Biomasse, tra valorizzazione della risorsa, innovazione tecnologica e tutela ambientale. Lecco 13 Dicembre, 2011

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1 Biomasse, tra valorizzazione della risorsa, innovazione tecnologica e tutela ambientale Lecco 13 Dicembre, 2011 Valutazione modellistica del contributo alle concentrazioni di particolato fine dovuto alla combustione delle biomasse nel settore residenziale A. Balzarini, G. Pirovano, G.M. Riva

2 CONTENUTI La qualità dell aria Il Progetto POMI Le emissioni nel bacino Padano e il peso delle biomasse da combustione non industriale Il sistema modellistico e l algoritmo di source apportionment Risultati: il peso di biomasse, trasporti e agricoltura Confronto emissioni concentrazioni Conclusioni e sviluppi futuri 2

3 La qualitàdell aria PM10: Numero superamenti del limite riferito alla media giornaliera Max 35 gg/anno con PM10 >50 µg/m 3 Fonte: ARPA LOMBARDIA 3

4 Il bacino Padano 4

5 Il progetto Pomi PO-valley Modelling Intercomparison ( Collaborative research project in support to the reduction of atmospheric pollution in REGIONE LOMBARDIA. ( ) Esercizio modellistico di confronto tra diversi modelli matematici per lo studio del trasporto e trasformazione degli inquinanti in atmosfera Modelli presenti: CHIMERE, CAMx, EMEP, AURORA, RCG, TCAM 5

6 Il progetto Pomi Definizione di un inventario comune a tutti i modelli per l anno 2005: 11 macrosettori risoluzione di 3x3 km distinzione per fascia climatica (pianura, collina e montagna) EMEP 2005 INEMAR 2005 Lombardia 6

7 Le emissioni nel bacino Padano settori/emissioni in Mg CO NOX VOC NH3 SO2 PMC PM2.5 Prod. energia e trasform. combustibili Combustione non industriale di cui biomasse Combustione nell'industria Processi produttivi Estrazione e distribuzione combustibili Uso di solventi Trasporto su strada Altre sorgenti mobili e macchinari Trattamento e smaltimento rifiuti Agricoltura Altre sorgenti e assorbimenti totale % combust. Biomasse non industriale

8 Le emissioni da biomasse Tecnologie considerate Stufa tradizionale a legna Camino aperto tradizionale Camino chiuso o inserto Stufa o caldaia innovativa Stufa automatica a pellets o cippato o BAT legna Pizzerie con forno a legna Percentuale emissioni da biomasse nel settore riscaldamento PM2.5 PMC SO2 NH3 VOC pianura collina montagna NOx CO Percentuali calcolate da INEMAR Lombardia [%] 8

9 La distribuzione delle emissioni di PM2.5 Trasporti stradali Riscaldamento biomasse 9

10 Polveri sottili Attori & ruoli 10

11 Polveri sottili Ingredienti Particelle primarie (emesse direttamente) Particelle secondarie (da precursori gassosi) 11

12 Sistema modellistico Di cosa si tratta?...se volessimo essere formali... ref: CAMx v Guida dell utente (Environ International Corporation, USA) 12

13 Sistema modellistico Di cosa si tratta? a) Misure b) Anal. Meteorologiche (ECMWF) WRF Modello Meteorologico Processore Condizioni al contorno Modello scala continentale CHIMERE (altri composti) Temperatura radiazione velocità vento Processore Emissioni sale marino MEGAN Modello delle emissioni biogeniche CAMx Modello di Chimica e Trasporto + PSAT Concentrazioni e Deposizioni (Totali e per sorgente) Dati Territoriali Indicatori di attività SMOKE Modello delle emissioni antropiche Inventari delle emissioni [ISPRA, EMEP] 13

14 PSAT Di cosa si tratta? S1 S2 Particulate Source Apportionment Technology CAMx PSAT CTM PM 2.5 S1 S2 S3 Other S3 Sorgenti taggate Conservazione della massa Traccia primari e secondari! 14 PM 2.5

15 S.A. Approccio tradizionale JRC,2011-9th intermediate technical / scientific report - Collaborative Research Project for Air Pollution Reduction in Lombardy Region ( ) Analisi al recettore di dati misurati Secondario indistinto Modello statistico(intuisce, non ricostruisce) 15

16 Ruolo delle sorgenti PSAT setup (aree sorgente e recettori) Ispra Torino Milano Areas map and receptors Bologna Milano (area metropolitana) Pianura padana Est Estero Lombardia Sud Lombardia Nord Pianura padana Sud Pianura padana ovest 16

17 Source apportionment PM2.5 (Principali settori emissivi) PM2.5 concentrazione media annua Riscaldamento Domestico da Biomasse Settore Trasporti Agricoltura 17

18 Source apportionment PM2.5 (Confronto Pianura Padana Lombardia) Settore Trasporti Tutte le regioni Settore Trasporti Solo Lombardia Influenza su scala interregionale Riscaldamento domestico da Biomasse Tutte le regioni Riscaldamento domestico da Biomasse Lombardia 18 Influenza su scala locale

19 ug/m Source apportionment PM2.5 (Recettori della Pianura Padana) 8.6% 10.5% 9.0% 16.9% 17.7% 7.3% 8.3% 11.9% Torino Milano Bologna Ispra Lombardia P.P. Lombardia P.P. Nord Occidentale Sud Orientale ug/m PM2.5 - Media annua 19 BC_ovest BC_sud BC_nord BC_est Altri Biogenico Agricoltura Trasporti PM2.5 - media nei gg di superamento Risc. Domestico Prod. Energia 6.0% 11.3% 9.3% 14.6% 14.2% 5.3% 7.9% 10.0% Torino Milano Bologna Ispra Lombardia P.P. Lombardia Nord Occidentale Sud P.P. Orientale BC_ovest BC_sud BC_nord BC_est Altri Biogenico Agricoltura Trasporti Risc. Domestico Prod. Energia

20 Source apportionment (Analisi al recettore) PM2.5 ug/m PM2.5 (23 ug/m 3 ) - Ispra - Contributo aree emissive Prod. Energia Risc. Domestico 68% 35% Trasporti Agricoltura Altri BC BC Altro P.P. orientale P.P. meridionale Lombardia Sud Milano Milano (Zona Critica) Lombardia Nord P.P. Occidentale 20

21 Alcuni confronti. Comb. Biomasse % emissioni 28.2 % concentrazioni CAMx Trasporti Agricoltura Rec. Analysis (Misure) JRC,2011-9th intermediate technical / scientific report - Collaborative Research Project for Air Pollution Reduction in Lombardy Region ( ) 21

22 Conclusioni e sviluppi futuri Source apportionment La combustione da biomasse contribuisce per circa il 28% alle emissioni complessive di particolato fine primario La combustione da biomasse produce contributi rilevanti (fino al 20% delle concentrazioni), ma localizzati Il trasporto su strada rappresenta la sorgente più significativa Il problema delle polveri fini è un fenomeno di scala interregionale Le incertezze della simulazione (es. SOA) possono cambiare i valori assoluti dei contributi, ma non modificano il ruolo delle diverse sorgenti; diverso impatto potrebbe avere una sostanziale variazione dell inventario emissivo Le condizioni di stagnazione non accentuano il ruolo delle biomasse Politiche di miglioramento della qualità dell aria Indirizzare gli sforzi per lo sviluppo di politiche a scala di bacino Interventi sulle biomasse possono avere effetti limitati sulle grandi aree urbane Strategie integrate che coinvolgano anche trasporti e se possibile agricoltura In corso di realizzazione Nuove valutazioni modellistiche a partire da inventari delle emissioni aggiornati al a livello comunale per Piemonte, Lombardia, Veneto ed Emilia Romagna. Emissioni su base provinciale per le regioni limitrofe. Valutazione peso biomasse da tutti 22i settori emissivi.

23 Ringraziamenti Gli autori ringraziano: JRC e Regione Lombardia che hanno promosso e coordinato lo studio fornendo il dataset utilizzato nelle simulazioni; ENVIRON (Novato, USA) per il contributo nella messa a punto del sistema modellistico e l analisi dei risultati. 23

24 Le emissioni nel bacino Padano Contributi emissive per categorie di sorgenti [Gg] PM2_ PMC SO NH VOC NOX CO % 20% 40% 60% 80% 100% Energia Biomasse riscaldamento Trasporti Agricoltura Altro 24

25 La distribuzione delle emissioni di NOx Trasporti stradali Riscaldamento biomasse 25

26 Source apportionment PSAT setup Riscaldamento biomasse Trasporti stradali 26 Lecco 13 dicembre 2011 Agricoltura

27 CAMx Model setup CAMx v (Environ International Corporation, Ca) Eulerian photochemical transport and dispersion model horizontal advection scheme: Bott (Bott A., 1989) vertical advection/diffusion scheme: fully implicit emissions: Diffuse (1 st level) and point emissions dry deposition: resistance scheme wet deposition: both gas and particle; within and below cloud Plume in Grid (Pig) not activated chemical modules: gas phase: CB 05 gas phase integrator: CMC (ENVIRON) thermod. equilibrium: ISORROPIA SOA: SOAP (Strader et al., 1998, Yarwood et al., 2005) aerosol dynamic: Static Coarse/Fine size bins approach chemical species: Crustal, Primary Organic, Elemental Carbon (primary) SO = 4, NO 3, NH + 4, H 2 O, Na +, Cl, SOA (secondary) 27

28 CAMx Simulation outline Anthropogenic emissions: Application of SMOKE emission model Speciation and lumping of NMVOC Speciation and size disaggregation of PM emissions Sea salt emissions: CAMx pre processor, function of wind speed (Mohanan et al., Smith and Harrison) Biogenic Emissions: MEGAN model (supports CB05 and SOA updates in v4.5) 28

29 CAMx Simulation outline Grid configuration: horizontal UTM cartesian projection Meteorology: vertical 13 vertical layers based on MM5 levels (30m) 2 way nesting time step = 240 sec Horizontal Interpolation onto the output grid Aggregation of vertical levels (only above the PBL) No Interpolation Vertical velocity is recomputed Kv Computation: Similarity theory (O Brien 1970) Surface layer parameters Landusefrom CORINE Water Content: derived from rainfall rate and prognostic 3D field Boundary Conditions: Horizontal and vertical interpolation of the large scale fields onto CAMx grid Chemical speciation 29

30 Base Case Model evaluation ppb NO PVUR X (Urbanstations) Measured BC2 (def rel) BC2 (first rel) ppb /1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 O PVUR 3 8hly max (Urbanstations) Measured BC2 (def rel) BC2 (first rel) 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 ug/m PM10 (Urban PVUR stations) Measured BC2 (def rel) BC2 (first rel) 0 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 30

31 Base Case Model evaluation [µg/m 3 ] Winter Measured BC2 (def rel) BC2 (first rel) PM NC EC POM NO3- SO4= NH4+ PM Coarse Ispra station PM composition [ g/m 3 ] Summer Measured BC2 (def rel) BC2 (first rel) PM NC EC POM NO3- SO4= N H4+ PM Coarse Po valley SIA/NO X ratio 31 Goodperformance forprimarypm and SIA PM coarseand OM (SOA?) are underestimated PSAT analysis will be focused on PM2.5 (no SOA)

32 Source apportionment Secondary PM2.5 (Road transport) Stronger region to region influence (up to 10%) 32 Lecco 13 dicembre 2011

33 Source apportionment (Emission areas) PM2.5 Contribution from surrounding regions 25% 33

34 Source apportionment (Lombardy receptors) PM2.5 ug/m3 ug/m % Milan Area PM2.5 - Yearly mean - Milan North Lomb 28.7% 9.5% 6.8% 6.7% 7.2% 2.2% 1.8% South Lomb East PV West PV South PV Other BC PM2.5 - Yearly mean - Rural South Lomb BC_west BC_south BC_north BC_east Other Biogenic Agriculture Transport D. Heat -BB P. Plants ug/m % Milan Area PM2.5 - Yearly mean - Ispra North Lomb 32.2% 5.2% 5.5% 25.3% South Lomb East PV West PV 2.4% 6.0% 13.2% South PV Other BC BC_west 18 BC_south % BC_north BC_east % 9 Other 13.8% 20.0% 13.4% % Biogenic 6 9.8% 13.0% 3 5.1% 5.3% 1.7% Agriculture 5.0% 3 6.4% 7.2% 6.5% 2.5% 0 Transport 0 Milan North South East PV West South Other BC D. Heat -BB Milan North South East West South Other BC Area Lomb Lomb PV PV P. Plants Area Lomb Lomb PV PV PV... The guilty forpm in the Po valleydoesnotexist ug/m3 BC_west BC_south BC_north BC_east Other Biogenic Agriculture Transport D. Heat -BB P. Plants PM2.5 - Yearly mean - Rural North Lomb BC_west BC_south BC_north BC_east Other Biogenic Agriculture Transport D. Heat -BB P. Plants