Corso di. ing. Antonio Comi novembre 2010

Transcript

1 Corso di Laboratorio ditecnica della Circolazione i ing. Antonio Comi novembre 2010 Software per la stima delle emissioni inquinanti 1

2 Introduzione COmputer Programme to calculate l Emissions i from Road Traffic Programma di calcolo delle emissioni da traffico realizzato dalla European Environment Agency EEA nell ambito del programma CORINAIR Modello di tipo disaggregato, cioè consente di ottenere i valori delle emissioni per ogni categoria di veicoli È usato per calcolare le emissioni di CO, NO x,voc,n 2 O, NH 3, SO, CO 2, CH 4, Pb, PM, HM, NMVOC 2

3 Introduzione Le quantità di sostanze emesse in atmosfera dagli autoveicoli dipendono sia dalle emissioni dei veicoli (fattori di emissione), che dalla numerosità delle flotte (di veicoli a benzina, diesel, GPL, veicoli catalizzati e non,..) e dalle relative percorrenze. A ciascuna classe veicolare e per ogni inquinante il modello associa delle funzioni di stima delle emissioni e dei consumi dipendenti dalla velocità. Tali funzioni rappresentano delle curve medie di emissione e di consumo di carburante; esse vengono ricavate da misure di emissioni i i per diverse tipologie i emarche di veicoli esi riferiscono i a prove realizzate in vari paesi europei, su diverse varietà di cicli di guida. 3

4 Introduzione In particolare la metodologia di calcolo del si basa sui seguenti parametri: parco auto circolante: numero di veicoli, anno di immatricolazione, cilindrata (per le autovetture) o peso (per i veicoli commerciali) condizione i di guida: velocità mediaekm percorsi per tipo di strada fattori di emissione tipo di combustibile condizioni climatiche: temperature min e max pendenza della strada carico trasportato nel caso dei veicoli commerciali 4

5 Introduzione Aparteifattori di emissione, presenti nel codice di calcolo del programma, gli altri dati vengono inseriti dall utente nel modello durante la creazione del database di input. L ACI fornisce i dati relativi al parco circolante suddividendo i veicoli in categorie di cilindrata/peso e data di immatricolazione. Le categorie considerate nel modello sono 21 e possono essere raggruppate in: autovetture ( passenger cars) veicoli commerciali leggeri ( light duty vehicles) veicoli commerciali pesanti ( heavy duty vehicles) ciclomotori ( mopeds) motocicli ( motorcycles) 5

6 Composizione del parco auto Italiano Fonte: ACI - Annuario statistico

7 Classi e rispettive date d immatricolazione in Italia 7

8 Dati di input Riferimento principale per avere i valori delle percorrenze medie è il Ministero dei Trasporti; altre possibili informazioni provengono dall ACI o da ricerche di mercato. Per le velocità medie non è possibile identificare una fonte specifica. Tali informazioni vengono ricavate da casi di studio o da articoli della stampa specializzata. I valori dei consumi annui di benzina, gasolio e GPL sono riportati sul Bilancio Energetico Nazionale redatto dal Ministero dell Industria. 8

9 Struttura della metodologia Fonte: Eggleston et alii,

10 Tipi di emissione Le emissioni i i di inquinantei i da veicoli su strada sono calcolati l come la somma di tre tipologie di contributi: E i = E hot,i + E cold,i + E vap,i E hot,i : emissioni a caldo, prodotte durante il funzionamento del motore alla temperatura di esercizio E cold,i : emissioni a freddo, prodotte nella fase di riscaldamento del motore E vap,i : emissioni evaporative costituite solo dai NMVOC (Non-Methane Volatile Organic Compound) 10

11 Tipi di emissione Poiché ih diverse situazioni i i di guida comportano differentii condizioni di funzionamento del motore (e quindi differenti tipologie di emissione), considera tre differenti condizioni di guida che avvengono su percorsi urbani (E urban ), rurali (E rural ), e sulle autostrade (E highway ), : E = E urban + E rural + E highway 11

12 Tipi di Emissione Emissioni a caldo La marcia prolungata è la condizione che si verifica una volta trascorso il tempo di riscaldamento del motore e del catalizzatore. Questo tipo di emissione dipende da vari fattori, tra cui: la distanza percorsa dal veicolo la velocità (legata al tipo di strada) l età del veicolo il tipo di motore il peso 12

13 Tipi di Emissione Emissioni a caldo Fattore di emissione Per la stima del fattore di emissione a caldo (e hot,i,j,k ) si assume che questo dipenda principalmente dalla velocità; in tal modo si riescono a fornire delle curve caratteristiche per ogni categoria di veicoli e per inquinante che approssimano in maniera soddisfacente la situazione reale. e hot,i,j,k [g/km] Velocità media [km/h] dipendenza del fattore di emissione a caldo per il monossido di carbonio (nel caso di autovetture pre- ECE) dalla velocità curva estrapolata dai valori reali misurati 13

14 Tipi di Emissione Emissioni a caldo calcola queste emissioni in base alla media annua dei km percorsi e alla velocità media del veicolo, da cui dipende il fattore di emissione: E n m e [ t / anno ] j jk hot; ijk = / hot ; i jk n j (veicoli): numero di veicoli della classe j-esima m jk (km/veicolo): distanza media percorsa da ogni veicolo di categoria j su strada di classe k e hot;ijk (g/km): fattore di emissione per l inquinante i, rilevato per la categoria di veicoli lij, sullastrada di classe k. 14

15 Tipi di Emissione Emissione a freddo Questa condizione si verifica quando il motore è stato spento a lungo; le emissioni di CH 4 e CO sono più elevate poiché il catalizzatore deve raggiungere la temperatura operativa. Inoltre a freddo la benzina non si mischia con l aria lariainin maniera adeguata. Del carburante incombusto viene emesso in alte concentrazioni. In pratica, questo tipo di emissioni vengono calcolate come un surplus rispetto alle emissioni che si avrebbero se tutti i veicoli funzionassero sempre a temperatura di regime ( ) A E [ t anno ] E = B / = / cold ; i hot; i B: emissioni effettive finché il motore non raggiunge la temperatura d esercizio; A: fattore moltiplicativo per non contare due volte le emissioni a caldo che si verificano in questa fase; A si può esprimere come frazione di chilometri percorsi prima del raggiungimento delle condizioni di regime 15

16 Tipi di Emissione Emissione a freddo E cold e cold ; i, j n m e ; i j k j j j hot i j 1, ;, e = β hot; i, j [ t / anno] β j : frazione di km percorsi con il motore o il catalizzatore freddo dalla categoria di veicoli j (per l Italia 12 km) n j (veicoli): numero di veicoli della classe j-esima m j (km/veicolo): distanza media percorsa da ogni veicolo di categoria j e hot;ij (g/km): fattore di emissione per l inquinante i, rilevato per la categoria di veicoli j e cold; ij /e hot; ij : rapporto tra le emissioni a caldo e quelle a freddo per l inquinante i e per la categoria di veicoli j 16

17 Tipi di Emissione Emissioni a freddo Fattore correttivo per β j Dipendenza di e cold / e hot e cold / e hot e cold / e hot dipendenza dalla temperatura per i veicoli immatricolati anteriormente all entrata in vigore della normativa EURO I (nel caso del monossido di carbonio e di autoveicoli e piccoli veicoli commerciali a benzina). Dipendenza dalla temperatura per i veicoli immatricolati posteriormente all entrata in vigore della normativa EURO I (nel caso del monossido di carbonio e di autoveicoli e piccoli veicoli 17 commerciali a benzina

18 Tipi di Emissione Emissione evaportative Ci sono 3 fonti principali di emissioni evaporative: diurnal emissions: vapori emessi durante la giornata e persi attraverso il tappo del serbatoio in seguito al riscaldamento del carburante; sono causate dall evaporazione dl del carburante a seguito delle variazioni di temperatura; hot and warm soak emissions: sono causate dal calore latente del motore (al momento dello spegnimento) che a sua volta causa l evaporazione del carburante rimasto nel sistema di alimentazione; si distinguono in due classi a seconda se la vettura è dotata di carburatore o è ad iniezione; running emissions: vapori emessi durante la marcia che si generano dal serbatoio durante la marcia 18

19 Tipi di Emissione Emissione evaportative E vap = ( ) e S S R [ t / anno ] 365 n j j d c fi n j (veicoli): numero di veicoli della classe j-esima e d : fattore di emissione delle perdite diurne S c : fattore di emissione a caldo e a freddo per i veicoli a benzina dotati di carburatore S fi : fattore di emissione a caldo e a freddo per i veicoli a benzina dotati d iniezione elettronica R: perdite durante il moto 19

20 Carburante e consumi usa i dati sul combustibile utilizzato per due ragioni fondamentali: la prima è quella di valutare il contributo alle emissioni dovuto all uso di uno specifico carburante; la seconda è quella di convalidare i risultati tramite il confronto tra i dati sul consumo locali (nazionali, regionali, provinciali) e quelli calcolati dall applicazione della procedura. In questo modo è possibile valutare se fornisce risultati consistenti con le emissioni reali ed eventualmente applicare delle modifiche alle variabili più sensibili, il che significa, in generale, applicare dei valori ricavati dall osservazione della situazione locale, l piuttostoche itt t lestime fornite. 20

21 Carburante e consumi Per quanto riguarda la dipendenza delle emissioni dal tipo di carburante, vi sono degli inquinanti per i quali la rilevanza di questo aspetto è notevole (es. CO 2 ). È però assai difficile che i dati sul consumo siano disponibili in forma disaggregata per classe di veicoli, per cui si usa un metodo combinato: gli inquinanti che dipendono dal carburante vengono dapprima calcolati l sulla base dl del consumo stimato per classe di veicolo; poi viene applicatounfattore ftt correttivo basatosui consumi effettivi. i 21

22 Carburante e consumi Correzione La formula adoperata (per inquinante, carburante e per classe di veicoli) è la seguente: E = E F calc E: emissioni reali, E calc : emissioni stimate in base ai consumi calcolati per classe veicolare, F: fattore correttivo che riporta un indice d errore tra i consumi stimati e quelli reali, dato reale sul consumo dl del carburante F = somma dei consumi calcolati su tutte le classi veicolari che adoperano quel carburnate Gli inquinantii per i quali è necessario procedere a questo tipo di calcolo sono (tra quelli regolamentati) l anidride carbonica (CO 2 )e l anidride solforosa (SO 2 ) 22

23 Inquinanti non regolamentati e specificazioni In questa categoria rientrano: protossido di azoto (N 2 O), ammoniaca (NH 3 ), idrocarburi policiclici aromatici (IPA o PAH), inquinanti organici persistenti (IOP o POP), diossine e furani, le speciazioni dei composti organici volatili non metanici (NMVOC). Per tutti questi inquinanti, vengono fornite delle stime e delle tavole che si basano sul lavoro di diversi studiosi, commissioni d esperti ed anche laboratori di ricerca di case automobilistiche. I risultati forniti sono, generalmente, una prima indicazione, in attesa di ulteriori studi sulla materia. 23

24 Correzioni delle emissioni Le correzioni tengono conto degli effetti sugli scarichi dei seguenti parametri: età del veicolo (e quindi il chilometraggio percorso): i fattori di emissione sono associati ad un certo fattore di degradazione in funzione della vita media dei veicoli; se l età del veicolo aumenta, occorre applicare un ulteriore fattore di degrado; infatti, i fattori di emissione proposti sono basati su un chilometraggio medio europeo valutato intorno ai Mkm e tengono conto di un fattore di degradazione consistente con tale proiezione; manutenzioni e ispezioni intensificate: in quest ambito rientrano le campagne di misura delle emissioni allo scarico sul tipo del bollino o blu ; il modello o ne tiene econto o correggendo il fattore di degradazione; 24

25 Correzioni delle emissioni riformulazione dei combustibili: viene fornita una stima dei fattori correttivi da applicare per tenere conto dell uso dei carburanti riformulati secondo le specifiche EURO III e IV da parte di veicoli immatricolatii i precedentemente all entrata in vigore dll della normativa di riferimento; l effetto sulle emissioni è simulato per mezzo di un fattore di correzione funzione del tipo di combustibile e del tipo di veicolo: F ( ) correttivocarburante ehot = ehot corretto F carburante di base F correttivo carburante e F carburante di base sono i fattori di correzione ricavabili da tabelle apposite in appendice al manuale di 25

26 Correzioni delle emissioni effetto della pendenza della strada sui veicoli pesanti: la presenza di un gradiente altimetrico (o pendenza stradale) comporta una maggiore o minore resistenza del veicolo alla trazione e conseguentemente influenza il regime dl del motore e quindi idi le emissioni; si è valutato che questo effetto raggiunge valori non trascurabili nel caso dei veicoli commerciali pesanti, mentre risulta trascurabile nel caso di autovetture e veicoli commerciali leggeri; si sono selezionate quattro classi stradali caratterizzate da un diverso gradiente 26

27 Correzioni delle emissioni Effetto della pendenza ( e ) hot = G ehot corretto G: fattore di gradiente calcolato come G = A V + A5 V A1 V A0 V: velocità media A6,.., A0: costanti dipendenti dall inquinante considerato, dal peso e dal gradiente stradale 27

28 Correzioni delle emissioni carico dei veicoli pesanti: il carico influenza i consumi, il regime del motore e, conseguentemente, le emissioni: è quindi utile disporre di un fattore di correzione che tenga conto degli effetti che questo parametro comporta, specialmente il nel caso di dei veicoli commerciali ili pesanti; per le altre tipologie di vetture, il carico medio del 50% conteggiato nel ricavare i fattori di emissione nell ambito è in buon accordo con i dati statistici a livello Comunitario e pertanto non vengono proposti fattori correttivi per queste classi veicolari; il fattore di emissione i corretto, fissati l inquinantei e la classe veicolare, è: LP: carico reale LP 50 ( e ) hot = e 1+ 2 L corretto hot 100 L: fattore correttivo specifico per ciascun inquinante; 28

29 Stima delle incertezze È opportuno distinguere i tipi di errore che si possono commettere: incertezza strumentale (a) nelle operazioni di misura (fattori di emissione, flussi di traffico, ecc.); incertezza dovuta alla modellizzazione (b) (per esempio: qual è l affidabilità dll delle curve che forniscono il fattore di emissione i al variare della velocità? e via di questo passo). 29

30 Stima delle incertezze All interno di queste due categorie principali, è possibile fare la solita distinzione statistica tra errori casuali, sono quelli dovuti sostanzialmente a malfunzionamenti occasionali delle apparecchiature, a scarsità di dati oad errori di calcolo; l errori sistematici, possono essere insiti nelle formule che si usano o derivare da una sottostima (o sovrastima) ripetuta dei parametri che vi intervengono (sia per i fattori di emissione che per gli indici di attività). 30

31 Stima delle incertezze Errori sistematici 31

32 Stima delle incertezze Errori sistematici Si può cercare di intervenire sugli errori sistematici sostanzialmente seguendo due strade diverse: fornendo una valutazione statistica dell affidabilità dei valori e delle formule applicati (generalmente tramite la deviazione standard dal valore medio, i minimi quadrati e la propagazione degli errori); confrontando tra loro i risultati forniti da diverse metodologie di calcolo e raffrontandoli ai valori reali misurati (per esempio, restando all interno della metodologia, verificare la discrepanza di valori tra un approccio top-down ed uno bottom-up su una stessa zona nel medesimo arco temporale). 32

33 Stima delle incertezze Errori sistematici stima qualitativa delle incertezze nelle misure delle emissioni, per inquinante e tipologia di veicolo LEGENDA: A fattori di emissione statisticamente significativi (ampio campione), B fattori di emissione statisticamente poco significativi (campione ridotto), C fattori di emissione basati su dati in letteratura, D fattori di emissione ricavati per estrapolazione da altri dati. 33

34 Metodologia 34