CAPITOLO 2 CNG COME COMBUSTIBILE PER AUTOTRAZIONE

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1 CAPITOLO 2 CNG COME COMBUSTIBILE PER AUTOTRAZIONE 2.1 Introduzione In questo lavoro di tesi si intende concentrare l attenzione sull utilizzo del gas naturale come combustibile per autotrazione. Qui di seguito si analizzano le caratteristiche del metano impiagato come combustibile alternativo nei veicoli, fornendo un quadro dello stato dell arte di questo settore e delle principali caratteristiche tecniche e tecnologiche coinvolte. Inoltre è stata eseguita un analisi delle emissioni inquinanti del metano, per confrontare il suo impatto ambientale rispetto ai combustibili tradizionali. 2.2 Il metano come combustibile per l autotrazione L impiego del metano per autotrazione comincia in Italia negli anni 30 ed ha un discreto sviluppo fino agli anni 50. Poi si afferma sempre più l alimentazione a benzina e l impiego del metano come carburante per gli autoveicoli finisce per essere considerato una soluzione povera. Con il nascere della coscienza ecologica e soprattutto con la crescente attenzione negli ultimi anni al contenimento delle emissione degli autoveicoli, si determina invece un grande interesse verso il metano per autotrazione. Infatti, con l aumento dell inquinamento, in particolare nelle aree urbane e densamente popolate, l interesse verso l impatto ambientale del settore dei trasporti è cresciuto di pari passo. I trasporti contribuiscono all inquinamento di origine antropica globalmente per circa il 60% e, nei paesi industrializzati, per il 60% al consumo del petrolio. I combustibili attualmente utilizzati per autotrazione sono per il 99% derivati del petrolio: di conseguenza, il legame tra veicoli, petrolio ed inquinamento diventa evidente [8]. Quindi attualmente una delle sfide più importanti consiste proprio nel ricercare nuove soluzioni per migliorare la qualità dell aria nelle aree urbane ed extraurbane, senza però inficiare la mobilità e la crescita economica. 2.3 I combustibili alternativi Il metano non è l unico combustibile alternativo ai derivati del petrolio, ma ne esistono altri; di seguito si analizzano brevemente i pregi e i difetti di queste sostanze. I biocombustibili costituiscono la soluzione più pulita attualmente disponibile sia per l ambiente, che per il clima, che per la salute umana. Un simile vantaggio dal punto di vista delle emissioni è però controbilanciato dalla necessità di processare il combustibile grezzo 23

2 perché ricco di sostanze (acqua, composti solforati, ammoniaca, particolati grossolani) che danneggerebbero il motore. Inoltre, la produzione di biomasse da cui ricavare il combustibile richiede vasti appezzamenti di terreno, per cui si apre la questione della competizione con la produzione di cibo. I combustibili a base di alcoli, in particolare metanolo ed etanolo, sono facilmente reperibili, soprattutto in alcune zone del pianeta (ad esempio in Brasile l utilizzo di etanolo ottenuto dalla fermentazione della canna da zucchero è ampiamente diffuso) e presentano emissioni contenute, ma il prezzo non è competitivo con i combustibili tradizionali; inoltre, risultano chimicamente aggressivi perché provocano corrosione delle parti del motore con cui vengono a contatto e, soprattutto, pongono seri problemi di sicurezza. L idrogeno non è una fonte energetica, ma un vettore di energia; può essere ottenuto per reforming di idrocarburi o composti chimici che lo contengono (ad esempio proprio il metano oppure l ammoniaca) e per elettrolisi o termolisi dell acqua. L utilizzo di idrogeno non comporterebbe alcun tipo di inquinamento, sia se utilizzato in un motore a combustione interna, sia nelle celle a combustibile. La tecnologia per lo sfruttamento dell idrogeno è, quindi, già disponibile, ma i costi dei sistemi descritti non li rendono ancora compatibili con il mercato e la diffusione su larga scala. I veicoli elettrici ibridi sono silenziosi e teoricamente privi di ogni di emissione durante la marcia: in alcune città è diventato comune vederli per le strade. I problemi connessi al loro utilizzo sono però numerosi e sostanziali: innanzitutto le batterie a bordo dei veicoli consentono un autonomia limitata e necessitano di un lungo periodo di ricarica; poi, il costo iniziale dei veicoli è elevato, mentre si hanno pochi dati circa i costi di manutenzione; in ogni caso, la vita utile delle batterie è di gran lunga inferiore a quella di una comune automobile. Infine, esistono serie questioni riguardanti la sicurezza: per compensare l elevato peso delle batterie, la struttura può risultare tanto modificata ed alleggerita da non rispondere agli standard di circolazione; inoltre, in caso di collisione, potrebbero essere rilasciati i pericolosi ed inquinanti reagenti chimici contenuti all interno delle batterie. Da questa analisi emerge come questi combustibili rappresentino un alternativa di tipo teorico, ma siano legati a problemi di tipo pratico (per quanto riguarda sicurezza, tecnologia, tossicità, etc..) che ne limitano le effettive possibilità di utilizzo su larga scala. 2.4 I vantaggi legati al metano per autotrazione Tra i combustibili non derivati dal petrolio attualmente disponibili, il metano è quello che presenta le migliori caratteristiche per poter divenire un alternativa concreta alla benzina e al gasolio. Di seguito si presentano i principali fattori a sostegno di questa affermazione: Il gas naturale è abbondante in natura e i paesi produttori sono numerosi Le emissioni inquinanti, sia pericolose per il clima, sia per la salute umana, vengono drasticamente ridotte con la combustione del metano. Se paragonato con un veicolo alimentato a gasolio, un veicolo a metano consente: di ridurre le emissioni di anidride 24

3 carbonica fino al 20-25%; di portare quasi a zero le emissioni di particolato, anche sottile; di ridurre fino all 89% le emissioni di NOx, grazie alla più bassa temperatura di fiamma del metano Inoltre è ecologico, poiché non necessita del trasporto con autocisterne, a differenza degli altri combustibili, e non incrementa il traffico di superficie, contribuendo a diminuire anche il rischio di incidenti stradali e l inquinamento indotto dal traffico pesante I prezzi di mercato sono competitivi ed è minore il carico dovuto alle accise La tecnologia utilizzata è già matura. Nel mondo circolano poco più di 12 milioni di veicoli alimentati a metano ed esistono numerose aziende che producono l attrezzatura necessaria per lo sfruttamento di questo combustibile (serbatoi in pressione, sistemi di iniezione, ecc..) È un carburante che nasce pronto all uso. A differenze della benzina o del gasolio, non si ottiene tramite complicati e costosi processi di raffinazione, che inevitabilmente vanno a gravare sul prezzo di vendita al pubblico In caso di perdite di combustibile, i vapori di metano sono più leggeri dell aria e si disperdono rapidamente, mentre i vapori dei combustibili tradizionali tendono a stratificare in basso, aumentando così il rischio di propagazione di un eventuale incendio Il gas naturale può essere utilizzato sia nei motori ad accensione comandata senza alcuna modifica nel motore (veicoli bi-fuel), sia nei motori ad accensione spontanea, previo innesco del combustibile. Per i motori diesel, esiste anche la possibilità di operare con una combinazione di gasolio e gas naturale, miscelati direttamente nei cilindri: in questo modo non è necessario l innesco, poiché il gasolio stesso provoca l accensione della miscela (veicoli dual-fuel). Si tratta quindi di un combustibile molto flessibile, che si adatta ad una molteplicità di situazioni di utilizzo. 2.5 I veicoli CNG La tabella seguente presenta il confronto tra le proprietà dei più diffusi combustibili per autotrazione: Tabella Principali caratteristiche di alcuni combustibili per autotrazione (Fonte: NGV Global) Proprietà Metano CNG Gasolio Benzina Formula chimica dei principali componenti CH4 CH4 Idrocarburi superiori C3-C25 Idrocarburi superiori C4-C12 Temperatura di ebollizione p=1 atm, C Densità, kg/m atm,t=15 C -161,4-161, ,6789 bar

4 Temperatura di autoaccensione, C Potere calorifico inferiore, kj/kg Potere calorifico inferiore, kj/dm Il gas naturale è principalmente utilizzato sotto forma di gas compresso (Compressed Natural Gas, CNG). Nelle stazioni d rifornimento il gas viene prelevato dalla rete di gasdotti e compresso fino alle pressioni necessarie per lo stoccaggio all interno dei serbatoi degli autoveicoli, cioè fino a circa 220 bar. La ragione dell utilizzo di una pressione così elevata sta nel tentativo di incrementare la densità energetica del carburante. Il metano, anche nella variante del gas naturale, è un ottimo combustibile: su base massica, infatti, ha un potere calorifico più elevato rispetto agli altri idrocarburi superiori, compresi i costituenti di benzina e gasolio. Se però si analizzano i poteri calorifici su base volumica, i combustibili tradizionali hanno prestazioni superiori poichè, a differenza del metano, sono liquidi e la densità energetica è ovviamente maggiore. Nella pratica costruttiva e nell utilizzo, questa caratteristica è alla base dei limiti intrinseci connessi all utilizzo dei veicoli CNG; si aggiungono poi i problemi connessi alle caratteristiche del combustibile stesso e della rete di distribuzione. Per resistere alle pressioni di stoccaggio, i serbatoi dei veicoli CNG sono costruiti in acciaio inossidabile e con un elevato spessore di parete, cosa che li rende particolarmente pesanti (circa 4 volte il peso di un serbatoio per carburante liquido [8]), e, quindi, penalizzanti per le prestazioni dell automezzo. A causa degli inevitabili limiti di ingombro sugli autoveicoli, il volume dei serbatoi per il metano si aggira sugli litri (contro i 60 per i combustibili tradizionali). In quel volume sono contenuti circa 0,09 m 3 x 189 kg/m 3 = 17 kg che corrispondono ad un energia pari a (si ipotizza un valore medio del potere calorifico inferiore pari a 49 MJ/kg): 17 kg x 49 MJ/kg = 833 MJ Nel caso dei combustibili liquidi (ad esempio gasolio) la massa trasportata equivale a 0,06 m 3 x 850 kg/m 3 = 51 kg con un energia contenuta pari a 51 kg x kj/kg = 2193 MJ 26

5 Questo si traduce in una sostanziale riduzione dell autonomia: con un veicolo a metano si possono percorrere meno chilometri che con un equivalente veicolo a gasolio (lo stesso vale per la benzina). Il gas naturale viene normalmente utilizzato nei motori ad accensione comandata, come alternativa alla benzina. Grazie all elevato potere antidetonante, il metano potrebbe essere impiegato anche con rapporti di compressione elevati, che garantirebbero un migliore rendimento del motore stesso. Questa categoria di motori lavora però con rapporti di compressione bassi, a causa della detonabilità più elevata della benzina, di conseguenza, le prestazioni di un veicolo a metano sono inferiori rispetto allo stesso veicolo alimentato a benzina (si riduce notevolmente l accelerazione). I motori a gas naturale vanno bene su una larga serie di applicazioni: carrelli elevatori, veicoli commerciali leggeri, autocarri, autobus, barche, addirittura locomotive e generatori di elettricità. Le proprietà pulite del gas naturale e l assenza di particolato spesso riducono il deterioramento del motore. I motori sono disponibili in una varietà di configurazioni che generalmente cadono all interno delle seguenti categorie [9]: Dedicati, Mono-fuel o Monovalenti. Qualche volta attribuiti a motori ad accensione comandata. Un motore dedicato utilizza il gas naturale come la sua unica fonte combustibile. Un motore dedicato ha il vantaggio di essere ottimizzato per operare con il gas naturale, assicurando così la massima efficienza e dei risultati di emissioni ottimali. Alcuni veicoli dedicati sono andati bene anche con un serbatoio di riserva contenenti benzina, che viene usato nel caso in cui il veicolo rimane senza gas naturale. Dato che il veicolo è stato ottimizzato per il gas naturale, questi serbatoi di riserva dovrebbero essere usati solamente per i viaggi corti e non dovrebbero essere usati su una base regolare. Bi-fuel o Bivalente. Questi motori operano su gas naturale o benzina. I motori bicombustibile sono disponibili nel momento in cui viene fatta la conversione. È da notare il fatto che i motori bi-fuel contano generalmente sulla benzina per l accensione, quando il motore si trova ad affrontare i giri iniziali, così una piccola quantità di benzina è sempre richiesta per la riuscita dell operazione. Dual-fuel. Un motore dual-fuel utilizza una mistura di gas naturale e diesel. Nella camera di combustione vi è una mistura di gas naturale e aria, quando avviene l iniezione del diesel si ha l accensione. Il diesel viene iniettato direttamente nella camera di combustione, mentre il gas è introdotto nella presa d aria per la carburazione o per l iniezione del gas. La mistura di gas naturale e diesel varia secondo il carico ed il ciclo di lavoro del motore, coprendo un intervallo che va dall 80% fino allo 0% di gas. Ai bassi carichi del motore, l uso del diesel tende ad essere più alto, mentre ai carichi più alti è possibile usare una quantità proporzionalmente più alta di gas. I motori dual-fuel di solito sono il risultato della conversione di un motore diesel ad hanno il vantaggio di 27

6 non essere totalmente dipendenti dal gas naturale per l approvvigionamento di combustibile, in quanto capaci di operare anche solamente con il diesel. Il Tri-fuel. È un recente sviluppo della tecnologia: un veicolo tri-fuel è il risultato della combinazione di un veicolo flex-fuel ed un veicolo a gas naturale. Un veicolo flex-fuel usa benzina ed etanolo, separati oppure mescolati insieme. Così un veicolo tri-fuel può operare con benzina, etanolo (o ambedue) o gas naturale. I primi veicoli tri-fuel entrarono nel mercato nel 2005, in Brasile, dove l etanolo e il gas naturale erano entrambi ampiamente usati per il trasporto. High Pressure Direct Injection, HPDI. Una tecnologia di proprietà riservata sviluppata dalla Westport Innovations (Canada). La tecnologia HPDI comporta l iniezione di diesel e benzina, ad alta pressione nella camera di combustione. Come un motore dual-fuel, HPDI conta sul diesel per far sì che avvenga la combustione. Il sistema differisce dal sistema dual-fuel nella maniera con al quale i combustibili sono mescolati per ottenere una performance uguale ad un motore diesel. Il sistema ha subito prove estensive in una serie di applicazioni in Nord America. 2.6 Diffusione e tipologie di veicoli CNG La diffusione dell uso del metano per autotrazione è molto poco uniforme nel mondo e dipende strettamente dalla presenza di una capillare rete di distribuzione. Nella mappa sottostante sono visualizzati il numero di veicoli a gas naturale per ogni paese. I veicoli a gas naturale si stanno diffondendo in tutti i paesi del mondo. Attualmente il Pakistan è il leader mondiale per quel che riguarda la diffusione dei veicoli CNG. Per quel che riguarda la crescita del numero di veicoli a gas naturale è interessante osservarne l andamento nella figura

7 Argentina Armenia Bangladesh Bolivia Brasile Bulgaria Canada Cina Colombia Corea Egitto Francia Germania Giappone India Iran Italia Malesia Myanmar Pakistan Peru Russia Svezia Tailandia Tajikistan Ucraina USA Uzbekistan Venezuela CNG COME COBUSTIBILE PER AUTOTRAZIONE Figura Numero di veicoli a gas naturale nel mondo Attualmente le aree di maggiore interesse per la diffusione del metano per autotrazione sono l America del Sud e l Asia, come è ben visibile dal grafico sottostante Stazioni veicoli (migliaia) Figura Numero di veicoli a gas naturale per Paese (Fonte: NGVA Europe) 29

8 Figura Numero di veicoli a gas naturale per Paese Anche l Europa presenta un mercato interessante, con una crescita media solo nell ultimo anno del 9,7%, grazie soprattutto alle politiche incentivanti della comunità europea. Il piano di azione messo a punto a livello comunitario dalla Direzione Generale Energia e Trasporti prevede la promozione di tre soli carburanti alternativi: metano, idrogeno e biocarburante. L obiettivo auspicato è la parziale sostituzione dei prodotti petroliferi entro il Per il metano è prevista in Europa una quota di mercato del 10% contro il 5% dell idrogeno e il 6% del biofuel. Il metano viene incentivato per i suoi molteplici punti di forza: è un combustibile le cui riserve sono omogeneamente diffuse nel mondo, quindi è facilmente accessibile è un combustibile a basso impatto ambientale ha un prezzo competitivo con i carburanti tradizionali. Negli ultimi anni si è manifestata una interessante crescita del numero di veicoli alimentati a gas naturale in molte parti del mondo (tabella 2.2) e si prevede che questo trend continuerà. 30

9 ASIA Tabella 2.2 Crescita numero di veicoli alimentati a gas naturale (Fonte: NGVA Europe) Crescita nelle regioni Numero di NGV Crescita % sull'anno preced. 16.3% 30.7% 60.3% 52.8% 57.6% 29.9% 27.1% 52.9% Crescita % media 40.95% Numero di NGV EUROPA Crescita % sull'anno preced. 9.7% 14.4% 27.0% 15.7% 23.9% 2.7% 6.9% 20.5% Crescita % media 15.1% NORD AMERICA Numero di NGV Crescita % sull'anno preced. 1.6% -0.1% -5.5% -1.3% -7.0% -0.6% 3.1% -5.8% Crescita % media -15.6% SUD AMERICA Numero di NGV Crescita % sull'anno preced. 5.9% 4.9% 7.5% 17.2% 13.4% 18.0% 35.7% 31.7% Crescita % media 16.78% Numero di NGV AFRICA Crescita % sull'anno preced. 0.2% 20.9% 19.2% 11.8% 18.5% 12.2% 14.9% 20.0% Crescita % media 14.71% In particolare, la situazione europea ha fatto assistere anche nel 2011 ad una crescita del 5% rispetto al primo semestre del 2010 (figura 2.4). 31

10 Figura 2.4 Parco circolante CNG in Europa dal 2033 al 2011 (Fonte: Ngva Europe) L Italia costituisce un importante mercato con i suoi veicoli CNG ed una capillare rete di distribuzione. Il numero dei veicoli CNG ha mostrato negli ultimi anni una consistente e costante crescita. Le immatricolazioni di veicoli a metano sono passate dallo 0,09% del totale del 2003 al 6,16% nei primi sei mesi del 2009 ( unità vendute). 7 6 Percentuale di autovetture a metano sulle immatricolazioni in italia 6, ,37 3, ,09 0,04 0,88 0, Figura 2.5 (Fonte: Elaborazione econometria su dati ACI e UNRAE) 32

11 Figura 2.6 (Fonte: Eni Gas&Power) Più nel dettaglio possiamo osservare nella sottostante tabella il numero di immatricolazioni di autoveicoli alimentati a metano avvenute in Italia dal 2001 fino al Tabella 2.3 Numero di immatricolazioni di veicoli a metano (Fonte: UNRAE) Benzina + metano Solo metano TOTALE Questa è una crescita importante che trova giustificazione in diversi fattori: il metano ha un prezzo lontanissimo dai livelli di benzina e diesel, garantisce bassi costi di gestione e un basso impatto ambientale, consentendo alle vetture anche di entrare nei centri storici delle città evitando i normali blocchi del traffico grazie alle emissioni limitate. Altro aspetto molto importante che è collegato strettamente e in modo lineare alla diffusione dell utilizzo di veicoli CNG è costituita dalla diffusione di stazioni di rifornimento sul territorio. La collocazione delle stazioni per il metano, a sua volta, è vincolata alla distribuzione dei gasdotti: il metano da immettere nei serbatoi è infatti prelevato dalla rete oppure fatto arrivare ala stazione tramite carri bombolai. Di conseguenza, le stazioni di rifornimento per il gas naturale sono in numero nettamente inferiore a quello delle comuni stazioni di servizio. In Italia ci sono 1134 distributori operativi (ottobre 2011), tra pubblici e privati (di cui 26 autostradali e su tangenziali). La loro distribuzione sul territorio è però disomogenea, dal momento che la maggioranza dei distributori è concentrata nel centro nord Italia. Esistono intere regioni o province in cui la distribuzione è scarsa o addirittura assente. Nella tabella 2.4 è possibile visualizzare tale distribuzione. 33

12 Tabella 2.4 Numero di impianti di distribuzione metano in Italia (Fonte: ENI Gas&Power) Regione Impianti esistenti Impianti in costruzione o in progetto Impianti autostradali Impianti totali VALLE D'AOSTA PIEMONTE LOMBARDIA TRENTINO-ALTO ADIGE VENETO FRIULI-VENEZIA GIULIA LIGURIA EMILIA-ROMAGNA TOSCANA UMBRIA MARCHE LAZIO ABRUZZO MOLISE CAMPANIA CALABRIA PUGLIA BASILICATA SICILIA SARDEGNA TOTALE ITALIA Figura 2.7 Fonte: Metanauto 34

13 I tipi di veicolo che possono essere alimentati a gas naturale spaziano dalla semplice autovettura, al veicolo commerciale fino ad arrivare ai mezzi di trasporto pesanti fino agli autobus. Figura 2.8 Esempi di veicoli alimentati a metano L associazione di riferimento nel contesto europeo per quanto riguarda la diffusione di veicoli a metano è l European Gas Vehicle Association (ENGVA): organizzazione istituita nel 1994 da 63 compagnie provenienti da 17 paesi. La sua mission è quella di sviluppare un mercato sostenibile e profittevole per i veicoli a gas naturale, promuovendo favorevoli iniziative politiche ed economiche. A livello internazionale si fa invece riferimento alla IANGVA (International Association for Natural Gas Vehicle Association), nata con simili finalità. Queste associazioni rivestono un ruolo fondamentale per la diffusione dei veicoli CNG e per la promozione dello sviluppo dell intera filiera, soprattutto per quanto riguarda la costruzione di una capillare rete di distribuzione. 2.7 Aspetti tecnologici dell alimentazione di un veicolo CNG Esistono diverse tecnologie di alimentazione per veicoli a metano compresso già in uso o in fase di sviluppo. Riportiamo in figura 2.9 uno schema riassuntivo delle principali tecnologie. 35

14 Figura 2.9 Sistemi di alimentazione di veicoli a gas naturale compresso Un aspetto molto importante del sistema di alimentazione è costituito dagli iniettori. Il sistema di iniezione invia il metano gassoso ad alta pressione in camera di combustione. Il sistema di alimentazione a gas naturale compresso può essere applicato sia ai motori a ciclo Otto che a quelli a ciclo Diesel, come può essere visibile nello schema. A seguire vengono forniti alcuni dettagli aggiuntivi su diversi sistemi impiegati per accensione del combustibile. Per il ciclo Diesel si può avere: accensione mediante iniezione pilota di gasolio. Questa prima soluzione prevede un iniezione pilota di gasolio nel cilindro in modo che possa avvenire la combustione del metano. Il metano viene iniettato nel cilindro ad una pressione di 150 bar e, per effetto della presenza di gasolio, riesce ad accendersi ad una temperatura inferiore a quella propria di autoaccensione accensione mediante candeletta 36

15 un altra possibilità per ottenere la combustione del metano consiste nel metterlo in contatto con una superficie molto calda in modo da realizzare soltanto localmente le condizioni per l autoaccensione del combustibile Per il ciclo Otto invece si può avere: iniezione diretta del metano in camera di combustione. Questa soluzione prevede l iniezione diretta mediante iniettore del tutto simile a quello impiegato in un motore diesel presente sulla testa del cilindro, sulla quale dovrà trovarsi pure la candela per garantire l accensione iniezione del metano in camera di combustione mediante iniettore-candela. Una seconda soluzione per l alimentazione di questo tipo di motori consiste nell utilizzare un unico dispositivo, l iniettore-candela, che consente al metano di giungere ad alta pressione all interno del cilindro ed allo stesso tempo provvede a garantire l accensione al medesimo. Per quanto riguarda l iniettore-candela esso risulta senz altro più complesso di un semplice iniettore: in realtà racchiude due componenti, l iniettore e la candela, in uno spazio relativamente ridotto. In più, è anche un componente dedicato in quanto alla sua estremità sono presenti sia il condotto che inietta il combustibile in camera di combustione sia gli elettrodi tra i quali si viene a creare l arco. Figura 2.10 Ciclo Otto 2.8 Analisi delle emissioni inquinanti dei combustibili L utilizzo dei combustibili provenienti dalla raffinazione del petrolio, quali benzina e gasolio, in un motore a combustione interna provoca l emissione in atmosfera di sostanze come anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NOx), idrocarburi incombusti e particolato (PMx), che hanno un impatto nocivo sia sulla qualità globale dell aria che direttamente sulla salute umana. Anidride carbonica (CO2). E un gas incolore e inodore più pesante dell aria per cui lo si trova più facilmente verso terra che non in aria. Questo è il motivo per cui preoccupa il suo accumulo 37

16 nelle città. È un gas velenoso solo alle alte concentrazioni (oltre il 30%). È prodotto principalmente dall attività respiratoria dei vegetali ed è uno dei responsabili dell effetto serra, che determina un aumento della temperatura media del pianeta. Fra le cause antropiche di emissione della CO2 nell atmosfera, sono predominanti tutti i processi di combustione, quindi anche quelli che avvengono nei motori dei veicoli stradali. Monossido di carbonio (CO). Il monossido di carbonio (CO) è un gas inodore, insapore e altamente tossico, vista la sua capacità di interferire con il normale trasporto di ossigeno presente nel sangue. Una volta respirato, il monossido di carbonio si lega all emoglobina formando un composto chiamato carbossiemoglobina. Questa sostanza, al contrario dell emoglobina, non è in grado di garantire l ossigenazione dei tessuti, in particolare il cervello e il cuore. Alle concentrazioni tipicamente esistenti nelle aree urbane ad alto traffico, il monossido di carbonio può causare l aggravamento di problemi cardiovascolari e l impedimento delle funzioni psicomotorie; una concentrazione di CO nell aria pari a ppm (0,2%-0,4%) provoca la morte in circa 15 minuti. I primi 25 sintomi dell avvelenamento sono l emicrania e un senso di vertigine, purtroppo il gas provoca anche sonnolenza che spesso impedisce alle vittime di avvertire il pericolo. La principale causa della presenza di monossido di carbonio nell atmosfera è di tipo antropico e consiste nella combustione di sostanze organiche, come i derivati del petrolio che alimentano i mezzi di trasporto. Sono i mezzi di trasporto stradale ad essere attualmente la fonte principale di inquinamento locale dell aria da monossido di carbonio [10]. La presenza di monossido di carbonio è fortemente legata ai flussi di traffico. In figura 2.11 si nota come l andamento delle concentrazioni di CO misurato nei pressi della sezione di una strada durante l arco della giornata è generalmente paragonabile a quello dei flussi veicolari che la percorrono. Figura 2.11 Andamento della concentrazione di CO e del traffico nell arco di una giornata Il monossido di carbonio presenta anche una forte variabilità spaziale: in una strada isolata la sua concentrazione mostra di solito valori massimi nell intorno dell asse stradale e decresce 38

17 molto rapidamente allontanandosi da esso, fino a diventare trascurabile a una distanza di alcune decine di metri [11]. Figura 2.12 Variabilità della concentrazione di CO Ossidi di azoto (NOx). Gli ossidi di azoto indicati nel loro complesso con la sigla generica NOx sono attualmente tra gli inquinanti ritenuti maggiormente pericolosi. In generale sono generati da processi di combustione, qualunque sia il combustibile utilizzato, per reazione diretta tra l azoto e l ossigeno dell aria ad alta temperatura (superiore a 1200 C). I processi di combustione emettono quale componente principale monossido di azoto (NO) che, nelle emissioni di un motore a combustione interna, rappresenta il 98% delle emissioni totali di ossidi di azoto. Successivamente il monossido di azoto in presenza di ozono e di radicali ossidanti si trasforma in biossido di azoto. I fumi di scarico degli autoveicoli contribuiscono enormemente all inquinamento da NO; la quantità di emissioni dipende dalle caratteristiche dl motore e dalla modalità del suo utilizzo (velocità, accelerazione, ecc.). In generale, la presenza di NO aumenta quando il motore lavora ad elevato numero di giri. Si stima che in Italia vengano emesse in atmosfera circa 2 milioni di tonnellate all anno di ossidi di azoto, di cui la metà dovuta al traffico di autoveicoli. Per quanto riguarda gli effetti sulla salute dell uomo, gli ossidi di azoto risultano potenzialmente pericolosi per la salute. In particolare, il monossido di azoto analogamente al monossido di carbonio agisce sull emoglobina fissandosi ad essa con la formazione di metamoglobina e nitrosometaemoglobina. Questo processo interferisce con la normale ossigenazione dei tessuti da parte del sangue. Mentre il biossido di azoto, NO2, esercita il suo effetto tossico principalmente sugli occhi, sulle mucose e sui polmoni. I soggetti più a rischio sono i bambini e gli asmatici. Gli ossidi di azoto si possono ritenere fra gli inquinanti atmosferici più critici, non solo perché presentano effetti negativi sulla salute, ma anche perché, in condizioni di forte irraggiamento solare, provocano delle reazioni fotochimiche secondarie che creano sostanze inquinanti (smog fotochimico): in particolare è un precursore dell ozono troposferico e della componente secondaria delle polveri sottili. Per quanto riguarda l ambiente, il meccanismo principale di aggressione è costituito dall acidificazione del suolo (fenomeno delle piogge acide). Gli ossidi di azoto e i loro derivati danneggiano anche gli edifici e monumenti, provocando un invecchiamento accelerato in molti casi irreversibile. 39

18 Idrocarburi. Con il nome di idrocarburi si indicano i composti organici costituiti da atomi di carbonio e idrogeno che vengono classificati in base alla loro composizione (percentuale di idrogeno e carbonio). Derivano dalla rottura di idrocarburi pesanti durante la combustione. Particolarmente noti sono gli HC ed il benzene che può anche essere causa di leucemia. Reagendo con NOx e raggi solari danno luogo a ozono e smog fotochimico. Particolati (PMx). Spesso il particolato rappresenta l inquinante a maggiore impatto ambientale nelle aree urbane, tanto da indurre le autorità competenti a disporre dei blocchi del traffico nel tentativo di ridurne il fenomeno. I particolati, o polveri sottili, sono sostanze allo stato solido o liquido, che a causa delle loro piccole dimensioni, restano sospese in atmosfera per tempi più o meno lunghi. Il particolato nell aria può essere costituito da diverse sostanze: sabbia, ceneri, polveri, fuliggine, sostanze silicee di varia natura, sostanze vegetali, composti metallici, fibre tessili naturali e artificiali, sali, elementi come il carbonio o il piombo, ecc. In base alla natura e alle dimensioni delle particelle si possono distinguere [12]: gli aerosol, costituiti da particelle solide o liquide sospese in aria e con diametro inferiore a 1 μm le foschie, date da goccioline con diametro inferiore a 2 μm le esalazioni, costituite da particelle solide con diametro inferiore a 1 μm e rilasciate solitamente da processi chimici e metallurgici il fumo, dato da particelle solide di solito con diametro inferiore a 2 μm e trasportate da miscele di gas le polveri, costituite da particelle solide con diametro fra 2,5 e 500 μm le sabbie, date da particelle solide con diametro superiore a 500 μm Le particelle primarie sono quelle che vengono emesse come tali dalle sorgenti naturali ed antropiche, mentre le secondarie si originano da una serie di reazioni chimiche e fisiche in atmosfera. Le particelle fini sono quelle che hanno un diametro inferiore a 2,5 μm, le altre sono dette grossolane. Vengono dette polveri inalabili quelle in grado di penetrare nel tratto superiore dell apparato respiratorio (dal naso alla laringe). Le polveri toraciche sono quelle in grado di raggiungere i polmoni. Le polveri respirabili possono invece penetrare nel tratto inferiore dell apparato respiratorio (dalla trachea fino agli alveoli polmonari). 40

19 Figura 2.13 Azione dei particolati sull uomo Il particolato si origina sia da fonti naturali che antropogenetiche. Le polveri fini derivano principalmente da processi di combustione, la frazione grossolana delle polveri si origina in genere da processi meccanici. Le principali fonti naturali di particolato primario sono le eruzioni vulcaniche, gli incedi boschivi, l erosione e la disgregazione delle rocce e le piante (pollini e residui vegetali). Il particolato di origine antropica è, invece, dovuto all utilizzo dei combustibili fossili (riscaldamento domestico centrali termoelettriche), alle emissioni degli autoveicoli, all usura degli pneumatici, dei freni e del manto stradale. Questo tipo di particolato deriva essenzialmente dall ossidazione degli idrocarburi e degli ossidi di zolfo e di azoto emessi dalle varie attività umane. Si stima che ogni giorno vengano immesse nell aria circa 10 tonnellate di particolato; di queste il 94% è di origine naturale. I più pericolosi sono i particolati di dimensione inferiore ai 10 μm, infatti nel processo della respirazione le particelle maggiori vengono generalmente rimosse dal naso. Questi possono rivestirsi di composti solforati e di composti policiclici aromatici che sono cancerogeni. Alcuni componenti dei particolati sono tossici (nichel e vanadio) e cancerogeni (vanadio). Gli effetti del particolato sul clima e sui materiali, d altro canto, sono piuttosto evidenti. Le polveri sospese favoriscono la formazione di nebbie e nuvole, costituendo i nuclei di condensazione attorno ai quali si condensano le gocce d acqua. Di conseguenza favoriscono il verificarsi dei fenomeni delle nebbie e delle piogge acide, che comportano effetti di erosione e corrosione dei materiali e dei metalli. Le polveri possono anche depositarsi sulle foglie delle 41

20 piante e formare così una patina opaca che, schermando la luce, ostacola il processo della fotosintesi Il particolato, inoltre, danneggia i circuiti elettrici ed elettronici, insudicia gli edifici e le opere d arte e riduce la durata dei tessuti.. Ossidi di zolfo (SO2). E un tipico prodotto di emissione dai processi di combustione. E un gas incolore, irritante, non infiammabile, molto solubile in acqua e dall odore pungente. Essendo più pesante dell aria tende a stratificarsi nelle zone più basse. Una volta immessa nell aria, l anidride solforosa può reagire chimicamente con l ossigeno, il vapore acqueo e le polveri in sospensione per formare diversi tipi di ossidi, acidi e sali come l acido solforico, responsabile in gran parte del fenomeno delle piogge acide. Per quanto riguarda gli effetti sulla salute dell uomo si può dire che a basse concentrazioni gli effetti del biossido di zolfo sono principalmente legati a patologie dell apparato respiratorio come bronchiti, asma, tracheiti e ad irritazioni della pelle, degli occhi e delle mucose. Gli effetti corrosivi dell acido solforico si riscontrano anche sui materiali da costruzione, sui metalli, sulle vernici, sui monumenti e sulle opere d arte. A basse concentrazioni, il biossido di zolfo provoca un rallentamento nella crescita delle piante, mentre ad alte concentrazioni ne determina la morte fisiologica in maniera irreparabile Effetti dell inquinamento dell aria Il complesso ecosistema del nostro pianeta può essere fortemente influenzato dall alterazione della composizione media dell atmosfera. Alcuni effetti sono specifici e misurabili, altri sono di difficile individuazione e quantificazione [12]. In generale gli effetti dell inquinamento dell aria possono essere identificati a due diversi livelli. Si possono cioè distinguere gli effetti che intervengono sulle proprietà e sul comportamento dell atmosfera, da quelli che intervengono sulle componenti del sistema geologico e biologico della terra. Della prima categoria fanno parte gli effetti sull odore dell aria, sulla visibilità e sui fenomeni meteorologici. Della seconda categoria di effetti fanno parte quelli su materiali e sulla salute delle diverse specie viventi. Effetti sull aria Uno degli effetti maggiormente percepibili da parte dell uomo è l alterazione dell odore dell aria. La percezione dell odore di una sostanza nociva dispersa nell aria rappresenta in molti casi il segnale premonitore di un successivo danno fisiologico e deve essere quindi considerato un fenomeno di compromissione del benessere fisico. Tale percezione può essere seguita da sintomi come il disgusto o la nausea e successivamente dai sintomi specifici della sostanza dannosa sull organismo. Molti degli inquinanti dovuti ai trasporti sono caratterizzati da odori percepibili. 42

21 Un altro effetto immediatamente percepibile dell inquinamento atmosferico è la riduzione di visibilità. La visibilità è quella proprietà dell atmosfera definita come la maggior distanza alla quale è possibile identificare senza l ausilio di supporti ottici un oggetto scuro in un campo pari almeno alla metà del circolo dell orizzonte anche se non necessariamente in settori circolari contigui. Un atmosfera pulita ha una visibilità teorica di circa 250 Km. La riduzione di visibilità è dovuta alla presenza di gas o particelle che agiscono principalmente attraverso due fenomeni distinti: l assorbimento e la deviazione dei raggi luminosi. L assorbimento della luce è operato da alcuni gas o particelle su determinate lunghezze d onda e procura anche la colorazione dell atmosfera: il biossido di azoto, ad esempio, determina una colorazione marrone rossiccia dell aria a concentrazioni maggiori di 0,2 1 ppm. Il fenomeno maggiormente responsabile della riduzione di visibilità è comunque la deviazione dei raggi luminosi ad opera delle sospensioni di particelle presenti nell aria, fenomeno più accentuato quando la dimensione media delle particelle è comparabile con le lunghezze d onda della luce (da 0,4 a 0,7 μm). La riduzione di visibilità è, in questo caso, dovuta al fatto che le particelle in sospensione che si trovano tra l osservatore e l oggetto osservato deviano la luce proveniente dal sole o da altre sorgenti attraverso la linea di vista dell osservatore, e questi raggi luminosi deviati riducono il contrasto tra l oggetto e il cielo retrostante. Le principali sostanze responsabili della riduzione della visibilità atmosferica sono il vapore acqueo (umidità), l anidride carbonica, l ozono, gli ossidi di azoto, i composti dello zolfo. Effetti sul clima Gli effetti degli inquinanti atmosferici sui fenomeni meteorologici possono portare a modificazioni a volte sostanziali dei microclimi. Un esempio di queste modificazioni è dato dalle peculiari caratteristiche che generalmente assumono i microclimi urbani rispetto a quelli delle zone immediatamente limitrofe. In questi casi, gli effetti dovuti alla presenza di concentrazioni inquinanti relativamente elevate si sommano a quelli dovuti all alta concentrazione di edifici e spazi asfaltati e a quelli dovuti all alta densità di attività umane. La temperatura dell aria è influenzata sia dalla presenza di inquinamento atmosferico che dalle attività antropiche tipiche delle città. Le aree urbane assumono i connotati di isole di calore, con un incremento della temperatura media dell aria rispetto alle aree circostanti che può essere di 1 2 C in estate e fino a 5 C in inverno. Gli effetti dell inquinamento sull opacità dell atmosfera urbana consistono nell incremento della nuvolosità, delle sospensioni di particelle e della formazione di nebbie. Lo strato di aria inquinata solitamente presente nell atmosfera urbana produce, inoltre, una diminuzione dell entità della radiazione solare che raggiunge il suolo. Le cause di questo fenomeno risiedono nell assorbimento e nella deviazione dei raggi solari da parte degli inquinanti dispersi nell aria. Effetti sui materiali Gli inquinanti atmosferici possono produrre ai materiali danni di varia natura. I più importanti di questi sono il deterioramento per corrosione chimica, lisciviazione, indebolimento, dissoluzione o abrasione, il ricoprimento, il cambiamento di colorazione. 43

22 La corrosione chimica è un fenomeno di deterioramento che colpisce le superfici dei materiali e consiste nella formazione di ossidi solubili. I materiali maggiormente soggetti alla corrosione sono i metalli. Le sostanze acide sono contenute nell atmosfera prevalentemente sotto forma di aerosol originate dalla reazione chimica in aria di inquinanti primari e secondari come l anidride solforosa (SO2), gli ossidi di azoto (NOx), il monossido di carbonio (CO) e poi condensate in particelle di vapore acqueo o gocce di pioggia (piogge acide). La dissoluzione consiste nella reazione chimica delle superfici con gli acidi contenuti nell aria e nella conseguente formazione di sali solubili che vengono poi dilavati dalle piogge. A questo fenomeno sono soggetti in particolar modo i materiali lapidei contenenti carbonati, come il marmo, l ardesia, la malta e il calcare. I fenomeni di ricoprimento (soiling) consistono nella deposizione di uno strato scuro di materiale particolato sulla superficie dei materiali, che con il tempo e l azione degli elementi atmosferici diviene solidale con i materiali stessi innescando processi di deterioramento interni per corrosione o dissoluzione. Effetti su flora e fauna Gli effetti dell inquinamento atmosferico sulla vegetazione consistono in azioni fitotossiche che si manifestano generalmente su parti specifiche della struttura delle piante con tipologia ed entità dipendenti dalle caratteristiche della sostanza inquinante, della specie e dal tipo di vegetale attaccato. L azione degli inquinanti sui vegetali può avvenire attraverso due meccanismi principali. Il primo consiste nell assorbimento delle sostanze nocive da parte delle componenti aeree della pianta, e in particolare delle foglie durante il processo di respirazione. L assorbimento può avvenire direttamente dall aria o in seguito alla deposizione secca o umida degli inquinanti sulla pianta. Se assorbite per via respiratoria le sostanze nocive possono in alcuni casi distruggere la clorofilla e danneggiare la respirazione. Il secondo meccanismo di assorbimento degli inquinanti avviene da parte dell apparato radicale in seguito alla loro introduzione nel suolo. Ogni sostanza inquinante danneggia prevalentemente determinate specie nelle quali produce sintomi caratteristici. I sintomi più evidenti si manifestano di solito sulle foglie, e consentono generalmente di identificare la sostanza responsabile e, in alcuni casi, anche l ordine di grandezza della concentrazione inquinante. Per questi motivi, studi recenti hanno valutato la possibilità di adoperare alcune specie vegetali come rilevatori biologici degli stati di inquinamento. L entità dei danni subiti dai vegetali a causa di ogni specifica sostanza dipende anche dalla concentrazione e dal tempo di esposizione della pianta. Il livello di concentrazione al di sopra del quale si registrano danni su un vegetale viene indicato come soglia di danno ed è associato al tempo di esposizione. 44

23 Tabella 2.5 Entità dei danni subiti dai vegetali Inquinante Soglia di danno (ppm) Tempo di esposizione (h) SO2 0,03 8 O3 0,03 4 PAN 0,01 6 C2H4 0,05 6 Effetti sull uomo Gli effetti dell inquinamento atmosferico sulla salute dell uomo rivestono un importanza particolare nel riconoscimento della pericolosità delle sostanze presenti nell aria e nella definizione dei limiti normativi delle relative concentrazioni. Ciò vale in particolare per l inquinamento da traffico, le cui conseguenze rappresentano attualmente uno dei più grandi problemi legati allo sviluppo delle attività umane. Le tipologie di effetto vengono generalmente distinte in due classi; gli effetti acuti, ovvero quelli che si manifestano in lassi di tempo molto brevi in seguito all esposizione a quantità elevate di inquinante, e gli effetti cronici, di solito associati a lunghi periodi di esposizione e a concentrazioni nocive non necessariamente alte. L anidride solforosa è un gas molto solubile che viene assorbito nelle alte vie respiratorie. L esposizione dell uomo a concentrazioni di SO2 dell ordine di 1 ppm portano a costrizioni dell apparato respiratorio anche in soggetti sani. Mentre non esistono evidenze sperimentali sulla dannosità del monossido di azoto per la salute umana (almeno a concentrazioni tipiche delle aree inquinate), è invece stato chiaramente stabilito che il biossido di azoto è un forte irritante polmonare. Studi di laboratorio effettuati su animali hanno mostrato che l esposizione all NO2 incrementa la suscettibilità alle infezioni delle vie respiratorie causate da batteri e virus [11]. Altri studi clinici sull uomo hanno messo in evidenza una certa correlazione fra l esposizione prolungata a concentrazioni di biossido di azoto dell ordine di 1 ppm e i sintomi dell asma e dell enfisema polmonare [13]. Gli effetti negativi del monossido di carbonio sulla salute umana sono causati dalla sua capacità di ridurre la quantità di ossigeno trasportata dal sangue ai tessuti e di inibire l utilizzazione dell ossigeno da parte dei tessuti stessi. I più importanti effetti dell esposizione dell uomo al monossido di carbonio sono, quindi, i danni al sistema cardiovascolare e nervoso. Anche se il meccanismo biologico attraverso il quale si realizza l azione dell ozono sull organismo umano non è attualmente conosciuto, è stato stabilito che questo gas è un forte irritante polmonare e può causare anche altre forme di danno sull uomo. Diversi studi clinici hanno mostrato che l esposizione a concentrazioni di ozono comprese tra 0.15 e 0.75 ppm può comportare evidenti diminuzioni della funzionalità polmonare. Associata a tali disfunzioni, è la manifestazione di sintomi soggettivi di disagio o di malessere come per esempio dolori pettorali, tosse, affanno, mal di testa e faringiti. Per concentrazioni superiori a 0.20 ppm sono 45

24 inoltre state osservate modificazioni nei meccanismi chimici del sangue. In generale, si può dire che gli effetti dell ozono sull apparato respiratorio sono notevolmente soggettivi e comunque maggiori se il soggetto esposto si trova in uno stato di attività fisica. I danni causati da esposizioni brevi e non sistematiche sembrano essere reversibili. L azione del particolato sull organismo umano è primariamente dovuta alla deposizione delle particelle sulle pareti dell apparato respiratorio. Gli effetti che conseguono dalla deposizione del particolato nell apparato respiratorio dipendono non soltanto dalla concentrazione di inquinante, ma anche dalle proprietà fisiche e chimiche delle particelle. Per quanto esposto fin ora, l inquinamento causato dal traffico veicolare è, quindi, uno dei grandi problemi ambientali della nostra epoca. In particolare, il traffico veicolare ha causato un enorme crescita dall effetto serra, che, a causa dell elevata concentrazione di alcuni gas in atmosfera, innalza la temperatura terrestre. Tali gas, denominati gas serra (green house gases, GHG), comprendono principalmente anidride carbonica, metano e ossido di azoto; molto interessanti sono quindi le problematiche orientate alla riduzione di tali gas. Le figure 2.14 e 2.15 mostrano rispettivamente la concentrazione atmosferica di anidride carbonica e di metano durante il secolo scorso. Figura 2.14 Emissioni atmosferiche di anidride carbonica nel secolo scorso [Fonte: IPCC] 46

25 Figura 2.15 Emissioni atmosferiche di metano nel secolo scorso [Fonte: IPCC] Molto interessante in tal senso, cioè riguardo la diminuzione di gas serra in particolare e di inquinanti atmosferici in generale, sono gli studi sviluppati nel campo dei combustibili da autotrazione, che mostrano come variano tali emissioni sostituendo un combustibile tradizionale, come benzina o diesel, con il metano compresso. Di seguito andremo ad analizzare quali sono i consumi e le emissioni dei veicoli, confrontando l utilizzo di differenti combustibili [14]. I dati provengono da simulazioni effettuate con il modello Copert III (Computer Programme to calculate Emissions from Road Traffic), programma di calcolo realizzato dalla EEA (European Environment Agency) per quanto riguarda le emissioni ed i consumi dei veicoli tradizionali e da uno studio dell IFP per il programma di ricerca FUERO per la parte sulle emissioni dei carburanti [15] Stima delle emissioni upstream Primo passaggio della presente analisi è la determinazione delle emissioni upstream, cioè relative a tutte le fasi di produzione della fonte energetica primaria, alla sua trasformazione in combustibile di trazione e al successivo trasporto al consumatore finale (catena WTT, Well to Tank ). La principale fonte utilizzata è il First Deliverable Report del WP1 del programma di ricerca FUERO, dal titolo Energy and environmental balances for various modes of producing fuels to supply fuel-cell-powered vehicles, from well to fuel tank. I risultati ottenuti sono stati confrontati con altre fonti [16] [17] per confermare l attendibilità delle elaborazioni fatte. 47

26 Le catene analizzate nel seguito sono: benzina da petrolio, trasporto liquido gasolio da petrolio, trasporto liquido metano per autotrazione, distribuzione via pipeline Nelle figure 2.16 e 2.17 vengono riportati degli schemi che rappresentano il ciclo di vita della benzina, del gasolio e dal gas naturale compresso. Figura 2.16 Schema del ciclo di vita del gasolio o benzina per autotrazione 48

27 Figura 2.17 Schema del ciclo di vita del gas naturale compresso La metodologia di calcolo utilizzata è la seguente: le emissioni specifiche di ogni fase vengono moltiplicate per la quantità di energia in uscita dalla fase stessa. Questa, moltiplicata per l efficienza della fase, dà l energia in entrata, pari all energia in uscita dalla fase precedente. Ad esempio per 1 MJ di benzina trasportata con un efficienza del 99% serve produrre 1,0101 MJ di benzina. Le emissioni specifiche del trasporto sono moltiplicate per 1 MJ, mentre quelle della produzione per 1,0101 MJ. Inoltre, si è ritenuto opportuno considerare solo le emissioni dovute alla produzione e al trasporto del carburante ma non quelle della produzione della fonte primaria (tranne, evidentemente, la CO2 essendo un inquinante globale). Le tabelle seguenti contengono i calcoli fatti per determinare le emissioni delle catene sopra menzionate per i seguenti inquinanti: CO2, NOx, HC, CO, SO2, CH4, PM. 49

28 Tabella 2.6 emissioni globali catena benzina eff. energia Emissioni [g/mj] CO2 NOx HC CO SO2 CH4 PM trasporto benzina 99% 1,0000 0,4200 0,0055 0,0005 0,0011 0,0003 0,0000 0,0003 produzione benzina 92% 1,0101 6,4646 0,0100 0,0003 0,0010 0,0306 0,0002 0,0021 trasporto petrolio 99% 1,0979 1,0979 produzione petrolio 98% 1,1090 3,3271 fuori dall area di studio g/ MJcomb 11,310 0,0155 0,0008 0,0021 0,0309 0,0002 0,0024 globale g/kwhcomb 40,715 0,0558 0,0029 0,0076 0,1113 0,0007 0,0087 g/kgcomb 491 0,673 0,035 0,092 1,343 0,009 0,105 Tabella 2.7 emissioni globali catena gasolio eff. energia Emissioni [g/mj] CO2 NOx HC CO SO2 CH4 PM trasporto gasolio 99% 1,0000 0,4200 0,0055 0,0005 0,0011 0,0003 0,0000 0,0003 produzione gasolio 95% 1,0101 4,5455 0,0056 0,0001 0,0001 0,0179 0,0001 0,0011 trasporto petrolio 99% 1,0633 1,0633 produzione petrolio 98% 1,0740 3,2220 fuori dall area di studio g/ MJcomb 9,2507 0,0111 0,0006 0,0012 0,0182 0,0001 0,0014 globale g/kwhcomb 33,303 0,0398 0,0022 0,0043 0,0654 0,0004 0,0051 g/kgcomb 402 0,481 0,026 0,052 0,791 0,004 0,061 Tabella 2.8 emissioni globali catena metano eff. energia Emissioni [g/mj] CO2 NOx HC CO SO2 CH4 PM trasporto NG 96% 1,0000 2,6000 0,0135 0,0213 0,0055 0,0004 0,0199 0,0004 produzione NG 96% 1,0417 2,8125 0,0070 0,0102 0,0024 0,0000 0,0094 0,0002 g/ MJcomb 5,3000 0,0202 0,0311 0,0078 0,0004 0,0289 0,0006 globale g/kwhcomb 19,080 0,0727 0,1120 0,0281 0,0014 0,1040 0,0022 g/kgcomb 265 1,010 1,555 0,390 0,020 1,445 0,030 Riassumendo i risultati in grammi di inquinante emessi per kg di combustibile distribuito agli utenti, si ha: Tabella 2.9 Emissioni upstream per la produzione di carburanti Combustibile CO2 NOx HC CO SO2 CH4 PM emissioni in g/kg di combustibile trasportato benzina 491 0,673 0,035 0,092 1,343 0,009 0,105 gasolio 402 0,481 0,026 0,052 0,791 0,004 0,061 metano 265 1,010 1,555 0,390 0,020 1,445 0,030 50

29 Dei risultati della tabella viene proposto il grafico sottostante, in g/kg di combustibile trasportato al veicolo benzina gasolio metano 0 CO NOx HC CO SO2 CH4 PM benzina gasolio metano Figura 2.18 Emissioni upstream per la produzione di carburanti, in g/kg di combustibile trasportato Stima delle emissioni downstream Con emissioni downstream si intendono tutte le emissioni prodotte dalla fase di esercizio del veicolo (catena TTW, Tank to Wheel ). Non sono state quantificate e considerate le emissioni evaporative a veicolo fermo poiché dimensionalmente diverse e di minor interesse per questo studio. Le emissioni inquinanti e climalteranti vengono espresse in grammi per veicolo km. La metodologia si basa e utilizza (ove possibile) i risultati del modello Copert III per la stima delle emissioni su cicli di guida reali e per numerose tipologie di veicolo e motorizzazione [18]. 51

30 Classi veicolari ed emissioni considerate Sono state considerate le seguenti classi veicolari: Tabella 2.10 Livello di disaggregazione considerato veicolo carburante classi classi emissioni ciclo di guida autovetture LDV Light Duty Veichles HDV Heavy Duty Vehicles 3 classi di cilindrata benzina ICE e 3 HEV diesel 2 classi di cilindrata 8 classi GPL 1 classe di cilindrata 6 classi 12 classi + 1 HEV urbano extraurbano autostrada benzina 1 classe di peso 6 classi urbano diesel 1 classe di peso 6 classi extraurbano autostrada benzina 1 classe di peso 1 classe urbano diesel 4 classi di peso 6 classi extraurbano autostrada urbano autobus diesel 2 tipologie 6 classi extraurbano autostrada urbano ciclomotori 1 classe di cilindrata 3 classi extraurbano autostrada 2 tempi 1 classe di cilindrata 2 classi urbano motoveicoli extraurbano 4 tempi 3 classi di cilindrata 2 classi autostrada La tabella 2.10 forma un totale di 121 x 3 cicli = 363 diverse combinazioni di Tipo di veicolo + motore + età + ciclo di guida. E stata scelta una disaggregazione così complessa per tenere conto di tutte le variabili principali che formano il comportamento emissivo dei diversi mezzi stradali. Più in dettaglio le classi considerate sono: 52

31 53

32 Figura 2.19 Classificazione dei veicoli Il modello Copert III fornisce per ciascuna combinazione di veicolo+motore+età+ciclo i coefficienti di emissione in g/km per i seguenti inquinanti, oltre che per il consumo di carburante. Le categorie segnate in rosso rappresentano i veicoli alternativi cioè i veicoli EuroVI, Euro VII, gli ibridi ed i veicoli a fuel cell. Essi, per cui evidentemente non si dispongono dati statistici o veicoli con cui effettuare prove di ciclo reale, non sono stati inclusi nel modello. Modello e determinazione dei coefficienti Il modello richiede in ingresso, per fornire i coefficienti, i seguenti input: caratteristiche climatiche del contesto caratteristiche fisiche dei combustibili velocità media dei tre cicli urbano, extraurbano e autostradale per le diverse categorie veicolari percentuali di riduzione delle emissioni per i veicoli EuroII EuroVII L output consiste in una serie di coefficienti di emissione per ogni veicolo suddivisi in: emissioni a caldo ciclo urbano emissioni a caldo ciclo extraurbano emissioni a caldo ciclo autostradale emissioni non evaporative a freddo emissioni tipiche mensili emissioni evaporative Le emissioni evaporative non vengono considerate per semplicità. Inoltre, si introducono alcune ipotesi necessarie a limitare i gradi di libertà del problema: tutti i viaggi partono da una città. Si considera percorso a freddo (e in città) il 30% dei percorsi urbani, il 5% di quelli extraurbani e lo 0% di quelli autostradali. 54

33 le emissioni a freddo considerate sono la media di quelle mensili prodotte da Copert. le velocità medie utilizzate sono differenti per i diversi veicoli e motori e provengono da studi nazionali. Tra i più significativi, si è ipotizzata una velocità di 25 km/h per le auto e 20 km/h per gli autobus in ambito urbano [19]. Il modello Copert produce un coefficiente per ogni tipo di emissione e per ogni veicolo. Per questo motivo vengono indicati come vettori, essendo una serie di valori corrispondenti ciascuno ad una motorizzazione. a caldo a freddo, in città a freddo, rurale a freddo, in autostrada FEhot,i : calcolati da Copert FEcold,u,i = media(fecold,i,mese). FEhot,u,i. %coldu FEcold,r,i = media(fecold,i,mese). FEhot,r,i. %coldr FEcold,h,i = media(fecold,i,mese). FEhot,h,i. %coldh da cui si ricavano gli indicatori di emissione cercati: totali, cicli urbani FEi,u = FEhot,u,i + FEcold,u,i totali, cicli extraurbani FEi,r = FEhot,r,i + FEcold,r,i totali, cicli autostradali FEi,h = FEhot,h,i + FEcold,h,i con: FEcold,i,mese %coldu, %coldr, %coldh viaggio FEhot,u,i, FEhot,r,i, FEhot,h,i, inquinante i FEi,u, FEi,r, FEi,h Vettore fattori moltiplicatori di emissione mensili urbani a freddo per l inquinante i. Copert fornisce questo valore solo per autovetture e veicoli merci leggeri. Quota di viaggio percorsa a freddo (cfr IPO 1) per tipo di Vettore fattore di emissione a caldo Copert per ciclo e per Vettore dei fattori di emissione urbani, rurali ed autostradali per l inquinante i I coefficienti di emissione I risultati del modello e delle successive elaborazioni sono riportati nelle tabelle delle prossime pagine. Le ultime due colonne, contenenti le emissioni specifiche di CO2 e SO2, sono riferite a due inquinanti la cui entità dipende dal combustibile utilizzato e non dalle specifiche del motore. Le emissioni sono quindi calcolate come direttamente proporzionali al consumo (terzultima colonna) e secondo i seguenti fattori: 55

34 Tabella 2.11 Emissioni specifiche di CO2 e SO2 Emissione specifica Combustibile SO2 [g/kg] CO2 [g/kg] benzina 0 3,171 gasolio (zolfo 50 ppm)* 0,100 3,160 GPL 0 3,000 metano 0 2,745 *gasolio desolforato 50 ppm, normale 350 ppm Si ribadisce che i valori proposti sono relativi al totale delle emissioni per autovetture tradizionali e merci leggeri, alla sola quota emessa a caldo per tutti gli altri. Figura 2.20 indicatori di emissione auto tradizionali ciclo urbano 56

35 Figura 2.21 indicatori di emissione LDV ciclo urbano Figura 2.22 indicatori di emissione HDV ciclo urbano Figura 2.23 indicatori di emissione autobus ciclo urbano 57

36 Figura 2.24 indicatori di emissione motocicli ciclo urbano Figura 2.25 indicatori di emissione auto tradizionali ciclo extraurbano 58

37 Figura 2.26 indicatori di emissione LDV ciclo extraurbano Figura 2.27 indicatori di emissione HDV ciclo extraurbano Figura 2.28 indicatori di emissione autobus ciclo extraurbano 59

38 Figura 2.29 indicatori di emissione motocicli ciclo extraurbano Figura 2.30 indicatori di emissione auto tradizionali ciclo autostradale 60

39 Figura 2.31 indicatori di emissione LDV ciclo autostradale Figura 2.32 indicatori di emissione HDV ciclo autostradale Figura 2.33 indicatori di emissione autobus ciclo autostradale 61

40 Figura 2.34 indicatori di emissione motocicli ciclo autostradale Confronto tra combustibili. Qui di seguito esponiamo i risultati ottenuti dal confronto delle emissioni downstream per autoveicoli, alimentati con benzina, diesel o metano. Tabella 2.12 Emissioni specifiche (Fonte: Euromobility) Valori in g/km Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V NOx COV CO2 PM10 benzina 0,26 0, ,040 diesel 0,55 0, ,073 metano 0,18 0, ,009 benzina 0,09 0, ,011 diesel 0,55 0, ,073 metano 0,18 0, ,009 benzina 0,06 0, ,008 diesel 0,37 0, ,014 metano 0,15 0, ,009 benzina 0,033 0, ,004 diesel 0,122 0, ,008 metano 0,138 0, ,009 benzina 0,025 0, ,003 diesel 0,098 0, ,006 metano 0,104 0, ,007 Infine viene mostrato graficamente in figura 2.35 come l impiego del metano come carburante per autoveicoli sia pubblici che privati consenta di ridurre notevolmente un ampia gamma di emissioni. 62

41 Figura 2.35 (Fonte: Federmetano) 63