Emissioni e controllo dei gas serra

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1 10.2 Emissioni e controllo dei gas serra Introduzione La bassa atmosfera, o troposfera (lo strato fino a 25 km dalla superficie della Terra), è costituita da ossigeno e azoto e altri gas che rappresentano meno dell 1% in volume (escluso il vapor d acqua) dell aria. Tale frazione comprende il biossido di carbonio (0,035%), il metano (0,0017%), l ozono (0,00006%) e altri gas in traccia, come il protossido d azoto, gli ossidi dell azoto (NO x ), gli idrocarburi alogenati, il monossido di carbonio e i composti organici volatili. Malgrado la loro scarsissima abbondanza, questi gas, i cosiddetti gas serra (GHG, GreenHouse Gas), svolgono un ruolo importante nella regolazione del bilancio energetico dell atmosfera o del ciclo energetico che controlla il clima globale (Buchdahl, 1999). Bilancio energetico del sistema Terra-Sole ed effetto serra naturale L energia solare, prodotta dalle reazioni di fusione nucleare dell idrogeno, viene irraggiata dalla superficie del Sole che ha una temperatura equivalente di circa 5800 K. La radiazione viene diffusa in tutte le direzioni e soltanto una frazione molto piccola dell energia emessa dal Sole è intercettata dalla Terra (Critchfield, 1983). Di conseguenza, il flusso di energia incidente sull atmosfera della Terra è di molti ordini di grandezza più piccolo di quello emesso dal Sole. Assumendo che sia il Sole sia la Terra si comportino come corpi neri, cioè perfettamente radianti, e differenziando la legge di Planck si arriva a una stima della temperatura effettiva della superficie terrestre pari a 255 K. Le lunghezze d onda corrispondenti al massimo di energia emessa si trovano a circa 0,5 mm (parte visibile dello spettro) per il Sole e 10 mm (parte infrarossa dello spettro) per la Terra. È noto però che la temperatura globale media della Terra è pari a 288 K o 15 C, cioè 33 K più calda di quanto stimato dal bilancio tra energia assorbita ed emessa. Ciò è dovuto alla presenza dei gas che compongono l atmosfera terrestre. Infatti nell atmosfera ha luogo un assorbimento significativo della radiazione ultravioletta (UV) proveniente dal Sole da parte dell ozono e della radiazione infrarossa (IR) emessa dalla Terra da parte del vapor d acqua, del biossido di carbonio e di altri gas presenti in traccia. L assorbimento di radiazione infrarossa terrestre è particolarmente importante per il bilancio energetico dell atmosfera della Terra (Campbell, 1986; Trenberth, 2004). Una piccola parte di questa radiazione è irraggiata nello spazio (generalmente ai livelli elevati e più freddi dell atmosfera), ma la maggior parte è riflessa di nuovo verso la Terra. I GHG nell atmosfera sono trasparenti alla radiazione solare incidente di piccola lunghezza d onda, ma assorbono quella emessa dalla Terra, di lunghezza d onda sensibilmente maggiore. La maggior parte dell assorbimento di radiazione infrarossa avviene nella troposfera. L effetto netto, conosciuto come effetto serra naturale, è che la Terra immagazzina più energia vicino alla superficie al confronto di quella che assorbirebbe in assenza di atmosfera, determinando appunto un livello di temperatura più elevato di circa 33 K. Malgrado l assorbimento considerevole da parte di questi GHG, c è una finestra atmosferica attraverso cui la radiazione infrarossa terrestre può passare inalterata (Kemp, 1994). Ciò accade nell intervallo tra 8 e 13 mm, la cui graduale chiusura è uno degli effetti delle emissioni antropiche dei GHG. Naturalmente, oltre ad assorbire la radiazione solare, i gas nell atmosfera, insieme con gli aerosol, diffondono la radiazione (scattering). La diffusione della radiazione solare è anch essa importantissima, in quanto può alterare il bilancio energetico generale dell atmosfera. Le molecole, di piccole dimensioni rispetto alla lunghezza d onda della radiazione incidente, causano lo scattering in tutte le direzioni, secondo il fenomeno conosciuto come diffusione di Rayleigh. Aerosol le cui dimensioni siano paragonabili alla lunghezza d onda della radiazione incidente, provocano VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 937

2 AMBIENTE la diffusione di Mie, che ha luogo principalmente nel verso opposto a quello della radiazione incidente. Si comprende quindi come la presenza di aerosol atmosferico possa interessare il bilancio energetico (Shine et al., 1996), e avere quindi effetti sul clima globale. La fig. 1 mostra schematicamente i trasferimenti di energia tra la Terra e il Sole. Le radiazioni solari che arrivano nell atmosfera (onde corte) sono in parte assorbite dai gas (per esempio dall ozono), in parte diffuse e in parte riflesse nello spazio dalle nubi o dalla superficie terrestre. La parte più consistente è assorbita dalla superficie della Terra. La quantità di radiazione riflessa dipende da un fattore noto come albedo (o riflettività), che varia a seconda del tipo di superficie: per la Terra ha un valore medio globale di circa 0,30, cioè il 30% della radiazione solare ricevuta viene riflessa. La radiazione terrestre (onde lunghe) riemessa dalla superficie della Terra è per la maggior parte riassorbita dai GHG e soltanto una piccola parte fuoriesce attraverso la finestra atmosferica. Le radiazioni riemesse dall atmosfera (GHG, nubi) sono rinviate alla superficie della Terra o rilasciate verso lo spazio. Equilibri e flussi dei gas serra Dalla conclusione dell ultima glaciazione, che ha avuto luogo circa anni fa, fino alla metà del 18 secolo, i livelli dei GHG nell atmosfera sono rimasti praticamente costanti. Dalla rivoluzione industriale, tuttavia, le concentrazioni della maggior parte dei principali GHG sono aumentate, in maggiore o minore misura. La conseguenza è stata un incremento dell effetto serra, con riflessi sul clima. Maggiori sono le concentrazioni di GHG nell atmosfera, maggiore è la radiazione uscente assorbita nella bassa atmosfera, con conseguente, presumibile aumento della temperatura in superficie. In ogni caso, essendo il sistema in equilibrio, i flussi energetici debbono essere bilanciati. Per l atmosfera questo significa che le fonti di GHG devono essere compensate dai meccanismi di rimozione (sink) degli stessi. Il sistema biogeochimico globale, come il sistema clima, è in un equilibrio dinamico e i cambiamenti dei GHG introducono delle perturbazioni. Se la concentrazione di un particolare GHG nel sistema aumenta, la risposta sarà quella di aumentare i meccanismi di rimozione. Nel tempo il sistema biogeochimico globale ha cercato di contrastare fig. 1. Trasferimenti di energia Sole-Terra (Buchdahl, 1999). radiazione solare 100 radiazione riflessa 30 radiazione terrestre riemessa 66 radiazione di superficie riemessa attraverso la finestra atmosferica radiazione a onde corte radiazione a onde lunghe 5 convezione/ evapotraspirazione 29 radiazione riemessa dall atmosfera (effetto serra) ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

3 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA GAS tab. 1. Contributi relativi al potenziale di riscaldamento globale Tempo di residenza (anni) a Indice di RIRF istantaneo GWP Potenziale di riscaldamento globale c CO b 1 1 CH d N 2 O d CFC e CFC e HCFC e a I tempi di residenza sono tratti da Houghton et al., b I tempi di residenza del CO 2 variano a seconda del metodo utilizzato per calcolare la cattura da parte degli oceani, in particolare se si utilizza, nel calcolo, la superficie di tutto l oceano. c I valori sono ottenuti per integrazione su un periodo di 100 anni. d Valori tratti da «CO2/Climate Report», e Valori tratti da «CO2/Climate Report», I valori si riferiscono all effetto diretto; interazioni dei CFC con l ozono nella bassa stratosfera possono ridurre l entità della radiazione che arriva all atmosfera, contribuendo al raffreddamento (in questo caso i GWP risulterebbero ridotti). l impatto indotto dalle attività umane. Attualmente, le fonti immettono nell atmosfera quantità di GHG superiori a quelle che possono essere rimosse dai meccanismi naturali. Alle attuali concentrazioni atmosferiche tutte le specie di gas serra attenuano la radiazione IR. Ciascuno dei GHG contribuisce però al cambiamento climatico in misura diversa a seconda a) della sua concentrazione attuale e futura (alcuni composti già assorbono il 100% della radiazione, così che un eventuale ulteriore aumento di concentrazione non produrrà alcun effetto); b) della lunghezza d onda alla quale avviene l assorbimento (per esempio, nel caso in cui la regione di assorbimento sia la stessa di altri composti con assorbimento completo, ulteriori incrementi non avranno effetto, mentre se le specie in aumento assorbono nella regione finestra, si avranno effetti potenzialmente superiori); c) dell entità dell assorbimento; d) del tempo di permanenza nell atmosfera. Per tenere conto di tutti questi effetti sono stati sviluppati due indici: il RIRF (Relative Instantaneous Radiative Forcing), un indice che misura l aumento dell assorbimento della radiazione IR di un gas per incrementi unitari di concentrazione, e il GWP (Global Warming Potential), potenziale di riscaldamento globale, che è definito come: a i (t)c [1] GWP t 111 i dt 0 a c (t)c c dove a i è l assorbimento istantaneo per incremento unitario di concentrazione del gas i-esimo, C i è la sua concentrazione al tempo t, a c è l assorbimento analogo del biossido di carbonio e C c la concentrazione del biossido di carbonio al tempo t. Il rapporto a i a 0, dove a 0 è l assorbimento istantaneo al tempo t 0, è equivalente al RIRF. Espresso in questo modo il GWP fornisce, sul lungo termine, il contributo al riscaldamento di un qualunque gas rispetto al biossido di carbonio. Stime del potenziale di riscaldamento globale per i vari gas sono presentate in tab. 1. Ciclo del carbonio Il ciclo biogeochimico del carbonio (fig. 2), in cui questo elemento si presenta sotto forma di CO 2, carbonati produttività primaria: 61,4 respirazione: 60 biomassa continentale: biomassa marina: 3 6 carbonio organico disciolto: 700 atmosfera: 750 1,6 cambiamenti d uso del 0,5 territorio superficie oceano: sedimenti fondo marino: 150 fig. 2. Ciclo globale del carbonio (Schimel et al., 1996) ,5 emissioni antropogeniche 40 91,6 100 oceano profondo: ,2 VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 939

4 AMBIENTE e sostanze organiche, interessa l atmosfera, l oceano, la terra e i vari organismi, e, su scale temporali geologiche, i sedimenti e le rocce (Butcher et al., 1992). Il ciclo globale del carbonio, come altri cicli biogeochimici, è in equilibrio dinamico. L atmosfera immagazzina circa 750 Gt (miliardi di tonnellate) di carbonio (sotto forma di CO 2 ). L oceano profondo rappresenta un deposito enorme di carbonio, con Gt, mentre la parte superficiale dell oceano contiene approssimativamente Gt (Schimel et al., 1996). Le fonti di CO 2 atmosferico possono essere suddivise in due gruppi: naturali e antropogeniche. Le fonti naturali includono la respirazione degli animali 60 Gt all anno (Houghton et al., 1994) e la superficie dell oceano 90 Gt all anno (Schimel et al., 1996). Le fonti antropiche includono essenzialmente la combustione di sostanze fossili (per autotrazione, produzione di energia elettrica, ecc.), la produzione di cemento e il cambio d uso del territorio (principalmente disboscamento). La superficie dell oceano inoltre svolge la funzione di abbattere il CO 2 atmosferico, con un ritmo annuale di rimozione di carbonio pari a 92 Gt. L altro sistema di rimozione naturale è la fotosintesi, che sequestra il carbonio per 61,4 Gt ogni anno (Schimel et al., 1996). La ricrescita delle foreste dell emisfero settentrionale rappresenta un altro meccanismo di rimozione. In risposta alla perturbazione indotta dalle emissioni antropogeniche è in atto un processo di riaggiustamento e di conseguenza la concentrazione atmosferica di CO 2 è aumentata. Un semplice bilancio rivela uno squilibrio pari a 3,2 Gt di carbonio all anno in più che entrano nell atmosfera. Il conseguente accumulo di CO 2, riferito al tempo infinitesimo dt, può essere espresso dall equazione: d(dm) [2] I Dn F X dt dove DM è la variazione della massa di CO 2 presente nell atmosfera, I le emissioni di CO 2 provenienti dalla combustione di sostanze fossili e dalla produzione di cemento, D n le variazioni di CO 2 provocate dai cambiamenti di uso del territorio (disboscamento), F l assorbimento netto oceanico di CO 2 e X l assorbimento terrestre netto di CO 2 ; I, D n, F e X sono espressi come massa di CO 2 nell unità di tempo. Le stime dei valori attuali per le grandezze che figurano nell equazione [2] sono state effettuate dall IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change; Houghton et al., 1990; 1992; 1994). Grandi quantità di CO 2 sono scambiate nel ciclo globale del carbonio, che è accoppiato con il sistema del clima, su scale temporali stagionali, interannuali e decennali. La comprensione esatta del ciclo globale del carbonio è essenziale per la valutazione delle concentrazioni future di CO 2 nell atmosfera. Gas serra Biossido di carbonio I dati del centro mondiale per i gas serra dell organizzazione meteorologica mondiale (WMO WDCGG, World Data Centre for Greenhouse Gases World Meteorological Organization), raccolti da 102 stazioni (che misurano on line o off line, come la rete NOAA/CMDL, fig. 3. Concentrazioni medie mensili di CO 2 e andamenti sul lungo periodo destagionalizzati dal 1983 al 2002 per il globo e i due emisferi (GAW DATA WDCGG, 2004). ppm biossido di carbonio (CO 2 ) globale emisfero nord emisfero sud anno 940 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

5 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA National Oceanic and Atmospheric Administration/Climate Monitoring Diagnostic Laboratory) sparse ovunque nel mondo, indicano che le concentrazioni globali medie di CO 2 sono in aumento su base annuale, e crescenti da circa 280 ppm (parti per milione) nel periodo preindustriale (Houghton et al., 2001) alla concentrazione media di circa 374 ppm nel 2002, con un aumento netto del 27%. Le concentrazioni sono aumentate soprattutto nell emisfero settentrionale e alle medie latitudini, indicando l associazione a sorgenti intense presenti in questo emisfero. Il tasso di accrescimento globale è 1,6 ppm/a in media per il periodo Tuttavia, i tassi di accrescimento variano significativamente da un anno all altro. Gli alti tassi di accrescimento nel 1983, nel , nel e nel sono associati con gli eventi caldi di oscillazione di El Niño. L evento anomalo di El Niño nel ha determinato gli incrementi del 1998 osservati in tutto il mondo. I tassi di accrescimento particolarmente bassi nel 1992, compresi i valori negativi per il Nord e le medie latitudini, sono stati causati dalle basse temperature determinate dall eruzione del vulcano Pinatubo nel 1991 (GAW DATA WDGCG, 2004). La fig. 3 mostra le concentrazioni medie mensili (linea spessa punteggiata) e destagionalizzate (linea continua), cioè ottenute eliminando l effetto delle oscillazioni dovute alle stagioni, degli andamenti sul lungo periodo globali e per ciascuno degli emisferi. La fig. 4 mostra invece le tendenze destagionalizzate di lunga durata (fig. 4 A) e i tassi di crescita (fig. 4 B), per intervalli di 30 di latitudine. Il ciclo stagionale nel Nord riflette principalmente la variazione stagionale nell assorbimento/emissione nella biosfera, mentre il ciclo del Sud risente delle variazioni determinate dalle masse oceaniche e dalla combustione della biomassa nella biosfera. Metano Il metano (CH 4 ) è il secondo gas in ordine di importanza ai fini dell effetto serra. Nel periodo a.c., la concentrazione di CH 4 era pari a circa 700 ppb (parti per miliardo), con più o meno 40 ppb di oscillazione dovute alle variazioni climatiche. L aumento della concentrazione atmosferica del CH 4 dall inizio del periodo industriale rappresenta il 20% della perturbazione totale nelle emissioni delle radiazioni (Houghton et al., 2001). Il CH 4 atmosferico è prodotto principalmente per digestione anaerobica di materiale organico e nelle fasi di estrazione dei combustibili fossili. Il CH 4 è emesso sia dalle fonti naturali sia da quelle antropogeniche: le paludi, gli oceani, le discariche, le risaie, la fermentazione enterica, i gas di perforazione e la combustione della biomassa. Il CH 4 è rimosso dall atmosfera per reazione con i radicali idrossilici presenti nella troposfera e nella stratosfera; per reazione con gli atomi del cloro e dell ossigeno nello stato eccitato O( 1 D) nella stratosfera, prodotto dall assorbimento di radiazione UV; oppure per assorbimento nel terreno. Il principale meccanismo di rimozione del metano atmosferico è fig. 4. Andamenti sul lungo periodo destagionalizzati (A) e tassi di crescita (B) del CO 2 per intervalli di 30 di latitudine (GAW DATA WDCGG, 2004). ppm ppm/ anno 4 biossido di carbonio (CO 2 ) 60N-90N 30N-60N EQ-30N 30S-EQ 60S-30S 90S-60S A anno B VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 941

6 AMBIENTE rappresentato dalle reazioni chimiche con i radicali idrossilici nella troposfera, ma questo processo naturale è influenzato dalle reazioni dei radicali idrossilici con altre emissioni antropogeniche, principalmente il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi emessi dagli autoveicoli (Watson et al., 1990). Le valutazioni attuali del processo di rimozione del metano (Prather et al., 1996) si stimano intorno a 445 Mt/a. Tuttavia, vi sono incertezze notevoli riguardo alle fonti e alla rimozione, che devono ulteriormente essere ridotte per migliorare le valutazioni delle previsioni delle future concentrazioni atmosferiche del metano. Il tasso di accrescimento globale è 8 ppb/a in media per il periodo , ma i tassi mostrano una diminuzione a partire dagli anni Ottanta, quando si sono registrati valori negativi nelle latitudini nord e nel 1996, quando l andamento crescente si è quasi arrestato in molte regioni. Tuttavia, entrambi gli emisferi hanno avvertito gli alti tassi di accrescimento nel 1998, causati da una temperatura media globale particolarmente alta, e le successive diminuzioni che hanno fatto registrare per la prima volta valori negativi nel Diversamente da quanto accade per il CO 2, le ampiezze del ciclo stagionale per il CH 4 sono elevate non soltanto nell emisfero settentrionale ma anche nelle alte e medie latitudini dell emisfero meridionale (GAW DATA WDCGG, 2004). Le figg. 5 e 6 mostrano rispettivamente le concentrazioni medie mensili (linea tratteggiata sottile) e le tendenze destagionalizzate sul lungo periodo (linea in grassetto) dal 1983 a 2002, globali e per entrambi gli emisferi (v. ancora fig. 5), e le tendenze destagionalizzate sul lungo periodo (v. ancora fig. 6 A) e i tassi di accrescimento (v. ancora fig. 6 B) per intervalli di 30 di latitudine. Protossido d azoto Il protossido d azoto (N 2 O) è un GHG con un tempo di permanenza nell atmosfera di 114 anni. La concentrazione atmosferica di questo gas è aumentata costantemente da circa 270 ppb del periodo preindustriale ed è attualmente superiore del 16% rispetto ai livelli del 1750 (Houghton et al., 2001). I terreni tropicali sono probabilmente la fonte più importante di N 2 O nell atmosfera (Prather et al., 1996) ed è probabile che l intensificazione dell agricoltura sia causa di ulteriori aumenti (Matson e Vitousek, 1990). Secondo valutazioni dell IPCC le emissioni di N 2 O (Houghton et al., 1994) dai terreni tropicali sono di 4 Mt/a (come azoto), di cui 75% dalle zone umide delle foreste e 25% dai deserti. Le fonti antropogeniche possono rappresentare circa il 40% delle emissioni totali (5,7 Mt/a) e includono i terreni coltivati e le fonti di combustione della biomassa e industriali (per esempio, produzione di nylon). Le emissioni totali attualmente sono stimate dell ordine di 14,7 Mt/a ( 3,5 Mt/a). I principali meccanismi di rimozione per N 2 O sono la fotodissociazione stratosferica e la fotoossidazione, valutate a 12,3 Mt/a ( 3,5 Mt/a). La fig. 7 (GAW DATA WDCGG, 2004) espone le serie cronologiche mensili delle concentrazioni di N 2 O nei due emisferi. L aumento osservato nelle concentrazioni atmosferiche di N 2 O attualmente implica che sia immesso nell atmosfera un eccesso di 3,9 Mt/a. Le concentrazioni di N 2 O sono attualmente dell ordine di 310 ppb (Machida et al., 1994). fig. 5. Concentrazioni medie mensili di CH 4 (linea spessa) e andamenti sul lungo periodo destagionalizzati (linea continua) dal 1983 al 2002 per il globo e i due emisferi (GAW DATA WDCGG, 2004). ppb metano (CH 4 ) globale emisfero nord emisfero sud anno 942 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

7 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA fig. 6. Andamenti sul lungo periodo destagionalizzati (A) e tassi di crescita (B) relativi al metano per intervalli di 30 di latitudine (GAW DATA WDCGG, 2004). ppb ppb/ anno 20 metano (CH 4 ) 60N-90N 30N-60N EQ-30N 30S-EQ 60S-30S 90S-60S A anno B Idrocarburi alogenati Con il termine generale di idrocarburi alogenati si intendono le sostanze carboniose che contengono uno o più alogeni: fluoro, cloro, bromo e iodio. I clorofluorocarburi (CFC) contengono il fluoro e il cloro ma non l idrogeno, mentre gli idroclorofluorocarburi (HCFC) contengono anche l idrogeno. Il tetracloruro di carbonio (CCl 4 ), il tricloroetano (CH 3 CCl 3 ) e gli idrocarburi che contengono il bromo sono sostanze lesive dello strato di ozono. Una diminuzione dell ozono stratosferico comporta il raffreddamento della bassa stratosfera. Tuttavia, l aumento degli idrocarburi alogenati comporta una perturbazione positiva netta sul riscaldamento globale perché l effetto di assorbimento della radiazione è maggiore del raffreddamento prodotto dal consumo dell ozono stratosferico (WMO, 1999). I CFC sono dissociati principalmente tramite radiazione ultravioletta nella stratosfera e i loro tempi di vita sono generalmente lunghi (per esempio, circa 50 anni per CFC-11). HCFC e CH 3 CCl 3, che contengono l idrogeno, reagiscono con i radicali fig. 7. Serie temporali delle concentrazioni medie mensili di N 2 O. concentrazione di N 2 O (ppb) emisfero nord emisfero sud anno VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 943

8 AMBIENTE idrossilici nella troposfera e hanno tempi di vita relativamente brevi (per esempio, circa 5 anni per CH 3 CCl 3 ). I CFC e gli HCFC sono interamente prodotti in attività umane e non esistono in natura. Sono ampiamente usati come solventi nell industria elettronica e come propellenti negli spray, nella fabbricazione delle schiume poliuretaniche, nei sistemi di condizionamento e refrigerazione. Grazie al Protocollo di Montreal (relativo alle sostanze che impoveriscono lo strato di ozono), la loro produzione e il loro impiego sono in via d esaurimento. Di conseguenza, le concentrazioni globali di tutti i CFC sono attualmente quasi costanti o in lenta diminuzione in entrambi gli emisferi. Le concentrazioni di HCFC-141b e HCFC-142b stanno invece aumentando linearmente. Confrontando i dati tra le stazioni, si nota che negli anni Ottanta le differenze di concentrazione fra i due emisferi erano elevate per tutti i composti tranne che per gli HCFC. Le differenze stanno tuttavia diminuendo, mentre l aumento nella concentrazione di HCFC è il risultato del loro uso in sostituzione dei CFC. Ozono L ozono (O 3 ) svolge un ruolo importante nell atmosfera in quanto assorbe la radiazione UV nella stratosfera e la radiazione IR nella troposfera. Tuttavia, l ozono differisce notevolmente da altri gas serra (quali CO 2, CH 4 e CFC) in quanto non ha sorgenti dirette, ma piuttosto è prodotto nell atmosfera stessa. La sua concentrazione varia da 10 ppb nella troposfera a circa 10 ppm nella stratosfera. Contrariamente al CO 2, al CH 4 e ai CFC o agli altri alogenati che hanno concentrazioni relativamente uniformi, l ozono presenta gradienti di concentrazione, anche verticali, all interno della troposfera. L ozono troposferico può provenire in piccola parte dalla stratosfera, mentre per la maggior parte viene prodotto chimicamente a causa di varie reazioni che coinvolgono precursori quali i composti organici volatili (VOC, Volatile Organic Compounds) e gli ossidi d azoto, prevalentemente di origine antropica. L ozono viene consumato in reazioni chimiche con monossido di azoto, con alcuni VOC e con i radicali idrossilici oppure per deposizione su superfici. Poiché le emissioni dei precursori, prevalentemente VOC, sono localizzate e i loro tempi di vita sono generalmente brevi, la distribuzione di ozono in superficie è localizzata e variabile nel tempo (fenomeni di smog fotochimico). La concentrazione di O 3 è variabile da una stazione di monitoraggio all altra ed è in aumento dal periodo preindustriale (Houghton et al., 2001). Poiché la variazione stagionale e annuale è notevole, è difficile prevedere una tendenza generale sul lungo periodo. La fig. 8 (GAW DATA WDCGG, 2004) riporta gli andamenti stagionali di picco ogni 30 di latitudine, dopo sottrazione dei trend su lungo termine. Materiale particellare e aerosol Il materiale particellare (PM, Particulate Matter) e gli aerosol (materiale condensato disperso nell aria) riflettono e assorbono la radiazione ricevuta, svolgendo un ruolo importante sui flussi di radiazioni scambiati dall atmosfera. Essi sono prodotti direttamente o a seguito di reazioni chimiche, nei processi di combustione, sia da fonti naturali, per esempio biomasse, sia in processi industriali o in attività umane. Si è già accennato all effetto di diffusione (scattering) della radiazione solare operato dagli aerosol. L entità della diffusione dipende dalla natura chimica della sostanza particellare. Per esempio, le specie solforate, il nitrato di ammonio e le sostanze organiche condensate contribuiscono in misura differente alla diffusione. Per una corretta valutazione fig. 8. Cicli stagionali mediati di picchi di O 3 per intervalli di 30 di latitudine dopo sottrazione degli andamenti sul lungo periodo (GAW DATA WDCGG, 2004). (ppb) ozono in superficie N-90N 30N-60N EQ-30N 30S-EQ 60S-30S 90S-60S 10 gen feb mar apr mag giu lug ago sett ott nov dic mese 944 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

9 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA dell interazione degli aerosol con la radiazione è necessario conoscere le dimensioni e la composizione chimica del materiale particellare (vanloon e Duffy, 2000). In effetti, le proprietà ottiche sono influenzate dalle dimensioni e dalla natura chimica delle sostanze, ma anche dalle loro caratteristiche igroscopiche. Benché sia ancora oggetto di discussione, il solfato è considerato la specie particellare più importante di cui tenere conto nei modelli di previsione. La concentrazione di nitrato di ammonio negli aerosol è presa in crescente considerazione, sia perché i dati disponibili circa le concentrazioni atmosferiche non sono noti con precisione (a causa di artefatti analitici dovuti alla sua volatilità), sia perché non sono chiari gli effetti legati alla composizione. La maggior parte degli studi su questo argomento trascura il contributo del nitrato, in quanto esso si trova nelle frazioni a diametri submicronici che dovrebbero avere effetti limitati sulla diffusione. Misure recenti delle concentrazioni nell aerosol, condotte nei Paesi Bassi con tecniche di campionamento esenti da artefatti, portano alla conclusione che la concentrazione del nitrato nell atmosfera è approssimativamente simile a quella del solfato e generalmente sottostimata (Khlystov, 1998). Il nitrato di ammonio e il solfato sono anche sali igroscopici. L assorbimento dell acqua in condizioni di elevata umidità provoca lo sviluppo delle dimensioni del particolato, con conseguente aumento dell effetto di scattering. L igroscopicità delle particelle induce inoltre la formazione delle goccioline delle nubi che aggiungono due ulteriori effetti contrastanti provocando da un lato un aumento della riflettività, dall altro un incremento dei tempi di permanenza delle nubi favorendo l assorbimento della radiazione. Le nubi infatti si formano su particelle, solubili in acqua, preesistenti agli aerosol (nuclei di condensazione della nube, CCN, Cloud Condensation Nuclei). Il numero di nuclei di condensazione controlla la concentrazione delle goccioline della nube. Particelle più piccole tendono ad aumentare il numero di goccioline della nube inibendo gli eventi di pioggia e aumentando il periodo di copertura del cielo, che impedisce l ingresso della radiazione solare di piccola lunghezza d onda. D altra parte, l assorbimento IR della nube aumenta l effetto di GHG. Pertanto, l effetto degli aerosol sul bilancio energetico della Terra è controverso. La presenza di aerosol può in effetti mascherare il riscaldamento prodotto dall accumulo di GHG. Il riscaldamento globale potrebbe addirittura accelerare se saranno realizzate le riduzioni pianificate per il nitrato e il solfato, nell ambito delle azioni di controllo delle piogge acide e dell eutrofizzazione. Vapor d acqua L acqua è in grado di assorbire la radiazione IR ed esercita quindi un effetto serra naturale. Il vapor d acqua è il principale gas serra nell atmosfera, essendo responsabile di oltre il 60% del riscaldamento naturale (20,6 sul totale di 33 K). Mentre il contenuto di vapor d acqua in aria è altamente variabile nel tempo e nello spazio, l umidità relativa media globale è costante e pari a circa l 1%. Il ruolo dell acqua nel futuro può però divenire critico. Infatti, in conseguenza del riscaldamento globale si prevede un aumento di evaporazione. Un aumento dell umidità nell atmosfera comporta un incremento dei flussi di deposizione umida (pioggia, neve e temporali), con conseguente modificazione dei cicli idrologici. Un maggiore contenuto di acqua nell atmosfera può inoltre sia amplificare il riscaldamento tramite l assorbimento della radiazione solare, sia portare a una riduzione del riscaldamento tramite l aumento della riflessività. Inoltre, l entità dei processi di evaporazione dalle terre emerse è prevista in aumento a seguito della costruzione di serbatoi di superficie e di bacini d acqua o delle pratiche di irrigazione. Mentre il vapor d acqua atmosferico contribuisce significativamente all effetto serra naturale, l effetto sul clima in conseguenza dell aumento del contenuto di vapore si ritiene sia di qualche percento. Comunque, poiché il vapor d acqua può causare sia il riscaldamento sia il raffreddamento, non è facile prevederne l effetto netto sulla temperatura della Terra. Mentre ci sono ampie prove, basate sui dati della rete di monitoraggio degli Stati Uniti (746 stazioni), dell aumento del vapor d acqua atmosferico in varie parti del mondo, gli elementi forniti dalla rete delle stazioni (190) dell ex Unione Sovietica mostrano una tendenza alla diminuzione. Malgrado la problematica presenti ancora aspetti dibattuti, c è un consenso generale nel ritenere che l ulteriore incremento del contenuto d acqua non sarà sufficiente per modificare ulteriormente il clima, mentre si ritiene possibile la modifica dei cicli idrologici regionali Fonti di emissione dei gas serra I GHG vengono emessi da numerose fonti. La sorgente antropica più importante è associata alla produzione di energia e all impiego di combustibili fossili nei trasporti, nelle attività industriali e nel riscaldamento, oltre che alle pratiche agricole. Ogni anno gli inventari internazionali delle emissioni vengono aggiornati e sono disponibili sui siti Internet degli enti preposti. Dietro ogni strategia di intervento e di valutazione delle emissioni c è un inventario su scala sia locale sia globale. La situazione europea viene brevemente discussa di seguito come esempio del modo in cui, sulla base di queste informazioni, si possano intraprendere efficaci misure di controllo dei GHG. Nel 2001, il settore connesso con la produzione di energia rappresenta la più grande fonte di VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 945

10 AMBIENTE 16% 27% trasporti fermentazioni (CH 4 ) altri 10% 2% 3% 20% 3% industria manifatturiera produzione minerali servizi e riscaldamento domestico fig. 9. Contributo delle diverse fonti all emissione di gas serra nel 2001 in Europa (EEA, 2004). 5% 14% suolo (N 2 O) discariche energia GHG (27% delle emissioni totali di GHG; fig. 9 e tab. 2). In tale valutazione sono incluse le emissioni da combustibili fossili nella produzione dell elettricità e del calore, nella produzione e raffinazione del petrolio, nella fabbricazione di combustibili solidi e nelle altre produzioni industriali di energia. La produzione di calore e di elettricità ammonta a circa l 85% delle emissioni da questo settore strategico, la raffinazione del petrolio a circa l 11%. Nei processi di combustione, i combustibili contenenti carbonio producono CO 2. Fra i combustibili fossili il carbone dà il contributo più grande in termini di CO 2 liberato per unità di energia prodotta, anche se i nuovi processi di combustione e le tecnologie emergenti aumentano l efficienza permettendo una minore produzione di biossido di carbonio per unità di energia prodotta. Il gas naturale, tra i prodotti a base di carbonio, emette meno CO 2 per unità di energia prodotta rispetto al carbone o al petrolio, ma le eventuali perdite di CH 4 collegate all attività mineraria di estrazione del carbone e ai pozzi di produzione di gas e/o le perdite durante il processo di separazione e il trasporto possono contribuire all effetto serra, in quanto anche il metano è attivo come GHG. tab. 2. Contributi alle emissioni di biossido di carbonio da fonti energetiche in Europa (EEA, 2004) Stati membri Emissioni di gas serra (Gg di CO 2 equivalenti) Ripartizione delle emissioni nel 2001 (%) Differenza (Gg di CO 2 equivalenti) (%) Differenza (Gg di CO 2 equivalenti) Germania , Regno Unito , Italia , Spagna , Paesi Bassi , Francia , Grecia , Finlandia , Belgio , Danimarca , Portogallo , Irlanda , Austria , Svezia , Lussemburgo , Totale UE a 15 membri , (%) 946 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

11 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA Le emissioni da trasporto, cioè la combustione di prodotti fossili per trasporti su strada, nell aviazione civile, nelle ferrovie, nella navigazione e altre tipologie (CDIAC, 1993), sono la seconda sorgente in ordine di importanza nella contabilità dell inventario europeo del CO 2. Nel 2001 il settore trasporti costituiva il 20% del totale di GHG. Il trasporto su strada è di gran lunga dominante, costituendo il 92% delle emissioni da trasporto sul totale del CO 2. L aviazione è il sistema di trasporto con la crescita più veloce, mentre il trasporto ferroviario è quello in più rapida diminuzione. La tab. 3 mostra le emissioni da traffico nei paesi dell Unione Europea (dei 15), i cui andamenti riflettono il diverso sviluppo e le politiche attuate, così come l effetto del parco circolante (RIVM, 2004). Per quanto riguarda il settore trasporti, l Europa mira a ridurre ulteriormente le emissioni specifiche di CO 2 dai nuovi autoveicoli, con un aumento della loro efficienza. I produttori di tutto il mondo, con accordi volontari, hanno imposto per i loro veicoli valori massimi di emissione pari a 140 g/km di CO 2 nel 2008 (lo stesso valore nel 1995 era 168 g/km). Questo obiettivo può essere raggiunto tramite una riduzione delle quantità emesse su vetture sia a benzina sia diesel (l efficienza nel diesel è migliore) e tramite uno spostamento della composizione del parco circolante dalla benzina verso il diesel. Le emissioni di CO 2 dal settore dei servizi e del riscaldamento domestico sono la terza più grande fonte delle emissioni di GHG in Europa, con il 16% delle emissioni totali (2001). Questa categoria include le emissioni provenienti dal riscaldamento domestico, dai servizi (privati e pubblici), dalle piccole imprese e dal commercio agricolo (trasporto agricolo, compreso quello fuoristrada). Il riscaldamento rappresenta il 67% delle emissioni, i servizi e altre piccole imprese circa il 25%. L uso dei combustibili fossili nell industria manifatturiera è la quarta sorgente delle emissioni di GHG in Europa (14%). I combustibili fossili sono usati nelle industrie manifatturiere o come materiale di base nell industria chimica (EEA, 2004). Il suolo (terreno agricolo) è invece la più importante sorgente di emissioni di protossido d azoto e contribuisce per una quota pari al 5% del totale. Queste emissioni sono generate dall applicazione dei fertilizzanti azotati e dell azoto organico da concime animale. La fermentazione enterica è la maggiore fonte di metano tab. 3. Contributi alle emissioni di biossido di carbonio dalla fonte trasporto in Europa (EEA, 2004) Stati membri Emissioni di gas serra (Gg di CO 2 equivalenti) Ripartizione delle emissioni nel 2001 (%) Differenza (Gg di CO 2 equivalenti) (%) Differenza (Gg di CO 2 equivalenti) Germania , Francia , Italia , Regno Unito , Spagna , Paesi Bassi , Belgio , Grecia , Svezia , Portogallo , Austria , Finlandia , Danimarca , Irlanda , Lussemburgo , Totale UE a 15 membri , (%) VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 947

12 AMBIENTE (3% delle emissioni totali di GHG). L emissione di CH 4 è dovuta alla fermentazione anaerobica dei polisaccaridi e di altri componenti dell alimentazione animale nell apparato digerente (stomaco dei ruminanti) a opera di microrganismi. Un parametro correlato alle emissioni di CH 4 da fermentazione enterica è il numero di animali. Fra il 1990 e il 2001, in Europa le emissioni sono diminuite del 9%. Le emissioni di CO 2 dai processi industriali associati al settore minerario (produzione del cemento, della calce, del calcare e della dolomite, produzione e uso della cenere di soda, pavimentazioni con asfalto, produzione di minerali) apportano un ulteriore 3% delle emissioni totali. Il 2% delle emissioni è associato alle discariche di rifiuti solidi. La fermentazione anaerobica dei residui carboniosi biodegradabili produce metano; si sviluppa altresì CO 2 per concorrenti processi aerobici. Tra le 60 categorie restanti (specificate nei protocolli di inventario), quelle che contribuiscono al bilancio con più dell 1% comprendono le emissioni dell industria chimica (1,2%), in particolare quelle legate alla produzione dell acido adipico (fabbricazione di nylon, prodotti plastici e lubrificanti) e dell acido nitrico (intermedio nella produzione dei fertilizzanti), che comunque sono in diminuzione, e le emissioni di CH 4 determinate dalle pratiche di concimazione (1,1%). Queste ultime sono prodotte dalla decomposizione di concime in condizioni anaerobiche. Le maggiori sorgenti di emissione sono localizzabili negli stabilimenti lattiero-caseari e foraggieri, nelle aziende avicole e di allevamento suino, dove il concime è immagazzinato tipicamente in grandi mucchi o in vasche di raccolta (Houghton et al., 1997). Gli idrocarburi alogenati attualmente rappresentano lo 0,8% delle emissioni totali di GHG in Europa. L emissione di HCFC è determinata dal loro utilizzo in sostituzione dei CFC, il cui uso è in via di eliminazione, in impianti di refrigerazione e aria condizionata, come propellenti per aerosol e nella produzione di materiali per isolamenti termici. Le emissioni di N 2 O da trasporto rappresentano lo 0,6% delle emissioni totali dei GHG nell Unione Europea. La fonte più importante di N 2 O da trasporto è rappresentata dai veicoli a benzina dotati di convertitori catalitici. Le emissioni di N 2 O sono prevalentemente prodotte durante la fase di preriscaldamento del catalizzatore. Se quest ultimo degrada o invecchia, si ha un aumento della durata della fase di preriscaldamento, con conseguente incremento delle emissioni. Le misure delle emissioni sulle vetture a benzina dotate di catalizzatori a tre vie della prima generazione hanno rilevato un aumento notevole delle emissioni di N 2 O rispetto ai veicoli senza catalizzatore, un inconveniente che sembra in via di soluzione con l introduzione di nuove formulazioni catalitiche (EC, 2000) Tecniche di misura dei gas serra in aria ambiente Il monitoraggio e il controllo dei GHG in aria ambiente sono possibili da molti anni. Di seguito sono descritte le tecniche tradizionali; attualmente si possono usare metodologie più evolute, incluse le osservazioni da satellite (WMO, 2001). Biossido di carbonio Le misure di CO 2 possono essere effettuate con campionamenti d aria di durata generalmente settimanale, in contenitori d acciaio da 2 litri. Il campione raccolto viene quindi analizzato con un analizzatore infrarosso (NDIR, Non Dispersive InfraRed). Il vapor d acqua che interferisce nella misura viene eliminato con una trappola fredda (a 60 C) o, in alternativa, rimuovendo l acqua per adsorbimento selettivo durante la misura. I sistemi vengono calibrati usando miscele di CO 2 /aria, tarate a 2 livelli. La concentrazione di questi campioni di riferimento viene tarata periodicamente con campioni secondari (generati cioè dalle miscele standard primarie) ad almeno tre livelli ogni 10 giorni. I campioni secondari sono verificati ogni 6 mesi con campioni primari di CO 2 in aria. Ozono Il metodo per l analisi dell ozono e la relativa calibrazione strumentale sono stati recentemente standardizzati nell Unione Europea. Il metodo di analisi di riferimento è fotometrico e si basa sull assorbimento della radiazione UV (in accordo con la norma dell International Organization for Standardization, ISO 13964). Per la calibrazione si utilizza un fotometro UV di riferimento (ISO 13964, VDI 2468, B1.6). La direttiva europea sull ozono cita esplicitamente questo metodo di calibrazione. Il fotometro serve a generare concentrazioni stabili e riproducibili con le quali tarare gli strumenti, in quanto non è possibile preparare standard primari di ozono con altri metodi. Le misure delle concentrazioni di ozono nell atmosfera sono attualmente condotte con analizzatori fotometrici del tipo di quelli descritti nella norma di riferimento. La linea di prelievo del campione deve avere una lunghezza determinata ed essere costituita da un tubo di Teflon, per evitare perdite sulle pareti dovute all elevata reattività di questa specie. La linea è riscaldata per evitare che avvengano condensazioni di acqua o congelamenti. Lo strumento è dotato di filtri in Teflon per il particolato (come del resto tutti gli analizzatori per l ambiente atmosferico), che vanno sostituiti mensilmente. I controlli della portata di aspirazione del campione e del gas di riferimento devono essere effettuati automaticamente ogni 24 ore e registrati. Il sistema di monitoraggio dell ozono deve essere calibrato ogni due 948 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

13 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA mesi mediante un campione che ne permetta la riferibilità a uno standard primario. Idrocarburi alogenati La tecnica di misura per CFC e HCFC, considerando che la loro concentrazione media atmosferica varia da 1 a 600 ppt (parti per trilione in volume), richiede metodi di analisi molto sensibili. La preconcentrazione avviene nella fase di campionamento ed è generalmente effettuata con trappole ad adsorbimento, raffreddate per effetto Peltier. Successivamente, i composti vengono desorbiti termicamente in un gascromatografo abbinato a uno spettrometro di massa (GC-MS). Composti organici volatili La gascromatografia con rivelatore basato sulla ionizzazione di fiamma (FID, Flame Ionization Detector) viene anche applicata per la misura dei VOC, incluso il metano. Utilizzando una colonna per la separazione è possibile analizzare separatamente il totale dei VOC (THC, Total HydroCarbons) e il metano e ricavare per differenza i Non Methane Hydrocarbons (NMHC), cioè gli idrocarburi non metanici. Strumenti basati su questo principio e rispondenti alle caratteristiche descritte nelle normative costituiscono il metodo di riferimento per THC/NMHC e metano in tutto il mondo. Le prestazioni della strumentazione analitica sono indicate nelle norme in vigore. Protossido d azoto La tecnica di misura del N 2 O prevede un prelievo (settimanale), generalmente effettuato con contenitori pressurizzati a 2,8-3,0 bar. L analisi è effettuata mediante un gascromatografo con rivelazione a cattura di elettroni (ECD, Electron Capture Detector). Materiale particellare Il metodo gravimetrico è il metodo di riferimento per la misura della concentrazione atmosferica del materiale particellare. I filtri, di efficienza di intrappolamento superiore al 99%, arricchiscono il particolato atmosferico che viene aspirato attraverso di essi con pompe di caratteristiche opportune. La determinazione della pesata in condizioni di riferimento (sono previste condizioni rigorosamente controllate di umidità e temperatura prima e dopo il prelievo) permette di valutare le differenze di peso da associare al volume normalizzato prelevato. Il metodo prevede misure giornaliere e su questa base è fissato uno degli standard di qualità dell aria. L inclusione di dispositivi di selezione della granulometria sarà necessaria quando entreranno in vigore obiettivi di qualità per PM2,5 e PM10 (cioè per il particolato fine con diametro delle particelle inferiore a 2,5 o a 10 mm). Anche in questo caso esistono norme internazionali (UNI EN 12341) che descrivono il procedimento di campionamento e di analisi del particolato oltre che i sistemi per dimostrare l equivalenza di eventuali altri metodi. Attraverso la certificazione di istituti preposti si possono utilizzare, soprattutto nelle reti di monitoraggio, analizzatori in continuo certificati, come per esempio quello, basato su un metodo EPA, costituito da una microbilancia in cui un elemento oscillante cambia la propria frequenza di oscillazione in presenza del particolato (TEOM, Tapered Element Oscillating Microbalance), oppure contatori beta, in cui si rileva la variazione dell assorbimento della radiazione (beta) dovuta al particolato. Altri metodi di misura della distribuzione granulometrica e i contatori del numero di particelle sono discussi nei capitoli relativi alle emissioni di particolato dovute al traffico, in quanto studiati per le applicazioni agli autoveicoli. Con questi dispositivi è possibile ottenere una comprensione più profonda sulla distribuzione, per ampiezza e numero, delle specie in forma di aerosol nell atmosfera. Per la maggior parte, i metodi e le tecniche analitiche descritti sono fissati da standard internazionali (ISO) e sono diffusamente applicati in tutto il mondo al fine di avere, soprattutto per i GHG, dati confrontabili su scala mondiale Tecniche di misura dei gas serra nelle emissioni La misura delle concentrazioni di gas serra allo scarico non è un requisito collegato a leggi né in Europa né negli Stati Uniti. Al momento, infatti, il problema dei gas serra viene affrontato con stime delle quantità emesse basate su calcoli e fattori di emissione; esistono comunque metodi di misura riconosciuti dagli organismi internazionali. Per la maggior parte le tecniche di misura dei GHG in aria ambiente descritte in precedenza sono adatte anche per le emissioni ma, al contrario di quanto avviene nel settore dell energia così come nelle fonti mobili, per i quali sono stati sviluppati e applicati sistemi di misura in continuo delle emissioni (CEM, Continuous Emission Monitoring) o altre tecniche, la loro applicazione al monitoraggio di GHG è finora abbastanza rara. La misura del CO 2 al camino viene talvolta eseguita in continuo con la finalità di controllare il processo di combustione. I sistemi di monitoraggio in continuo per applicazioni al camino devono essere in generale provvisti di certificazione e rispondere a precise specifiche funzionali e costruttive (talvolta incluse nella legislazione). Metodi standard o riconosciuti in sede internazionale vengono continuamente sviluppati. In sede EPA o ISO sono disponibili metodi per la misura di gas serra nelle emissioni, anche se spesso le norme locali possono non riconoscerli (per esempio, il metodo per il particolato PM2,5 in Europa). VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 949

14 AMBIENTE Le norme attuali richiedono, per la maggior parte delle sostanze inquinanti emesse ai camini e oggetto di normativa, prelievi e analisi almeno annuali. A oggi sono pochi i camini dotati di sistemi di monitoraggio in linea, capaci di misurare i GHG (CO 2 o CH 4 ), principalmente a causa dell assenza di vincoli legislativi. Gli strumenti basati sull infrarosso anche di spettroscopia FTIR (Fourier Transform InfraRed spectroscopy) sono in grado di misurare le emissioni da processi di combustione, incluse quelle di CO 2 e metano. Esistono invece metodi di analisi riconosciuti, prevalentemente di fonte EPA o ISO, per applicazioni fuori linea, per la maggior parte delle specie di interesse. A differenza di quanto avviene negli Stati Uniti, non esiste fino a oggi in Europa una metodologia ufficialmente riconosciuta per la misura del materiale particellare in linea e con selezione della granulometria o del diametro aerodinamico (PM2,5 o PM10). Un metodo completamente differente di misura del particolato, in termini di dimensione e numero di particelle, e che opera in continuo, è invece in fase di avanzata sperimentazione per le fonti mobili, dove viene utilizzato, per ora, a scopo di ricerca. Anche nel caso delle fonti mobili la valutazione del biossido di carbonio, del metano o del protossido di azoto non è per ora obbligatoria, ma questi dati vengono acquisiti per scopi di ricerca. Sistemi gascromatografici dotati di FID sono utilizzati per la determinazione on line del metano con lo stesso principio usato per l aria ambiente; accoppiati invece a rivelatori a cattura di elettroni ECD sono utilizzati per la misura dell N 2 O che, comunque, può essere misurato anche mediante spettroscopia IR. Per CO 2 e CO sono utilizzati comunemente analizzatori IR. Tra le fonti di emissioni significative di GHG ci sono le combustioni in torcia, tipiche degli impianti di estrazione degli idrocarburi, delle raffinerie e degli impianti petrolchimici (secondo le stime Eni, circa il 30% delle emissioni totali di GHG). La misura dei GHG da questo tipo di sorgente è particolarmente critica. Infatti, i metodi classici sono influenzati dalle difficoltà pratiche, legate soprattutto a problemi di sicurezza dovuti alla natura dei sistemi con fiamma. La natura variabile della torcia e delle condizioni al contorno, sia di tipo meteorologico sia di gestione dell impianto, può influenzare le quantità realmente emesse dalle torce. Attualmente i valori di emissione annuali vengono calcolati, principalmente per il CO 2, usando un valore di efficienza (98%) stabilito sulla base di sperimentazioni condotte negli anni Ottanta. Tra i parametri che influenzano l efficienza di combustione delle torce vi è per esempio la velocità del vento alla bocca, il tipo di gas, ecc. Una metodologia analitica in grado di determinare la composizione reale dei gas emessi durante il funzionamento delle torce è stata recentemente messa a punto con l utilizzo di tecniche remote, basate sulla spettroscopia infrarossa (FTIR remote sensing). Una volta consolidati i fattori di emissione di CO 2, CO, CH 4 e NO x, anche in funzione dei parametri meteorologici, oppure una volta consolidato un modello in grado di prevedere le emissioni in funzione di queste variabili o ancora quando saranno messi a punto strumenti di misura delle quantità emesse, sarà possibile effettuare una valutazione e una gestione più accurate di questo tipo di emissioni. La disponibilità di dati sperimentali accurati è vitale proprio nei settori in cui la valutazione dell emissione è influenzata da grandi incertezze. Un sistema di misura accurato e validato permetterebbe di garantire i valori di emissione calcolati per questi sistemi. In ambito internazionale è infatti necessario certificare le proprie emissioni (soprattutto ai fini del commercio internazionale delle emissioni). Come è noto, la certificazione prevede che un organismo terzo, o indipendente, verifichi la trasparenza e la correttezza del procedimento usato per il calcolo delle emissioni e la coerenza rispetto a quanto dichiarato; la certificazione può includere o meno dati sperimentali di conferma. Una metodologia analitica internazionalmente riconosciuta può dimostrare che i calcoli effettuati rispondono a quantità effettivamente misurate. Per la misura del biossido di carbonio nei camini e nelle emissioni è in corso di elaborazione in Europa una nuova normativa. Ai fini della certificazione delle emissioni dei GHG e delle relative stime delle quantità emesse è necessaria una caratterizzazione chimica del combustibile Strategie per il controllo dei gas serra I meccanismi di controllo e di riduzione delle emissioni di GHG costituiscono un problema globale, che per sua natura necessita di azioni concordate su larga scala. Il fatto che i problemi ambientali siano causati dall uso dei combustibili fossili e che le emissioni di CO 2 siano di fatto correlate allo sviluppo economico induce ulteriori problemi. I fattori che influenzano l emissione di CO 2 sono evidenti nell identità di Kaya (Hoffert e Caldeira, 2004), formula che illustra il problema di ridurre le emissioni nella prospettiva di mantenere uno sviluppo economico. L identità esprime il tasso dell emissione del carbonio, C, come il prodotto della popolazione (N) per il prodotto interno lordo pro capite, GDP/N, per l intensità di energia primaria, E/GDP, e per il fattore C/E dell emissione del carbonio: GDP E C [3] C N N GDP 1 E Pochi governi intervengono nello sviluppo della popolazione della loro nazione, mentre lo sviluppo economico è dovunque in crescita. Ciò significa che i due 950 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

15 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA primi termini sono in qualche modo esclusi dall utilizzo ai fini delle riduzioni delle emissioni. La stabilizzazione del clima su scala globale è dunque un obiettivo il cui raggiungimento presenta diverse difficoltà. Poiché, infatti, lo sviluppo economico può impedire l applicazione delle misure nei diversi paesi, si è reso necessario stabilire delle basi comuni per le azioni da intraprendere. Queste basi comuni vengono poste in alcuni specifici protocolli (protocollo di Montreal, EMEP European Monitoring and Evaluation Program Protocollo di Kyoto, ecc.). Il costo degli interventi necessari è in continua crescita e di conseguenza è assolutamente necessario disporre di una conoscenza su base scientifica del rapporto di causa-effetto sull emissione. Tuttavia i rapporti di causa-effetto sono molto complessi e richiedono l uso di modelli. Com è noto, la bontà dei risultati dei modelli è legata alla qualità dei dati di input, in questo caso della intensità delle sorgenti e dei meccanismi di rimozione dei GHG dall atmosfera (sink). Le sorgenti e i sink in realtà sono affetti da notevoli incertezze (per esempio, legati al ruolo della vegetazione e del terreno). A complicare la gestione e il controllo dei GHG è il fatto che l aumento delle concentrazioni di CO 2 è stato sinora determinato dai paesi sviluppati, mentre gli effetti sono prevalentemente sofferti nei paesi in via di sviluppo. Tutte le comunità scientifiche mondiali concordano comunque sulla necessità di stabilizzare le concentrazioni atmosferiche di CO 2 a un valore intorno a 550 ppm (fig. 10). Secondo i calcoli (Houghton et al., 2001) si prevede che tale valore sarà raggiunto nel Al raddoppiarsi della concentrazione atmosferica di CO 2 è associato un aumento nella temperatura superficiale della Terra che si presume essere nell intervallo di 1,5-4,4 C. I costi dei programmi di riduzione delle emissioni di CO 2 risultano così elevati che un certo numero di paesi non ha ancora ratificato (2005) il Protocollo di Kyoto. La caratteristica principale del Protocollo è quella di stabilire obblighi di controllo e riduzione sulle emissioni dei GHG per le principali economie del mondo, che lo hanno sottoscritto con la ratifica. Gli impegni del Protocollo variano da una nazione all altra. Le nazioni sono, infatti, raggruppate negli allegati del Protocollo come paesi sviluppati (Unione Europea, Giappone, Canada, Stati Uniti e Australia, Russia) e paesi in via di sviluppo o altri paesi (Opec, Cina, India). Gli obiettivi vincolanti (assegnati) variano da 8 a 10% rispetto ai livelli del 1990 delle emissioni individuali dei paesi sviluppati. Altri obiettivi obbligatori saranno stabiliti a partire dal Queste ulteriori riduzioni delle emissioni devono essere negoziate in anticipo e l Unione Europea è già direttamente coinvolta. Per compensare gli obblighi posti dagli obiettivi di riduzione, l accordo offre in cambio una flessibilità sulle modalità e sui luoghi con i quali raggiungere tali obiettivi. Per esempio, si possono parzialmente compensare le proprie emissioni tramite la riforestazione, che riduce il CO 2 nell atmosfera, sia nel proprio paese sia fuori. Oppure, si possono finanziare progetti stranieri che procurano tagli delle emissioni di GHG. Si tratta dei cosiddetti meccanismi flessibili. Il Protocollo di Kyoto ha aperto strade innovative definendo tre meccanismi di flessibilità (JI, CDM, IET, v. oltre) per abbassare i costi di realizzazione degli obiettivi di riduzione delle emissioni. Questi meccanismi permettono ai diversi paesi di accedere a occasioni economicamente vantaggiose per ridurre le emissioni o rimuovere il carbonio dall atmosfera, nel proprio o in altri paesi. Il principio che permette questa flessibilità è che, mentre il costo di riduzione delle emissioni varia considerevolmente da regione a regione, il beneficio per concentrazione di CO 2 nell atmosfera (ppm) , , , , anno fig. 10. Proiezioni dell andamento del CO 2 atmosferico. VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 951

16 AMBIENTE l atmosfera è lo stesso, dovunque l azione sia intrapresa. L attivazione di questi meccanismi però richiede l organizzazione di un sistema di valutazione, approvazione e controllo in grado di accertare la loro integrità e coerenza. La preoccupazione del Protocollo è quella di fare sì che i paesi non acquistino crediti di riduzione o scambi di emissioni fittizi che ne vanificherebbero gli obiettivi ambientali. Il continuo processo di negoziazione del Protocollo mira a progettare un sistema che realizzi la massima redditività dei meccanismi, garantendone l integrità e l equità ambientali. Tra le modalità possibili c è la cosiddetta esecuzione congiunta (JI, Joint Implementation) che consiste in programmi, previsti all interno del Protocollo stesso, che permettono ai paesi industrializzati di ottenere parte delle proprie riduzioni di GHG finanziando progetti che riducono tali gas in altri paesi industrializzati. I governi sponsor riceveranno crediti che possono essere applicati ai loro obiettivi; le nazioni ospitanti il progetto guadagneranno l investimento straniero e la tecnologia avanzata (ma non crediti per le proprie emissioni, che dovranno comunque raggiungere gli obiettivi imposti). Il sistema presenta il vantaggio di flessibilità e di efficienza. Si pensa così di ottenere maggiori riduzioni a costi inferiori. Per procedere con questa tipologia di progetti, i paesi industrializzati devono soddisfare alcuni requisiti, tra cui la disponibilità di inventari accurati delle emissioni dei GHG e di meccanismi di registrazioni dettagliate delle unità emesse e dei crediti, requisito condiviso dalle procedure del commercio internazionale delle emissioni (IET, International Emission Trading) nel mercato del carbonio. Se questi requisiti sono soddisfatti, i paesi possono attivare i progetti e ricevere i crediti a partire dal Nel caso in cui qualcuno dei paesi industrializzati non avesse ancora formalizzato il sistema di registrazione o di inventario dei GHG, potrebbe attivare questo tipo di progetti con una modalità alternativa sottoponendosi a un maggiore controllo internazionale. Il controllo può essere assegnato a organismi privati, che si accerteranno dell efficacia reale della riduzione delle emissioni e le certificheranno. Attraverso il meccanismo della JI un paese guadagna crediti di riduzione dell emissioni (ERU, Emission Reduction Units) che possono essere usati per il raggiungimento dei propri obiettivi. La sostituzione della centrale elettrica a carbone con una centrale elettrica a ciclo combinato più efficiente può costituire un progetto di JI. Si pensa che la maggior parte di questi progetti possa interessare i paesi con le economie in transizione dell Europa orientale. I progetti di JI devono avere l approvazione di tutte le parti in causa e devono condurre a riduzioni o rimozioni dell emissione supplementari rispetto a quanto previsto. I progetti che coinvolgono l uso del suolo (Land Use, LU) o il cambio di destinazione dell uso del suolo (LUC, Land Use Change) e le attività di silvicoltura o forestazione (LUCF, Land Use Change or Forestry) in quanto sistemi di rimozione del CO 2, possono interessare attività JI. I progetti possono essere stati attivati prima ma i crediti saranno disponibili solo dopo il Secondo la prima modalità, descritta in precedenza, un paese ospitante un progetto di JI può applicare regole e procedure proprie alla selezione dei progetti e alla valutazione delle riduzioni delle emissioni associate. Con la seconda procedura il paese ospite è sorvegliato da un apposito comitato. Può accadere, comunque, che un paese decida di percorrere questa modalità alternativa pur avendo soddisfatto i requisiti previsti dal Protocollo, se il credito guadagnato è più alto secondo i calcoli effettuati con la procedura di verifica internazionale. I cosiddetti meccanismi puliti di sviluppo (CDM, Clean Development Mechanisms) sono simili ai progetti di JI e portano a riduzioni certificate dell emissione (CER, Certified Emission Reductions) mediante attività di progetto che riducono le emissioni in paesi diversi da quelli indicati nell allegato I del Protocollo di Kyoto. I CER generati da tali attività di progetto possono essere usati dai paesi dell allegato I per il raggiungimento delle riduzioni di emissioni previste nel Protocollo. Un progetto CDM può consistere, per esempio, in un progetto di elettrificazione di una zona rurale con i pannelli solari o nell installazione di caldaie più efficienti dal punto di vista energetico. Le attività di progetto di CDM devono avere l approvazione di tutte le parti in causa e delle organizzazioni nazionali individuate, devono ridurre le emissioni al di sotto di quelle che si sarebbero avute in assenza dell attività di progetto e sono sorvegliate da un consiglio esecutivo. È tuttora in corso una discussione se includere le attività di rimboschimento tra i progetti CDM. I limiti sulle emissioni di GHG regolate dal protocollo di Kyoto in qualche modo assegnano un valore monetario comune all atmosfera della Terra. In realtà le nazioni che hanno contribuito per la maggior parte al riscaldamento globale si sono avvantaggiate economicamente, mentre non sono state giudicate proporzionalmente responsabili per i danni causati all ambiente dalle loro emissioni. Il Protocollo permetterà anche che i paesi che vantano crediti in termini di unità di emissioni possano vendere questa eccedenza ai paesi che sono al di sopra dei loro obiettivi. Questo costituirà il cosiddetto mercato del carbonio, dal momento che il biossido di carbonio sarà il gas più ampiamente prodotto tra i GHG e gli altri gas saranno contabilizzati come equivalenti di biossido di carbonio. I paesi che non saranno in grado di mantenere i loro impegni potranno acquistare la conformità, ma a un prezzo determinato dal mercato. Più elevato sarà il prezzo, maggiori saranno la pressione esercitata verso la ricerca di usi più efficienti dell energia e la promozione e lo sviluppo delle fonti alternative di energia 952 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

17 EMISSIONI E CONTROLLO DEI GAS SERRA con bassi livelli di emissioni. Realizzare un mercato azionario globale, dove le unità delle emissioni sono scambiate, è semplice nel concetto, ma richiede l attivazione di un sistema complesso. I particolari del funzionamento di questo sistema di Emission Trading non sono stati specificati nel Protocollo e in vari incontri sono state affrontate trattative supplementari (accordi di Marrakesh e COP, Conferences Of Parties). Le difficoltà sono evidenti: le emissioni reali dei paesi devono essere controllate e garantite e devono esistere una registrazione e un controllo trasparente degli scambi. Di conseguenza devono essere stabilite sia le modalità di registrazione degli scambi delle emissioni delle varie nazioni, sia le procedure di contabilizzazione delle emissioni e deve essere costituito un gruppo di revisori esperti per sorvegliare la conformità. Le emissioni scambiate saranno anche costituite dai crediti acquisiti con i progetti JI o CDM. Questi crediti potranno essere comprati e venduti o accantonati per usi futuri. Alcuni sistemi nazionali di registrazione sono già operativi nei paesi che intendono capitalizzare le riduzioni delle emissioni già compiute. Mercati del carbonio minori si stanno attivando in Europa e da parte di altri gruppi di paesi, per collegarsi successivamente con il mercato globale, una volta diventato operativo. Il Protocollo di Kyoto e le azioni relative sono stati intrapresi per ridurre l effetto delle emissioni di CO 2 sul clima, ma senza trascurare il settore dei trasporti. A questo riguardo è noto che il 25 % di CO 2 generato dai trasporti non è raggiunto dalle politiche correnti nell Unione Europea, in particolare le emissioni dall aviazione internazionale e dal trasporto marittimo, che hanno avuto considerevole sviluppo tra il 1993 e il La deregulation e i cosiddetti cieli aperti, le alleanze tra linee aeree e la riduzione significativa delle tasse aeroportuali, insieme all aumento delle compagnie a basso costo, hanno generato un aumento di questa fonte di emissioni del CO 2. In Europa si sta riflettendo anche sui possibili interventi in questo settore. Bibliografia citata Buchdahl J.M. (1999) Global climate change student guide. A review of contemporary and prehistoric global climate change, Manchester, Manchester Metropolitan University, Atmospheric Research and Information Centre. Butcher S.S. et al. (edited by) (1992) Global biogeochemical cycles, London, Academic Press. Campbell I.M. (1986) Energy and the atmosphere: a physicalchemical approach, Chichester, John Wiley. CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Centre) (1993) Trends 91, 93. A compendium of data on global change, Oak Ridge (TN), Oak Ridge National Laboratory. «CO 2 /Climate Report» (1993), Special Issue. «CO 2 /Climate Report» (1997), Issue Critchfield H.J. (1983) General climatology, Englewood Cliffs (NJ), Prentice-Hall. EC (European Community) (2000) Economic evaluation of emissions reductions in the transport sector of the EU. Economic evaluation of sectoral emission reduction objectives for climate change, Contribution to a study for the European Commission Environment DG by Ecofys Energy and Environment, AEA Technology Environment and the National Technical University of Athens, Final Report, December. EEA (European Environmental Agency) (2004) Analysis of greenhouse gases emission trends and projections in Europe 2003, EEA, Technical Report 4. GAW DATA WDCGG (2004) Greenhouse gases and other atmospheric gases, March, v.iv, Report 28. Hoffert M.I., Caldeira K. (2004) Encyclopedia of energy, Amsterdam, Elsevier, 6v.; v.i. Houghton J.T. et al. (edited by) (1990) Climate change. The Intergovernmental Panel on Climate Change scientific assessment, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press. Houghton J.T. et al. (edited by) (1992) Climate change The supplementary report to the Intergovernmental Panel on Climate Change scientific assessment, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press. Houghton J.T. et al. (edited by) (1994) Climate change Radiative forcing of climate change, and an evaluation of the Intergovernmental Panel on Climate Change IS92 emission scenarios, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press. Houghton J.T. et al. (edited by) (1996) Climate change The science of climate change, Cambridge, Cambridge University Press. Houghton J.T. et al. (edited by) (1997) An introduction to simple climate models used in the Intergovernmental Panel on Climate Change second assessment report, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press. Houghton J.T. et al. (edited by) (2001) Climate change The scientific basis, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press. Kemp D.D. (1994) Global environmental issues: a climatological approach, London, Routledge. Khlystov A. (1998) Cloud forming properties of ambient aerosol in the Netherlands and resultant shortwave radiative forcing of climate, Wageningen, University of Wageningen, Department of Agricultural Sciences. Loon G.W. van, Duffy S.J. (2000) Environmental chemistry: a global perspective, New York, Oxford University Press. Machida T. et al. (1994) Atmospheric methane and nitrous oxide concentrations during the last 250 years deduced from H15 Ice Core, Antarctica. Proceedings of the International symposium on global cycles of atmospheric greenhouse gases, Sendai (Japan), 7-10 March, Matson P., Vitousek P. (1990) Ecosystems approach to a global nitrous oxide budget, «Bioscience», 40, Prather M. et al. (1996) Other trace gases and atmospheric chemistry, in: Houghton J.T. et al. (edited by) Climate change The science of climate change, Cambridge, Cambridge University Press, RIVM (Rijks Instituut voor Volksgezondheld en Milieu) (2004) Outstanding environmental issues. A review of the EU s environmental agenda, Bilthoven (The Netherlands), RIVM. Schimel D. et al. (1996) CO 2 and the carbon cycle, in: Houghton J.T. et al. (edited by) Climate change The VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 953

18 AMBIENTE science of climate change, Cambridge, Cambridge University Press, Shine K.P. et al. (1996) Radiative forcing, in: Houghton J.T. et al. (edited by) Climate change The science of climate change, Cambridge, Cambridge University Press, Trenberth K.E. (2004) Encyclopedia of energy, Amsterdam, Elsevier, 6v.; v.i. Watson R.T. et al. (1990) Greenhouse gases and aerosols, in: Houghton J.T. et al. (edited by) Climate change. The Intergovernmental Panel on Climate Change scientific assessment, IPCC, Cambridge, Cambridge University Press, WMO (World Meteorological Organization) (1999) Scientific assessment of ozone depletion: Executive summary, WMO Global Ozone Research Monitoring Project, Report 44. WMO (World Meteorological Organization) (2001) Global atmosphere watch. Measurements guide, WMO, July, Report 143. Ivo Allegrini Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto sull Inquinamento Atmosferico Monterotondo, Roma, Italia Patrizia Buttini EniTecnologie Monterotondo, Roma, Italia 954 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI