Il trasporto pesante diventa leggero L opportunità Metano

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1 Il trasporto pesante diventa leggero L opportunità Metano Genova, 2 dicembre 2013 Utilizzo del gas naturale liquido nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche A. Massardo, G. Zamboni Scuola Politecnica Università di Genova 1

2 Considerazioni generali A livello mondiale Il 50% del petrolio estratto è utilizzato per i trasporti Oltre il 90% dell energia utilizzata nel settore dei trasporti deriva dal petrolio A livello europeo (EU27) (fonte: Eurostat Energy, transport and environment indicators 2012) Dal 2000 al 2010, il consumo di energia nel settore dei trasporti è passato dal 30.4 al 31.7% del totale Nello stesso periodo, il valore assoluto totale è aumentato del 3%, quello relativo ai trasporti è aumentato del 7% Del totale dell energia consumata per i trasporti, nel 2010 la quota per quelli stradali era pari all 82.2% (82.1% nel 2000), con un incremento del valore assoluto pari al 7% nel decennio considerato Per quanto riguarda le emissioni di gas serra, il settore dei trasporti stradali contribuisce per circa il 20% Per ridurre la dipendenza dal petrolio, la Commissione Europea prevede di incrementare l utilizzo di combustibili alternativi (ottenuti in particolare da fonti rinnovabili), puntando su biocombustibili, gas naturale e idrogeno A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 2

3 Alcune caratteristiche del gas naturale Combustibile utilizzato allo stato gassoso, costituito da miscele di idrocarburi: metano (presente in percentuale variabile tra l 80 ed il 99%), etano (con percentuali variabili tra 0.1 e 8%) propano, butano e gas inerti (N 2 e CO 2 ) Rapporto carbonio/idrogeno in massa per il metano: 75% di C e 25% di H. Più favorevole tra gli idrocarburi riguardo alla produzione di CO 2 in seguito alla combustione (per la benzina ed il gasolio tale rapporto è pari a circa 86/14) Massa volumica: 0.68 kg/stm 3 ; circa 2.2 kg/stm3 per il GPL (Stm 3 = metro cubo in condizioni standard, p = bar e t = 15 C) Densità di energia (condizioni di stoccaggio a bordo veicolo) CNG: 8.8 MJ/dm 3 (p = 220 bar e t = 15 C) LNG: 20.7 MJ/dm 3 (p = 1 bar e t = -160 C) benzina: 32.2 MJ/dm 3 (pressione atmosferica, stato liquido) gasolio: 35.7 MJ/dm 3 (pressione atmosferica, stato liquido) Numero di ottano (Research Method): 125 (95 per la benzina) A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 3

4 Pro e contro Aspetti favorevoli Notevoli riserve disponibili Derivabile dalla conversione di biomasse Ponte tecnologico verso l idrogeno (infrastrutture, interventi su motore e veicolo) Minore costo di esercizio rispetto a benzina ( -60%) e gasolio ( -30%) Minori emissioni (chimiche, termiche ed acustiche) Le principali problematiche Necessità di una rete di distribuzione dedicata: ad oggi per il CNG, 984 impianti operativi in Italia (37 autostradali); in Europa (32 stati) 2860 impianti. Per LNG: 25 impianti in Europa (fine 2012) Minore autonomia di percorrenza Maggior costo veicolo: mediamente, +25% rispetto ad analogo veicolo a benzina nel caso di auto bi-fuel, +8% rispetto ad auto GPL/benzina. Veicoli pesanti: +20% per un mezzo alimentato a gas naturale (anno 2005), rispetto a veicolo con propulsore Diesel convenzionale; +10% nel 2010 (maggiore complessità dei sistemi di post-trattamento per i motori Diesel) Maggiore peso ed ingombro del serbatoio Problemi relativi alla sicurezza (rischio di passaggio rapido di fase nel caso di contatto LNG acqua, possibilità di perdite accidentali, fughe, ecc.) A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 4

5 Esempio di applicazione motoristica Schema di motore dual fuel: sistema di alimentazione del gas naturale, strategie di controllo del sistema di iniezione del motore, interazioni con gli altri sistemi del motore (di sovralimentazione, di ricircolo dei gas di scarico, di post-trattamento dei gas di scarico: filtri per particolato, catalizzatori, ecc.) A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 5

6 Lo stoccaggio a bordo Serbatoio criogenico Elevato isolamento Conservazione del gas naturale liquido per circa 1-2 settimane in assenza di prelievo del combustibile Spillamento di parte del vapore per compensare gli incrementi di temperatura e di pressione A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 6

7 Considerazioni sull inquinamento atmosferico Criticità relative alla qualità dell aria NO 2, PM 10 e ozono Emissioni da traffico stradale: area urbana genovese, anno 2010 (stime da modello Progress, sviluppato da ICEG DIME) Altri 12,6% Ossidi di azoto Auto a benzina 10,0% Altri 15,4% PM VCL Diesel 10,8% Auto Diesel 12,3% Bus 25,1% VCP 40,0% Auto Diesel 27,2% VCP 35,0% Bus 11,6% A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 7

8 Velocità [km/h] Numero veicoli/giorno (classi autostradali 3, 4 e 5) Vehicle share in port area [%] Veicoli pesanti nell area portuale genovese: flussi, tipologie e leggi di moto Elaborazione dati da Società Autostrade, Autorità Portuale e Associazione Autotrasportatori Prov. Ge Totale Veicoli con O-D = porto Anno di riferimento: % Rigid truck (RT) - RT 1 = 2 axles, < 14 t - RT 2 = 3-4 axles, t - RT 3 = 4-5 axles, > 28 t Truck trailer (TT) Articulated truck (AT) - TT/AT 1 = 3 axles, > t - TT/AT 2 = 3-4 axles, > t - TT/AT 3 = 4-5 axles, > t - TT/AT 4 = 5 axles, > t - TT/AT 5 = 5 axles, > 40 t % 65% Genova Voltri Genova Ovest Tutti i caselli genovesi 5 0 RT 1 RT 2 RT 3 TT/AT 1 TT/AT 2 TT/AT 3 TT/AT 4 TT/AT 5 50 Profilo di velocità nel terminal San Benigno Tempo [s] Durata: circa 1 h e 6 min Distanza: 3.8 km Velocità media: 3.5 km/h Percentuale al minimo: 68% Stop/km: 2.1 A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 8

9 Fattori di emissione NO X [g/km] Fattori di emissione PM [g/km] Veicoli pesanti nell area portuale genovese: emissioni Sulla base dei profili di velocità rilevati, opportunamente elaborati, è possibile valutare le emissioni inquinanti ad essi associati, mediante il modello PHEM (Passenger car and Heavy duty Emission Model) 20 0, portuale urbana Auto articolati/autotreni Euro 5 > t Auto articolati/autotreni Euro 5 > 40 t 0,25 0,20 portuale urbana Auto articolati/autotreni Euro 5 > t Auto articolati/autotreni Euro 5 > 40 t 0,15 8 0,10 4 0,05 0 0,00 In ambito portuale i fattori di emissione sono più elevati a causa delle caratteristiche degli spostamenti (ridotta velocità media, funzionamento del motore al minimo per lunghi periodi, elevato numeri di stop/km, ) tipici del ciclo di lavoro A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 9

10 Confronto emissioni motorizzazioni benzina/diesel/gas naturale (veicoli stradali) Variazione delle emissioni per veicoli alimentati a GN rispetto a combustibili convenzionali CO NMHC THC NO X PM Veicoli a benzina Veicoli Diesel -41% / -76% -88% +2% / +81% -39% / -63% - -10% / -85%* -75% / -90% +200% / + 600% -15% / -84% -88% / -96% Anche l indice di tossicità complessivo (ottenuto considerando le emissioni di particolato, idrocarburi policiclici aromatici e formaldeide) è favorevole nel caso di alimentazione a gas naturale rispetto ai motori Diesel A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 10

11 Potenziale riduzione delle emissioni nell ambito urbano genovese Ipotesi Area urbana genovese, anno 2010 Sostituzione del 10% di veicoli commerciali pesanti equipaggiati con motore Diesel con veicoli alimentati a gas naturale (percorrenza media annua per veicolo costante) Fattori di riduzione delle emissioni di NO X e PM per veicoli GN non dipendenti dall anno di immatricolazione del veicolo Risultati Le emissioni totali per i VCP si riducono del 6.2% per gli NO X e dell 8.9% per il PM Le emissioni totali per l intera flotta circolante nell area urbana genovese si riducono del 2.5% per gli NO X e del 3.1% per il PM Considerazioni In ambito portuale, possibili riduzioni delle emissioni anche maggiori Anche nel caso degli autobus il potenziale merita una valutazione, considerando le elevate percorrenze in ambito urbano (da 4 a 6 volte maggiore dei VCP), l età media del parco e la gestione degli intervalli di rifornimento Nel caso dei mezzi di raccolta RSU, i benefici sarebbero decisamente più limitati, dal momento che il contributo alle emissioni su area urbana è ridotto (alcuni punti percentuali) A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 11

12 Confronto emissioni motori diesel (veicoli stradali/locomotori/propulsori navali) Ammesso che sia possibile confrontare le emissioni di diverse tipologie di mezzi di trasporto (tenendo conto delle differenze nelle condizioni operative, metodologie di misura, età e modalità di utilizzo del propulsore, tipo di combustibile, ecc.) 500% 400% PM 2.5 NOx SO2 300% 200% 100% 0% VCP locomotori (valore minimo) locomotori (valore massimo) navi (valore minimo) navi (valore massimo) A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 12

13 Conclusioni Il potenziale esiste, ma per ottimizzare i benefici: Studi di scenario approfonditi Applicazione di coefficienti di riduzione delle emissioni affidabili e differenziati per tipologia di motore e/o classe normativa Definizione dell attività dei sistemi propulsivi selezionati (cicli di lavoro, zone O D, utilizzo giornaliero, ecc.) Mix realistici di sostituzione dei veicoli/propulsori Valutazione degli effetti sulla qualità dell aria GRAZIE PER L ATTENZIONE A. Massardo, G. Zamboni Utilizzo del LNG nei sistemi propulsivi: potenzialità e problematiche 13