotrazioe 86,356 13,309 1,837 0, media riscaldameto 86,375 13,209 1,822 0, AMPIONI DI GPL media autotrazioe 82,480 17,520 2, Tabella 2 Risultati prelimiari aalisi campioi carburati, dati grezzi Fote: Tittarelli 10

16 4.2 Verifica aalitica della metodologia opert ome già visto el capitolo III ella metodologia implemetata i opert è implicita l assuzioe che la miscela idrocarburica sia costituita esclusivamete dai compoeti idrogeo e carboio. Ifatti ella formulazioe (1) soo presi i cosiderazioe solo i pesi atomici del carboio e dell idrogeo. Nel caso ivece vi sia l itroduzioe di u additivo ossigeato, come elle modere bezie seza piombo, il suddetto calcolo va rivisto ode teere i coto la uova circostaza, ioltre si prede i cosiderazioe ache la preseza di zolfo, per quato miima, per omogeeità co i dati sperimetali dispoibili La uova formulazioe pertato è derivata impostado u bilacio di massa applicato ai sigoli compoeti del combustibile, co la seguete formula: 1 = H ( AW ) + ( AW ) + ( AW ) + ( AW ) H ( MW ) O fuel O S S (3) Dove: H = atomi di idrogeo = atomi di carboio O = atomi di ossigeo S = atomi di zolfo (AW) H = Peso atomico dell idrogeo (AW) = Peso atomico del carboio (AW) O = Peso atomico dell ossigeo (AW) S = Peso atomico dello zolfo (MW) fuel = Peso molecolare del combustibile W O2 = Peso della aidride carboica (Kg O2 ) W fuel = Peso del combustibile ( Kg fuel) H H 1 = ( MW ) O S ( AW ) + ( AW ) + ( AW ) + ( AW ) fuel O S (4) Ua mole di carboio si trasforma i ua mole di O 2, secodo la reazioe seguete: + O 2 O2 (5) 11

17 poiché : 1 = ( MW ) ( W ) O 2 O 2 (6) ( MW ) W = O 2 1 O2 (7) ombiado la (4) co la (7) si avrà: W O 2 ( MW O 2 = H AW H + AW + ) O S ( ) ( ) ( ) ( ) ( MW ) fuel AW O + AW S (8) Per ua mole di combustibile sarà (MW) fuel = W fuel W O 2 poedo O 2 = H ( MW ) O S ( AW ) H + ( AW ) + ( AW ) O + ( AW ) S W fuel (9) H = r H: ; O = r O: ; S = r S: ; la formula di OPERT corretta sarà pertato: 12

18 F E AL O = 44, , ,008r H: + 15,999r O: + 32,064 r S: (10) 4.3 osiderazioi prelimiari sui fattori di emissioe dei carburati Sulla base delle cosiderazioi ei due paragrafi precedeti è stato possibile ricomputare i fattori di emissioe dei carburati, applicado opportui fattori di correzioe che tegoo coto degli errori sperimetali ella determiazioe dei coteuti di carboio, idrogeo. Ad esempio, co riferimeto ai dati di tabella 2 posizioata a pag. 13, il coteuto di ossigeati el gasolio è sicuramete ullo. I tabella 3 soo riportati, per diverse tipologie di carburati descritte el seguito, i valori corretti dei coteuti di carboio, idrogeo ed ossigeo, il uovo rapporto H/ ed i fattori di emissioe calcolati secodo diverse metodologie: - bilacio di massa - formula opert o corretta (opert stadard), che ipotizza che il carburate sia costituito esclusivamete da atomi di H e di (aidride carboica i fuzioe del rapporto idrogeo-carboio eq. (1)) - formula opert rivista, che tiee i cosiderazioe la preseza di zolfo e dei composti ossigeati itrodotti elle uove formulazioi dei carburati (opert ew formula eq. (10)) Per comodità di cofroto i tabella 3 oltre ai valori sperimetali soo stati riportati i fattori di emissioe per diverse tipologie di carburati, i particolare per il carburate medio idicato da IP/OED e, per bezia e gasolio, u fattore di emissioe per i carburati azioali otteuto cosiderado il fattore di emissioe IP iversamete proporzioale al potere calorifico dei carburati ed i poteri calorifici idicati el BEN. ome si potrà otare i fattori di emissioe di O2 calcolati co u bilacio di massa e co la formula di opert opportuamete corretta soo coicideti. Le residue differeze tra i vari tipi di carburate soo coteute, massimo 1,6% per le bezie, e ricoducibili a differeti composizioi chimiche. Si può quidi affermare che le diverse metodologie utilizzate soo compatibili e comuque corrette. Ioltre a questo puto soo oti i fattori di emissioe tipici dei carburati azioali, applicabili però per gli ai 2000 e segueti. Resta aperto il problema 13

19 di quale fattore applicare per gli ai precedeti, vedi il successivo paragrafo serie storica dei fattori di emissioe. Se si volesse riprodurre co il modello opert attuale, i attesa di ua sua revisioe, il fattore di emissioe sperimetale o resta che modificare i modo opportuo il rapporto H/, fio a riprodurre il dato sperimetale. Evetuali ulteriori variazioi potrao dipedere dal completameto del programma sperimetale i corso e da successive aalisi di cotrollo el corso degli ai. 14

20 aratterizzazioe chimico-fisica di combustibili per autotrazioe 1 semestre settembre febbraio 2001 AMPIONI DI BENZINA Parametri combustibili Fattori emissioe calcolati (*) arboio Idrogeo Ossigeo H/ O2 O2 O2 bilacio di opert opert (dopo eutralizzazioe errore sperimetale) massa stadard rivisto % m/m % m/m % m/m kg O2/kg kg/kg kg/kg parametri sperimetali 86,035 13,528 0,431 1,875 3,152 3,166 3,152 parametri IP 84,500 15,300 2,158 3,102 parametri IP iterpolati (**) 85,850 13,970 1,939 3,151 AMPIONI DI GASOLIO parametri sperimetali autotrazioe 86,62 13,35 1,837 3,174 3,175 3,174 parametri sperimetali riscaldameto 86,62 13,25 1,822 3,174 3,178 3,174 parametri IP 87,53 12,47 1,698 3,207 AMPIONI DI GPL parametri sperimetali autotrazioe 82,48 17,52 2,532 3,022 3,022 3,022 parametri IP 81,38 18,62 2,727 2,982 (*) vedi cap. IV.2 (**) vedi cap. V Tabella 3 - Risultati prelimiari aalisi campioi carburati, dati elaborati Fote: elaborazioi ANPA su dati Tittarelli, OPERT 15

21 5. ONFRONTO ON I FATTORI DI EMISSIONE IP - OED (a cura di M. otaldi) 5.1 Aggiorameto fattori di emissioe Sulla base delle determiazioi precedeti soo stati ricomputati i fattori di emissioe elle diverse uità di misura, da impiegarsi elle determiazioi degli ivetari o riferimeto ai dati i tabella 4 si putualizza che i dati IP OSE ed i dati utilizzati fio ad oggi per gli ivetari (bezia e gasolio ) soo iclusi per u più facile cofroto. ome già ricordato el precedete paragrafo i dati della tabella 4 aggiorao quelli riportati i Allegato 1 a partire dal Il dato che più colpisce è quello relativo alla bezia, che aumeta cosiderevolmete il fattore di emissioe associato i proporzioe iversa al coteuto eergetico. I particolare questo fattore risulta molto vicio a quello del gasolio. Tale fatto è certamete dovuto all itroduzioe diffusa di ossigeati ella riformulazioe delle bezie, per compesare la riduzioe del coteuto di idrocarburi aromatici, al fie ache di mateere la qualità ottaica richiesta dalle ormative vigeti. Ifatti il potere calorifico degli ossigeati itrodotti è sesibilmete iferiore alla classe degli aromatici sostituiti. Fattori di emissioe O2 Fattori di emissioe stechiometrici Fattori di emissioe ivetario 1999 pci t / TJ t O2 / TJ t O2 / tep t O2 / t t O2 / TJ t O2 / t t O2 / tep tep / t ofroto fattori emissioe iterazioali - prove su campioi azioali Bezia - IP / OED bz. BEN, fat. emis. iterpolato bezia, 1990-' bezia, media Gasolio - IP / OED gasolio, 1990-' gasolio auto, media gasolio risc., media GPL - IP / OED gpl, 1990-' gpl, media Tabella 4 - Fattori di emissioe aggiorati Fote: elaborazioi ANPA su dati IP, MIA, Tittarelli 16

22 5.2 Serie storica dei fattori di emissioe I dati sperimetali cosetoo di aggiorare i fattori di emissioe per l ao 2000 ma o dao idicazioi dirette sui fattori da utilizzare per la serie storica dei dati, dal 1990 al Le iformazioi dispoibili a questo proposito soo le segueti: - a partire dal geaio 2000 soo distribuiti i Italia carburati riformulati rispetto agli ai precedeti, vista l etrata i vigore della uova direttiva 98/69/E che fissa limiti precisi per il coteuto dei diversi composti i bezie e gasoli, co l obiettivo geerale di otteere carburati più omogeei e più puliti ; - i dati aalitici si riferiscoo a questi uovi carburati e soo pertato sicuramete o applicabili tal quali agli ai precedeti; - la trasizioe è stata graduale, si è sommata all itroduzioe geeralizzata della bezia seza piombo a partire dal 1993 ed alla riduzioe del coteuto di zolfo ei gasoli a partire dal 1996; l idustria ha comiciato ad adeguare la sua produzioe alle uove regole completado la trasizioe el ; - o si dispoe attualmete di determiazioi aalitiche per i carburati degli ai aaloghe a quelle illustrate el capitolo IV e che cosetao di calcolare i fattori di emissioe; - si dispoe di stime relative al potere calorifico dei carburati ei primi ai 90, riportate el BEN ed i diverse pubblicazioi, e di alcue stime sul coteuto di zolfo. Sulla base di questi dati o riteiamo attualmete possibile determiare co precisioe il fattore di emissioe ma è ache evidete che quello utilizzato fiora preseta diverse pecche, co riferimeto ai dati riportati i tabella 4: - cofrotado i dati coteuti elle righe gasolio/gpl co quelli delle righe media 2000 per i diversi carburati si osserva che le differeze soo iferiori all 1% e sembra possibile utilizzare i uovi valori ache per il passato; - cofrotado i dati coteuti elle righe bezia co quelli delle righe media 2000 le differeze soo ivece pari al 2% circa e vao approfodite viste le quatità i giuoco; - co riferimeto ai fattori di emissioe IP-OED si osserva che soo riferiti a carburati piuttosto eergetici, i particolare la bezia ha u coteuto calorifico di oltre kcal/kg, rispetto ai kcal/kg del BEN e i kcal/kg misurati; - il fattore di emissioe IP-OED è però espresso i coteuto di carboio rispetto all uità di eergia, suggeredo il fatto di ua relativa ivariaza di questo dato al variare del potere calorifico; per Kg di bezia questo equivale a circa 3,102 t di O2 per t di carburate; - il fattore di emissioe utilizzato fiora (righe bezia gasolio e gpl ) si foda sul coteuto di carboio rispetto all uità di eergia e stima u fattore di emissioe per kg di carburate utilizzado: o il fattore di emissioe IP per uità eergetica 17

23 o o il coteuto eergetico ormalizzato per i carburati (bezie pari a circa Kcal/kg) come riportato ei BEN il fattore di emissioe risulta pertato pari, el caso della bezia, a circa 3,042 t di O2 per t, co ua differeza del 2% circa rispetto ai dati sperimetali. Sulla base dei diversi dati sperimetali di cui si dispoe o esiste affatto ua relativa stabilità del fattore di emissioe rispetto al coteuto eergetico dei carburati, ma azi si preseta ua piccola ma sigificativa correlazioe egativa, ovvero il fattore di emissioe per uità di eergia prodotta aumeta co il dimiuire del coteuto eergetico del combustibile. Questo fatto è più prouciato el caso di preseza di composti ossigeati ma resta valido ache per le bezie seza questi composti. Al fie di determiare i fattori di emissioe per il periodo si ritiee, per i gasoli ed il gpl, di adottare i fattori sperimetali rilevati el 2000 ache per gli ai precedeti, viste le differeze iferiori all 1% co i dati di coteuto eergetico riportati el BEN e co le stime IP-OED. Per quello che riguarda le bezie, si dispoe delle segueti iformazioi: - come già ricordato il fattore di emissioe o è stabile rispetto al coteuto eergetico dei carburati, si rileva ivece ua sigificativa correlazioe egativa, ovvero il fattore di emissioe per uità di eergia prodotta aumeta co il dimiuire del coteuto eergetico; - utilizzado i dati sperimetali delle sole bezie seza ossigeo (12 campioi attualmete), che soo le più simili ai carburati utilizzati i precedeza, si è verificata la stabilità della correlazioe esistete tra i fattori di emissioe per uità eergetica ed il potere calorifico; la correlazioe dei dati risulta molto elevata e pari ad oltre il 94%; - degli stessi campioi di bezia seza ossigeati è oto sia il potere calorifico che il fattore di emissioe; - della bezia IP-OED di riferimeto soo oti sia il fattore di emissioe che il coteuto eergetico - delle bezie azioali, come già ricordato, è oto solo il coteuto eergetico. Si propoe pertato, i attesa di determiazioi aalitiche più precise, di iterpolare i dati di fattore di emissioe e coteuto eergetico dei campioi 2000 della bezia di riferimeto iterazioale e, per mezzo dell equazioe di iterpolazioe, stimare il fattore di emissioe della bezia azioale utilizzado il suo potere calorifico. Il fattore di emissioe risultate è riportato i tabella 4 alla riga bz BEN, fat. di emissioe iterpolato. Il dato umerico è molto simile alla media dei valori misurati, ma dal puto di vista metodologico è molto più solido. 18

24 ome già acceato questo fattore di emissioe iterpolato è riteuto sicuramete applicabile dal 1990 al , el periodo successivo si è i preseza di ua trasizioe graduale verso i carburati riformulati e o sarebbe applicabile, ma, i asseza di iformazioi, si propoe di utilizzarlo comuque. ambiare i fattori di emissioe cambia ovviamete gli ivetari delle emissioi: el caso dell ivetario 1998 la variazioe elle emissioi è pari a + 1 Mt di O 2 per la bezia, 0.5 Mt per il gasolio e 0.18 Mt per il GPL. Rispetto al totale delle emissioi eergetiche dello stesso ao, pari a 427 Mt di O 2, si tratta di ua variazioe complessiva dello 0.4%, più sesibile la variazioe delle sole emissioi del trasporto su strada, che aumetao del 2% circa. 19

25 6. ONLUSIONI Nei capitoli II e III soo state riepilogate le o trascurabili differeze di stima delle emissioi risultati el settore dei trasporti dovute all uso di diverse metodologie (i termii di emissioe i peso di aidride carboica la differeza tra l applicazioe metodologia IP-OSE e modello opert risulta per la bezia 1 MT, per il gasolio 0,5 MT prededo come riferimeto l ivetario del 1998). Queste metodologie, il modello opert e la metodologia settoriale dell IP- OSE, soo comuque metodi di riferimeto a livello iterazioale. Sulla base dei dati di letteratura dispoibili la spiegazioe più probabile per queste differeze è dovuta alla o cofrotabilità dei dati di base dei carburati, dato che ua metodologia si riferisce alla composizioe chimica e l altra al coteuto eergetico dei carburati stessi. Risultati sperimetali prelimiari riportati el capitolo IV correlao la composizioe chimica ed il coteuto eergetico di ua serie di campioi di carburati rappresetativi della produzioe azioale e cosetoo valutazioi più precise. Per quato riguarda il modello opert, l aalisi putuale delle formule termochimiche utilizzate mostra che esse trascurao il coteuto di ossigeo delle bezie e di zolfo dei gasoli, pertato, el caso di carburati co elevati teori di ossigeo e/o di zolfo i fattori di emissioe calcolati si discostao da quelli reali. Si propoe quidi la correzioe delle formule utilizzate dal modello opert i modo che tegao coto del coteuto di ossigeo delle bezie. La correzioe del modello va cocordata a livello iterazioale e soo state itraprese le opportue azioi. Nel frattempo si propoe di correggere i fattori H/ utilizzati dal modello utilizzato dall ANPA i modo da otteere le emissioi reali di aidride carboica. Per quato riguarda i fattori di emissioe IP-OSE, le differeze risultao miime per gasoli e gpl e pertato i fattori di emissioe sperimetali possoo essere adottati traquillamete. Per quato riguarda le bezie occorre aspettare le coclusioi della campaga sperimetale ma si può fi d ora affermare che il dato IP-OSE è relativamete basso ed adrà aggiorato. Il dato IP è validissimo, si badi bee, é le bezie italiae soo così diverse da quelle di altri paesi, semplicemete il fattore di emissioe o tiee coto delle receti modifiche ella composizioe delle bezie, i particolare dell aggiuta di ossigeati, che modificao i modo sigificativo questo carburate. Nel capitolo V si affrota la determiazioe di fattori di emissioe applicabili per il periodo Per i gasoli e gpl, viste le differeze iferiori all 1% co i dati IP-OED, si propoe di utilizzare i dati sperimetali per tutto il periodo. Per le bezie è stato proposto di utilizzare ua iterpolazioe che tega coto dei risultati sperimetali attuali e dei fattori di emissioe IP e coseta di utilizzare le iformazioi coteute el Bilacio eergetico. Le variazioi attese egli ivetari del settore dei trasporti a causa della revisioe dei fattori di emissioe 20

26 soo dell ordie del 2%, più coteuta l iflueza sulle emissioi complessive, circa lo 0,5%. Le aalisi sperimetali sui campioi di combustibile o soo complete, pertato i fattori di emissioe riportati el presete documeto soo soggetti a variazioi. 21

27 7. BIBLIOGRAFIA Brii S., Desiato F., Fortua F., Gaudioso D., Liburdi R. Scalambretti R., Emissioi i atmosfera e qualità dell'aria i Italia, ANPA, Serie Stato dell'ambiete 6/1999 otaldi M., De Lauretis R., Picii P. (2000): "Aalisi e validazioe di metodologie per il calcolo delle emissioi iquiati dei trasporti", ANPA, Giugo 2000 ENEA, ivetario emissioi azioali 1994 ell'ambito di:oriair 1994 Ivetory, by M. Ritter, EEA 1998, ISBN Europea Eviromet Agecy (EEA), Atmospheric emissio ivetory guidebook, Joit EMEP-ORINAIR edito el febbraio 1996 Europea Eviromet Agecy Europea Topic etre o Air Emissio, Recommedatios for revised data system for air emissio ivetories, (Topic Report 1995/2 dispoibile el sito web IP/IEA/OSE/UNEP, IP 1996 revised Guidelies For Natioal Greehouse Gas Ivetories, Vol. 1-3, IP WGI Techical Support Uit, Hadley etre, Brackell, UK (sito web MIA (Miistero dell Idustria, del ommercio e dell Artigiaato, Direzioe Geerale delle Foti di Eergia ed idustrie di base), Bilacio Eergetico Nazioale, ai vari, sito web Ntziachristos L. ad Samaras Z. LAT/AUTh (Europea Topic etre o Air Emissios) with cotributios from: S. Egglesto (AEA Techology), N. Goriße (UBA), D. Hassel (TÜV Rheilad), A.-J. Hickma (TRL), R. Joumard (INRETS, R. Rijkeboer (TNO) ad K.-H. Zierock (UBA), Mauale programma opert III, EEA, July 1999) Saia S., otaldi M., De Lauretis R., Ilacqua M. Liburdi R., Le emissioi i atmosfera da trasporto stradale, ANPA, Serie Stato dell'ambiete 12/1999 Tittarelli P., Stazioe sperimetale combustibili, primi risultati aalitici del cotratto co ANPA per Aalisi caratteristiche carburati, marzo

28 Allegato 1 - Fattori di emissioe dei carburati (Liee Guida per gli ivetari delle emissioi di gas ad effetto serra). Fote: IP Fattori di emissioe O2 Fattori di emissioe stechiometrici coeffic. di ossidazioe Fattori di emissioe ivetario 1998 t / TJ t O2 / TJ t O2 / tep t O2 / t t O2 / TJ t O2 / t t O2 / tep Fattori di emissioe iterazioali (IP / OSE - Referece approach, 1997) ombustibili liquidi Petrolio greggio GPL Bezia Kerosee arica petrolchimica ( 20.0 ) Gasolio Olio combustibile deso oke di petrolio Orimulsio TAR ombustibili gassosi Gas aturale(dry) IP Gas aturale (secco) ' Gas aturale (secco) ' Biomasse Biomassa solida ( 29.9 ) (109.56) (1.124) Biodiesel ( 20 ) Biogas ( 30.6 ) 23

29 Allegato 2 - Approccio di riferimeto :emissioi di O 2 dal settore dei trasporti, ao 1998 Fote: ommo reportig format (dati comuicati da Miistero Ambiete a segretariato covezioe sul clima) TABLE 1.A(a) SETORAL BAKGROUND DATA FOR ENERGY Italy Fuel ombustio Activities - Sectoral Approach 1998 (Sheet 3 of 4) Submissio 1998 GREENHOUSE GAS SOURE AGGREGATE AND SINK ATEGORIES ATIVITY IMPLIED DATA EMISSION FATORS (2) EMISSIONS osumptio O2 H4 N2O O2 H4 N2O (TJ) (1) (t/tj) (kg/tj) (kg/tj) (Gg) (Gg) (Gg) 1.A.3 Trasport NV Gasolie NV 68,27 38,14 7, Diesel NV 73,26 15,16 8, Natural Gas NV 56,32 18,25 8, Solid Fuels 0 NV 0,00 0,00 0, Biomass 0 NV 0,00 0,00 0, Other Fuels NV 63,09 39,70 7, a. ivil Aviatio NV Aviatio Gasolie 308 NV 68,56 0,00 0, Jet Kerosee NV 70,75 31,91 15, b. Road Trasportatio NV Gasolie NV 68,17 38,41 7, Diesel Oil NV 73,26 14,09 6, Natural Gas NV 56,32 18,25 8, Biomass 0 NV 0,00 0,00 0,00 (3) Other Fuels (please specify) NV Liquid Petroleum Gas (LPG) NV 62,39 18,21 5, NV 0,00 0,00 0,00 c. Railways NV Solid Fuels 0 NV 0,00 0,00 0,00 Liquid Fuels NV 73,28 13,80 23, Other Fuels (please specify) 0 NV NV 0,00 0,00 0,00 d. Navigatio NV oal 0 NV 0,00 0,00 0,00 Residual Oil 0 NV 0,00 0,00 0,00 Gas/Diesel Oil NV 73,28 73,61 77, Other Fuels (please specify) NV gasolie NV 68,56 205,81 19, NV 0,00 0,00 0,00 e. Other Trasportatio 0 NV Liquid Fuels NV 0,00 0,00 0,00 Solid Fuels NV 0,00 0,00 0,00 Gaseous Fuels NV 0,00 0,00 0,00 24

30 Allegato 3 - Emissioi di O2 dal settore dei trasporti su strada, ao 1998, stimate dal programma opert III Fote: OPERT 25