Per quanto riguarda la parte modellistica, è stato utilizzato il seguente software: ADMS 5, modello di dispersione gaussiano asimmetrico

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1 Incidenza dei vettori navali Ro/Ro sulla qualità dell aria portuale e verifica del rispetto del limite di emissione di NO Barbieri M., Campus S., Castiglioni F., Cavazzini S., Cogorno A., D Acqui R.M., Parodi A., Vairo T. Arpa Liguria, Via Bombrini 8, Genova, ia.ge@arpal.gov.it Riassunto Nel corso dell anno 2013, la Capitaneria di Porto di Genova ha chiesto supporto ad ARPAL per la progettazione e la realizzazione di un attività di monitoraggio dei prodotti di combustione originati dai propulsori delle unità navali Ro/Ro di linea delle principali compagnie di navigazione italiane in servizio a Genova. Allo scopo, le Società armatrici Grandi Navi Veloci S.p.A., Moby S.p.A. e Tirrenia S.p.A. hanno messo rispettivamente a disposizione le unità navali La Superba, Otta, Nuraghes dotando di idonei bocchelli di prelievo due fumaioli fra i quattro presenti e connessi, ciascuno, ad un propulsore. Il monitoraggio delle emissioni gassose e polverulente è stato effettuato sia in fase di manovra negli specchi acquei portuali, sia in fase di navigazione ed è stato volto alla determinazione delle concentrazioni di ossidi di Carbonio, di Azoto, di Zolfo, delle concentrazioni e della morfologia delle polveri. Secondo quanto previsto dall allegato VI della norma Marpol 73/78, GNV La Superba e Tirrenia Nuraghes sono soggette alla verifica del rispetto del limite di emissione di NO essendo state varate successivamente all anno Sulla base dei dati monitorati, sono state condotte simulazioni fluidodinamiche al fine di determinare la dispersione in atmosfera e la conseguente ricaduta degli inquinanti sul territorio circostante riferite al tempo necessario alle navi per uscire dal Porto di Genova. MATERIALI E METODI Si elenca di seguito la tipologia di strumentazione e di materiali utilizzati per i campionamenti delle specifiche sostanze da indagare, per la determinazione della velocità e della temperatura dei gas di combustione: Sonde riscaldabili di prelievo campione, dotate di filtro a ditale in fibra di quarzo ed equipaggiate con tubo di Pitot e sensore di temperatura Linee di prelievo riscaldabili Alimentatori linea riscaldabile Scatel 10 (potenza 390 W) e Scatel 30 (potenza 3.3 kw) Alimentatori sonde riscaldabili TCR Tecora Isoterm 4 (potenza 1.2 kw ma) Gruppi frigoriferi Chilly Analizzatori gas di combustione Horiba PG250 Analizzatori fid per rilevazione carbonio organico totale (COT) Ratfish RS 53T Campionatori TCR Tecora Isostack Basic Gruppi refrigeranti e condensanti per raccolta umidità fumi Bilancia per quantificazione umidità fumi raccolta Per quanto riguarda la parte modellistica, è stato utilizzato il seguente software: ADMS 5, modello di dispersione gaussiano asimmetrico DESCRIZIONE ATTIVITÀ DI CAMPIONAMENTO Le sonde di prelievo sono state connesse alle rispettive linee di prelievo della lunghezza di 40 m; il tutto è stato mantenuto alla temperatura di 180 C. Si sono così veicolati i gas di combustione sino al locale di installazione della strumentazione analitica ove, per mezzo di un raccordo a T, è stato possibile l impiego simultaneo dell analizzatore di COT e dell analizzatore dei gas di combustione, previo utilizzo delle dedicate linee di prelievo (la linea di prelievo verso l analizzatore dei gas di combustione è stata mantenuta alla temperatura di 155 C; quella verso l analizzatore di COT alla temperatura di 180 C). La scelta di installare gli analizzatori presso la stazione di condizionamento e non presso il pianerottolo di campionamento è stata dettata dalla necessità di mantenere la strumentazione e gli operatori in una condizione climatica accettabile. I prelievi delle polveri su filtro a ditale sono stato effettuati in condizioni non isocinetiche durante le manovre in ambito portuale e in isocinetismo durante la navigazione (con ugello da 6 mm). 1

2 RISULTATI DELL ATTIVITÀ DI CAMPIONAMENTO Le successive figure visualizzano i profili temporali delle concentrazioni misurate a bordo di Moby Otta durante le manovre portuali e in mare aperto durante la prima ora di navigazione per il motore n 3 di sinistra e il motore n 2 di dritta (propulsori utilizzati per la navigazione) di: Ossigeno, biossido di Carbonio, monossido di Carbonio, ossidi di Azoto, biossido di Zolfo e COT (fig. 1) temperature e portata umida dei gas combusti (fig. 2) Figura 1 Andamento temporale delle concentrazioni di O2 e CO2 (immagine a sinistra) e di CO, NO, SO2, COT (immagine a destra) nella 1 a ora di navigazione Figura 2 Andamento temporale delle temperature (immagine a sinistra) e delle portate umide dei gas combusti (immagine a destra) nella 1 a ora di navigazione Il campionamento delle polveri in condizioni isocinetiche valutate in fase di navigazione a regime a bordo di GNV La Superba ha condotto a stabilire una concentrazione di polveri nei gas combusti pari a 57.5 mg/ Nm 3, corrispondente ad una emissione massica, per singolo motore, di 2.4 kg/h. Per completezza si relaziona che l unità navale G.N.V. La Superba è stata dotata di bocchelli di campionamento ai fumaioli derivanti dai motori n 1 (asse di sinistra) e n 3 (asse di dritta) e che il diametro netto interno dei fumaioli alla sezione di campionamento è di 140 cm. Figura 3 Esempi di immagine SEM ottenute analizzando un campione di polvere 2

3 Le polveri raccolte in condizioni non isocinetiche sono state analizzate al microscopio a scansione elettronica e sono state utilizzate per la determinazione qualitativa degli elementi contenuti e rilevabili tramite analisi XRF. Due esempi di immagine SEM sono mostrati in figura 3. Si è così evidenziata presenza di Carbonio, Zolfo, Calcio, Sodio, Ferro, Rame, Nichel, Cromo, Vanadio, Potassio, Fosforo, Alluminio. Dati di letteratura individuano il Vanadio quale elemento caratteristico delle emissioni gassose di origine navale. VERIFICA DEL RISPETTO DELLA NORMA MARPOL 73/78 Anne VI L allegato VI della norma Marpol 73/78 riporta i seguenti limiti di emissione per gli ossidi di Azoto derivanti dai propulsori navali installati su navi costruite fra il 01/01/2000 e il 01/01/2011 g 17.0 kwh per n 130rpm 0.2 g 45n kwh per 130 n 2000rpm g 9.8 kwh per n 2000rpm dove n è il numero di giri del motore a regime al minuto. Figura 4 Andamento del limite di emissione degli ossidi di Azoto in funzione del numero di giri del motore a regime L andamento del limite in funzione del numero di giri del motore a regime è mostrato in figura 4. Il Moby Otta non è soggetto al rispetto di tale limite essendo stato varato anteriormente all anno Soggette invece le unità navali G.N.V. La Superba e Tirrenia Nuraghes che, da un punto vista motoristico e architetturale, risultano fra loro alquanto simili. Nel riportare di seguito la procedura di verifica del rispetto del limite di emissione di NO si farà riferimento all unità navale G.N.V. La Superba, le cui principali caratteristiche sono di seguito elencate: Anno di varo Stazza lorda tonn Propulsione - n 4 motori Wartsila 16V46C diesel n 2 assi Potenza complessiva kw Corsa pistone mm Alesaggio mm Numero cilindri (singolo motore) - 16 Per calcolare il valore di emissione di NO, da confrontare con il limite di norma, si necessita dei valori di concentrazione NO [g/m 3 ] portata gas di combustione [m 3 /h] 3

4 portata fuel in massa [g/h] SFOC Specific Fuel Oil Consumption [g/kwh] valutati in condizioni di regime. Si ottiene così valore di emissionedi NO NO gno kwh gno m N [ ] gas[ 3 Nm h gfuel fuel [ ] h 3 ] gfuel SFOC kwh VALUTAZIONE DEL RISPETTO DELLA NORMA MARPOL 73/78 Anne VI Sulla base dei seguenti dati registrati durante l attività di campionamento Temperatura fumi ( C) = 365 Depressione fumi (mm H20) = 10 Umidità fumi (%) = 12 concentrazione NO a regime [g/ Nm 3 secchi] = 2.91 portata massima gas di combustione a regime [ Nm 3 /h secchi] = (nota: si considera la portata massima, corrispondente alla pressione differenziale di 26 mm H2O riscontrata al centro della sezione di campionamento) e dei seguenti dati forniti dal Direttore di macchina portata fuel a regime [kg/h] = 2660 kg/h riferito ad una potenza erogata pari al 69.6% della potenza massima (16800 kw); SFOC [g/kwh] = trattasi di un dato riferito al 75% della potenza massima, come da Test Run EIAPP Numero giri motore a regime [rpm] = 465 si calcola il valore di emissione di NO del motore n 1 in condizioni di regime che risulta non superiore a 11 g/kwh, mediamente pari a 8 g/kwh, a fronte di un limite di emissione di NO a 465 rpm pari a 13 g/kwh. ATTIVITÀ MODELLISTICA Utilizzando il modello di previsione ADMS 5 e i dati di campionamento sopra indicati, è stata effettuata una simulazione delle emissioni di una nave in uscita dal Porto di Genova. Per simulare il fenomeno dell'emissione dal fumaiolo di una nave in partenza, si è adottato un modello puff con sorgente puntuale, discontinua e mobile, lungo il percorso di uscita dal porto. Figura 5 Percorso di uscita di una nave dal Porto di Genova 4

5 Si è impostata una velocità media di espulsione dei fumi pari a 1.8 m/s, in linea con quanto misurato in fase di campionamento. Il tempo necessario alla nave per lasciare il porto è stato stimato pari a 30 min; questo arco temporale è stato suddiviso in intervalli di 60 s. Per ogni intervallo è stato simulato il puff emesso. Questo approccio si ritiene essere appropriato per tener conto anche del transitorio necessario all'avvio dei motori. RISULTATI DELLE SIMULAZIONI I puff derivanti da ogni singolo intervallo sono stati combinati insieme per avere una simulazione completa delle emissioni durante il tragitto includendo, in ogni istante, anche le emissioni degli istanti precedenti. Al fine di porsi nelle condizioni peggiori di ricaduta in relazione all impatto sulla popolazione prospiciente l area portuale, la simulazione è stata condotta impostando condizioni di vento proveniente da sud-est. L output di ADMS è visualizzato su una griglia di recettori avente superficie di punti, corrispondenti a circa m 2. La risoluzione massima in ciascuna direzione è di 101 punti. I risultati visualizzati sulla griglia sono sovrapposti ad un DEM (modello digitale del terreno). Figura 6 Valutazione emissioni di NO nave in uscita dal Porto di Genova (μg/m 3 ) T=60 sec 20 m T=240 sec 20 m T=480 sec 20 m T=720 sec 20 m T=1740 sec 20 m T=1740 sec 10 m I risultati della simulazione mostrano che la curva di iso-concentrazione massima per gli inquinanti NO e SO 2 è posta a 20 m di quota rispetto al livello del mare. 5

6 Alla quota di 10 m, le concentrazioni di NO e SO 2 tendono a ridursi significativamente. Nella fascia tra 20 m e 30 m di altezza, la simulazione restituisce i livelli di concentrazione di NO e SO 2 più elevati con valori massimi dell ordine di 1 mg/m 3 per gli NO e di 0,01 mg/m 3 per l SO 2. Laddove le curve di iso-concentrazione intersecano il profilo del DEM, i suddetti valori sono rappresentativi dell esposizione al suolo. CONCLUSIONI L attività svolta ha permesso di mettere a punto tutte le fasi di campionamento necessarie alla verifica del rispetto del limite di emissione di NO prodotto dall esercizio dei propulsori navali, secondo quanto previsto dall allegato VI della norma Marpol 73/78. L attività di campionamento condotta, che ha pochissimi riscontri nella letteratura tecnica, ha inoltre lo scopo di fornire, al di là della collaborazione richiesta dalla Capitaneria di Porto di Genova, dati utili ad una migliore comprensione del meccanismo di emissione navale. Obiettivo dell attività, di carattere innovativo, è infatti quello di fornire un contributo tangibile con una base di dati reali utile sia nella scelta delle migliori tecniche anti-inquinamento applicabili alla navigazione sia nella definizione di una politica ambientale finalizzata alla mitigazione dell impatto del sistema portuale sulla qualità dell aria degli ambiti urbani. Sono previsti ulteriori campionamenti isocinetici finalizzati alla quantificazione delle polveri emesse durante le fasi di manovra nello specchio acqueo portuale con successiva modellazione del processo diffusivo e di ricaduta. Bibliografia [1] UNI Determinazione della velocità e portata di flussi gassosi convogliati per mezzo di tubi di Pitot [2] UNI EN Determinazione della concentrazione in massa di polveri a basse concentrazioni [3] UNI EN ISO Determinazione manuale ed automatica della velocità e della portata dei flussi in condotti [7] Convenzione Marpol 73/78 Anne V, Anne VI [9] Renato Della Volpe Impianti motori per la propulsione navale Liguori Editore [12] Hulda Winnes Air pollution from ships thesis for the degree of doctor of philosophy Chalmer University of Technology [13] Hulda Winnes, Erik Fridell Emissions of NO and particles from manoeuvring ships Transportation Research Part D 15 (2010) [14] Vairo Tomaso et al. An Approach to Risk Evaluation in Connection with Fire Scenarios from a Cruise Ship Chemical Engineering Transaction (2015) 6