Valutazione modellistica ricaduta al suolo delle emissioni dell impianto Rena Energia srl

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1 Valutazione modellistica ricaduta al suolo delle emissioni dell impianto Rena Energia srl Studio Settembre

2 Pag / indice 3 / Premessa 4 / Descrizione della catena modellistica 6 / Lo scenario simulato 11 / Risultati delle simulazioni 16 / Conclusioni Gruppo di Lavoro Redazione Collaborazione Versione Visto Marco Vecchiocattivi Monica Angelucci Caterina Austeri Rev. 1 Giancarlo Marchetti 2

3 Premessa Con questo studio Arpa Umbria ha cercato di valutare i possibili impatti nelle concentrazioni di PM 10 e NO x in aria che l impianto della ditta Rena Energia srl, situata nel comune di Avigliano Umbro, può provocare tramite le proprie emissioni. La valutazione dell entità dell impatto e l area di massima ricaduta delle emissioni prodotte da tale impianto è stata fatta tramite l utilizzo di una catena modellistica basata sul modello di simulazione della dispersione degli inquinanti in aria Calpuff. Dato l uso di alcune necessarie semplificazioni relative alle emissioni, questo studio può essere inteso solo per una valutazione indicativa delle concentrazioni al suolo di singoli inquinanti in un approccio conservativo che tende a sovrastimare le emissioni ma che permette di valutarne comunque l ordine di grandezza e la distribuzione spaziale. 3

4 Descrizione della catena modellistica Per poter analizzare gli impatti di questi impianti, è stato utilizzato un sistema modellistico a scala locale basato sul modello di dispersione Calpuff e sul modello meteorologico diagnostico Calmet, entrambi inseriti all interno della suite di codici denominata CALPro Plus. Questo è un modello di dispersione lagrangiano a puff gaussiani, è tra i modelli attualmente raccomandati dall US-EPA ed è un modello a scala locale utilizzato da numerose Agenzie per l ambiente. Tale codice permette di simulare la dispersione in aria degli inquinanti emessi da più sorgenti e calcolarne le concentrazioni mediate su aree suddivise in vari tipi di reticoli territoriali a partire dai dati emissivi delle diverse sorgenti e dalle informazioni sulle condizioni micro-meteorologiche. Inoltre, è capace di tenere in considerazione la disomogeneità spaziale del dominio e, quindi, l influenza sia dell orografia che del differente utilizzo del suolo nella circolazione dei venti e nella diffusione degli inquinanti e simulare in maniera adeguata anche fenomeni di calme di vento o di regimi di brezza. Questo è possibile grazie all adozione di un primo step di elaborazione basato sul preprocessore meteorologico diagnostico Calmet con il quale è possibile ricostruire in maniera più approfondita la microcircolazione del vento e le variabili micrometeorologiche per tutta l estensione del dominio e per ciascuno step temporale. La formulazione lagrangiana, inoltre, permette di valutare le ricadute al suolo sia nelle vicinanze delle varie sorgenti simulate sia a distanze più elevate. La suite di programmi utilizzata si chiama CALPro Plus, versione 7.7.0, e si compone essenzialmente di vari moduli di calcolo che si concatenano come mostrato in figura 1. Il cuore di calcolo di questa suite comprende sia il modello meteorologico diagnostico Calmet che il modello di dispersione Calpuff. Gli altri moduli di calcolo della suite CALPro Plus servono a elaborare i dati geofisici relativi al dominio di simulazione ed elaborare i dati di output dei vari modelli (post-processori). Calmet è un preprocessore meteo di tipo diagnostico che ha il compito di ricostruire i campi di vento 3D, ovvero i valori sia per il grigliato orizzontale che verticale del dominio, per ciascuna ora simulata, e tutti i parametri micro meteorologici 2D, ovvero per ciascun punto della griglia orizzontale, fondamentali per la simulazione della dispersione in atmosfera. I dati meteorologici sono, infatti, sempre piuttosto critici; la mancanza di sufficienti informazioni micro-meteorologiche per parametrizzare adeguatamente la bassa atmosfera nell area sottoposta allo studio è stata risolta derivando le informazioni micro-meteorologiche richieste dai dati del modello meteorologico nazionale LAMA gestito dal Servizio Idro-Meteo Clima dell ARPA Emilia Romagna. Al fine di alimentare Calmet con tali dati, è stato realizzato internamente da Arpa Umbria un processore per poter elaborare i dati grezzi del modello meteorologico nazionale LAMA e passandoli in input a Calmet come grigliato 3D di dati meteo. Calpuff, è il modello di dispersione degli inquinanti che, come già detto, è di tipo lagrangiano a puff gaussiani. Il sistema permette di descrivere la sorgente con i relativi dati emissivi e, sfruttando i dati meteorologici e orografici elaborati da Calmet, di valutare le concentrazioni al suolo. Il modello è stato impostato per valutare solamente gli inquinanti principali direttamente emesse dalle sorgenti e non gli inquinanti secondari. Nel modello esistono vari tipi di sorgenti per le quali è possibile effettuare le simulazioni: puntuali, lineari, areali e volumetriche. Scelto il tipo di sorgente più adatto a rappresentare una emissione, occorre settare i relativi parametri per poi procedere alla simulazione. 4

5 In generale, il funzionamento di base di tutta la suite CALPro è riassumibile in quattro passi fondamentali: 1. Preparazione del dominio e dei dati geo-fisici 2. Preparazione dell input meteo 3. Simulazione della dispersione 4. Elaborazione dei risultati Grib LAMA Orografia Uso del suolo 2 TERREL CTGPROC lama2calmet TERREL.DAT LU.DAT 3D. DAT MAKEGEO GEO.DAT 1 2 CALMET 3 Emissioni CALMET.DAT CALPUFF CONC.DAT DFLX.DAT WFLX.DAT PRTMET CALPOST Output per analisi meteo Concentrazioni Figura 1: Schema e uso di CALPro. 5

6 Lo scenario simulato Per poter realizzare le valutazioni modellistiche, per prima cosa occorre definire lo scenario relativo all impianto in studio. La definizione dello scenario consiste nello scegliere e caratterizzare i seguenti elementi: - il dominio geografico in cui è presente la sorgente e l area di ricaduta degli inquinanti, - i parametri meteorologici - la sorgente degli inquinanti che va descritta sia dal punto di vista geometrico che emissivo. Le caratteristiche del dominio necessarie sia per il modello Calmet che per Calpuff devono essere impostate per ciascuna cella orizzontale di cui è composta l area in studio. Queste caratteristiche sono principalmente: 1. coordinate orizzontali e verticali dei punti del grigliato (3D) 2. orografia 3. uso del suolo Il grigliato usato da Calmet e Calpuff si basa sulle seguenti convenzioni: - le coordinate x e y si riferiscono all angolo in basso a sinistra della cella di calcolo - tutte le coordinate piane e le distanze sono in km - i livelli sono altezze rispetto al suolo e seguono, quindi, l orografia del terreno - il primo livello deve essere centrato intorno a 10 m in quanto questa altezza è richiesta da Calmet per poter calcolare tutti i parametri micro-meteorologici La figura 2 mostra questa convenzione e il posizionamento dei punti di grigliato rispetto alle celle di calcolo. Figura 2: Schema della convenzione di CALPro per la definizione dei punti di grigliato. Il grigliato usato nelle varie simulazioni di questo studio ha un passo di 200 x 200 m centrato rispetto al camino principale dell impianto studiato e con un estensione di 5 km dal centro (dominio quadrato di 10 x 10 km) e, quindi, con 50 x 50 celle di calcolo sul piano orizzontale. Rispetto alla verticale, il dominio è composto da 10 livelli verticali le cui interfacce hanno le seguenti altezze (in m): 0, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1000, 1500, 2000,

7 Nella figura 3, è riportata l immagine aerea dell area interessata dallo studio insieme al posizionamento del relativo impianto collocato al centro del dominio di simulazione. Figura 3: Ortofoto dell area del dominio di simulazione con la posizione delle emissioni dell impianto Rena Energia srl nel comune di Avigliano Umbro. Nella tabella 1 sono riportate le coordinate usate come centro del dominio. Tabella 1: Coordinate del centro del dominio della simulazione Impianto X UTM32N Y UTM32N Rena Energia srl Stabilito il dominio delle simulazioni, sono state elaborate le rispettive informazioni geofisiche. Tali elaborazioni sono state realizzate con l ausilio dei preprocessori presenti all interno del programma CALPro: TERREL, CTGPROC e MAKEGEO. Il primo elabora l altezza sul livello del mare per ciascuna cella del dominio ed è stato alimentato con i dati derivati dalla cartografia tematica regionale e, in particolar modo, dalle mappe di suolo digitale (DTM) con passo di circa 25 m. Le informazioni sull uso del suolo sono state elaborate a partire dal dataset europeo Corine Land Cover 2000 (con l ultimo aggiornamento a fine 2009), convertite per rispettare la classificazione adottata da Calmet e poi processate dal programma CTGPROC opportunamente modificato. Infine, queste informazioni sono state riunificate attraverso il processore MAKEGEO, con il quale è stato creato il file GEO.DAT richiesto in input dal modello Calmet. Preparati i file di input dell uso del suolo è possibile elaborare il file con le informazioni meteorologiche utilizzando il modello Calmet. Il processore meteorologico diagnostico richiede svariati parametri in input. 7

8 Nello studio, non avendo a disposizione per le zona selezionate dati misurati adatti per poter eseguire Calmet, sono stati utilizzati i dati meteorologici provenienti dall archivio LAMA del modello meteorologico dell ARPA Emilia Romagna. In questa maniera Calmet è stato fatto girare nella modalità senza osservazioni (ovvero, senza dati misurati da centraline meteo insitu) ma raffinando ed elaborando i dati 3D del modello meteorologico prognostico fornito in input. L anno meteorologico scelto è il 2011 del quale si dispone di tutti i dati del modello LAMA nell area oggetto di studio. I parametri preparati come input si riferiscono non solo a grandezze fisiche al suolo ma anche in quota, questo al fine di ricostruire più fedelmente possibile anche la circolazione dei venti dal suolo fino a quote più elevate. Con questi dati è stato preparato il file 3D.DAT dato in input a Calmet insieme al file GEO.DAT generato precedentemente con i dati geo-fisici. Il modello Calmet così impostato, genera il file meteorologico di input al modello di dispersione degli inquinanti Calpuff. Nelle figure 4 e 5 sono mostrate, rispettivamente, l analisi di frequenza di apparizione della direzione di provenienza e della velocità dei venti (rosa dei venti) e l istogramma con la sola velocità del vento estratte in corrispondenza del centro del dominio per tutto l anno considerato nella simulazione. Figura 4: Distribuzione della provenienza dei venti elaborati da Calmet corrispondenti al centro del dominio per la simulazione dell impianto Rena Energia srl. 8

9 Figura 5: Distribuzione della velocità dei venti elaborati da Calmet corrispondenti al centro del dominio per la simulazione dell impianto Rena Energia srl. Realizzata la ricostruzione del dominio e dei campi meteorologici è stato necessario dettagliare le informazioni geometriche ed emissive della sorgente così da completare i dati richiesti in input dal modello Calpuff. Tali dati sono estratti dalle ultime analisi delle emissioni ai camini effettuate direttamente da Arpa Umbria nell anno Per poter valutare le mappe di concentrazione al suolo che si potrebbero verificare in tutte le condizioni meteo, sono state fissate le emissioni del camino in modo costante e continuativo per tutto l anno sui valori misurati. Tutte queste ipotesi sono di tipo conservativo che permettono di valutare con più ampio margine cautelativo le concentrazioni al suolo ottenute nelle simulazioni. Nella tabella 2 sono riportati i dati emissivi relativi al camino simulato. Inoltre, sono stati inseriti i due principali edifici in modo da tenere in considerazione anche l effetto scia che tali ostacoli possono presentare quando sopravento rispetto al camino. Nella figura 6 è riportata la rappresentazione del camini e degli edifici inseriti in input al codice Calpuff. 9

10 Tabella 2: Dati del punto emissivo e delle grandezze emissive usate nelle simulazioni Camino X UTM32 (m) Y UTM32 (m) h base (m slm) h (m) d (m) v (m/s) t (K) PM 10 (g/s) NO X (g/s) E ,5 0,8 10, Figura 6: Rappresentazione del camino e dei principali edifici che possono influenzarne le emissioni. 10

11 Risultati delle simulazioni Il modello Calpuff restituisce i risultati della diffusione tramite mappe di isolivelli di concentrazione al suolo. Gli isolivelli di concentrazione sono valutati su intervalli di tempo opportunamente scelti dall operatore in base allo scenario da studiare. Per valutare l impatto in aria delle emissioni della proposta di impianto in studio, si è scelto di valutare la concentrazione media annuale e il valore massimo delle medie su 24h per l inquinante PM 10, il valore medio annuale e il massimo orario per l inquinante NO X. I grafici riferiti ai due indicatori che utilizzano un valore massimo, sono creati scegliendo per ciascuna cella quadrata del dominio (di lato 200 m) il valore massimo tra tutte le medie giornaliere o orarie che ha assunto il rispettivo inquinante nell intervallo di tempo considerato, ovvero tutto l anno. Quindi, ad ogni cella viene assegnato il massimo sull anno che corrisponde ad un valore su un periodo che non è necessariamente corrispondente al periodo individuato per le celle adiacenti. I risultati della valutazione delle concentrazioni al suolo degli inquinanti PM 10 e NO X sono riportati nelle figure dalla 7 alla

12 Figura 7: Concentrazione massima giornaliera al suolo di PM 10 per l impianto Rena Energia srl. 12

13 Figura 8: Concentrazione media annua al suolo di PM 10 per l impianto Rena Energia srl. 13

14 Figura 9: Concentrazione massima oraria al suolo di NO X per l impianto Rena Erngia srl. 14

15 Figura 10: Concentrazione media annuale al suolo di NO X per l impianto Rena Energia srl. 15

16 Conclusioni Lo studio ha avuto come obiettivo la valutazione di possibili impatti sulla qualità dell aria collegabili alle emissioni principali dell impianto Rena Energia srl di produzione di energia elettrica alimentato a biomasse Nell aria dove è stata proposta la realizzazione dell impianto sono stati valutati gli impatti al suolo dovuti alle emissioni principali di PM 10 e NO X ricavati dall ultima verifica delle emissioni al camino effettuata da Arpa Umbria nell anno Per quanto riguarda le emissioni di polveri fini queste possono determinare per il PM 10 primario valori di concentrazioni al suolo medi giornalieri massimi di 0,10 0,14 µg/m³ in un area più prossima all impianto verso sud fino a circa 500 metri con valori che scendono al di sotto di 1,00 µg/m³ già a 700 m. Tali valori massimi sono comunque estremi, così come è possibile dedurre dai valori medi annuali che sono sempre al di sotto di 0,020 µg/m³ nelle vicinanze dell impianto e sotto a 0,01 µg/m³ già a partire da una distanza inferiore a un chilometro e ovunque nelle direzioni nord, est e ovest. Per quanto riguarda gli ossidi di azoto (NO X ) le concentrazioni medie annue al suolo presentano valori intorno a 2,0 2,5 µg/m³ nei pressi dell impianto e sotto a 1,0 µg/m³ ad una distanza di meno di 500 m, a fronte di valori massimi orari pari a µg/m³ nei pressi dell impianto per una estensione di circa 500 m e sotto a 30 µg/m³ oltre i 500 m. Riguardo l NO X, occorre puntualizzare che la normativa individua come inquinante per la valutazione dell esposizione della popolazione non gli ossidi di azoto (NO X ) ma il biossido di azoto (NO 2 ) individuando nella media oraria l indicatore con una soglia che è pari a 200 µg/m³ da non superare più di 18 volte l anno e un altro indicatore nel valor medio annuo pari al massimo a 40 µg/m³. Avendo simulato le concentrazioni di NO X disponibili al camino, che è dato principalmente dalla somma di NO e NO 2, la concentrazione del solo NO 2 sarà conseguentemente più bassa. Pertanto i valori ottenuti, sia per quanto riguarda il valor medio che per quanto riguarda i massimi orari nella simulazioni non sono oltre le soglie individuate dalla legge per la protezione della popolazione. Per il PM 10, invece, l attuale normativa individua una soglia del valore medio annuo pari a 40 µg/m³ e una soglia per la media giornaliera pari a 50 µg/m³ da non superare per più di 35 volte l anno. Rispetto queste due soglie la simulazione mostra per le polveri primarie concentrazioni con valori molto inferiori. 16

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