Valutazione del contributo di una centrale a carbone alle concentrazioni di PM 10 utilizzando i modelli a recettore PMF e CMB

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Ornella Martina
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alutazione del contributo di una centrale a carbone alle concentrazioni di PM 1 utilizzando i modelli a recettore PMF e CMB D. Contini 1, D. Cesari 1, C. Tortorella 2, S. Iacobellis 2, G.

1 alutazione del contributo di una centrale a carbone alle concentrazioni di PM 1 utilizzando i modelli a recettore PMF e CMB D. Contini 1, D. Cesari 1, C. Tortorella 2, S. Iacobellis 2, G. Potenza 2, M. Conte 1,, A. Donateo 1 1 Istituto di Scienze dell Atmosfera e del ima, ISACCNR, Lecce, 71 2 Enel SpA, indisi, 721 Dipartimento di Matematica e Fisica, Università del Salento, Lecce, 71 PM216 Roma 172 Maggio 216

EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 OBIETTIO La valutazione del contributo delle centrali a carbone al particolato atmosferico è generalmente fatta utilizzando la modellistica numerica o i modelli a recettore.

2 EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 OBIETTIO La valutazione del contributo delle centrali a carbone al particolato atmosferico è generalmente fatta utilizzando la modellistica numerica o i modelli a recettore. La problematica più rilevante nell utilizzo di modelli a recettore è la collinearità dei profili chimici delle emissioni delle centrali con quelle del materiale crostale (minerale) PP Crustal (a) Un altro aspetto di rilievo è la valutazione del contributo della centrale al background regionale di solfato secondario. 5 NO SO 4 K Mg 2 Ca 2 L obiettivo del lavoro è quello di presentare una metodologia, sviluppata specificatamente per valutare l impatto delle centrali a carbone sulle concentrazioni di particolato atmosferico, basata sull integrazione di più modelli a recettore con la modellistica numerica. La metodologia è stata applicata alla centrale a carbone di Torrevaldaliga Nord in tre siti di misura localizzati nell area di Civitavecchia. PM216, 172 Maggio 216, Roma

3 SITI DI MISURA E STRATEGIE DI CAMPIONAMENTO Tre siti di misura S. Agostino (SA, rurale) Borgo Aurelia (BA, fondo urbano) Parco Antonelli (PA, urbano) La centrale emette a 8 K a 25 m di quota ( line diametro 5.8 m) con un flusso totale di x 2,1, Nm /h. Emissioni annuali (SME): 1,588 t di SO 2, 2,866 t di NO X, 65 t of PM. Sono stati raccolti 47 campioni giornalieri di PM 1 tra bbraio 21 e Agosto 214 utilizzando tre campionatori Hydra dual channel (Fai instruments) operanti con substrati di policarbonato e di quarzo. Caratterizzazione chimica di circa il 6% della massa:, Ca 2, Mg 2,, K, Mg 2, SO 4, NO,,,,,,,,,,,, EC,. PM216, 172 Maggio 216, Roma

4 CONCENTRAZIONI E ENTO µg/m BA SA PA PM (6.4) 17.5 (5.9) 22.6 (8.6) Media dei siti 19.1 (7.5) osservano concentrazioni maggiori nel sito urbano rispetto a quelli non urbani a causa delle emissioni da traffico veicolare (incremento di EC nel sito urbano). Ogni sito risulta potenzialmente influenzato dalle emissioni della centrale tra il 4% ed il 6% dei giorni di misura. PM216, 172 Maggio 216, Roma

5 PM 1 (µg/m ) MODELLI A RECETTORE UTILIZZATI E stato utilizzato il modello a recettore Positive Matrix Factorization (PMF5) che ha fornito una soluzione ad 8 sorgenti utilizzando i seguenti constraints ( Q 5.7%): NO «pull down» nel profilo marino NO «pull up» nel profilo nitrato K «pull up» nel profilo combustione di biomasse. E stato utilizzato anche il modello a recettore CMB8.2 con i seguenti profili di sorgente: Centrale (sperimentale) Crostale (sperimentale) Traffico/risospeso (sperimentale) trato (ottimizzato da risultati PMF) Porto (ottimizzato da risultati PMF) Comb. di biomasse (SPECIATE) Marino (SPECIATE) Solfato (stechiometrico) PMF5. Measured BA SA PA CMB_opt PM216, 172 Maggio 216, Roma

6 MODELLISTICA NUMERICA E stato utilizzato il sistema modellistico lagrangiano Calpuff/Calmet per stimare i contributi della centrale a carbone allle concentrazioni di PM 1, SO 2 e NO X. E stato utilizzato un dominio di 2 km x 2 km intorno alla centrale (risoluzione 1 km) con 1 livelli verticali da terra fino a.8 km di quota. I dati meteorologici a mesoscala (forniti da Arpa Emilia Romagna Modello Cosmo) sono stati utilizzati come input di Calmet Il modulo chimico Mesopuff II è stato utilizzato per analizzare la formazione del solfato secondario e del nitrato secondario derivante dalle emissioni dei gas precursori SO 2 e NO X. L ossidazione diurna di SO 2 e NO X è stata determinata, a livello orario, in funzione della concentrazione di background di O, dell umidità relativa, della radiazione solare, della stabilità atmosferica e delle concentrazioni di NO X nel pennacchio. I dati atmosferici sono stati ricavati dal Calmet mentre I valori di O sono stati ottenuti dalla rete di monitoraggio di ARPA Lazio. Per i rate di ossidazione notturni si assumono I valori.2% per SO 2 e 2% per NO X. Come input per il sistema modellistico sono state utilizzate le emissioni medie giornaliere durante le campagne di misura misurate al camino della centrale. PM216, 172 Maggio 216, Roma

7 EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 Concentration (µg/m ) EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 Concentration (µg/m ) EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 Concentration (µg/m ) EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 Concentration (µg/m ) Concentration (µg/m ) EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 EC NO SO4 NH4 K Mg2 Ca2 Concentration (µg/m ) Concentration (µg/m ) Concentration (µg/m ) PROFILI DI SORGENTE PMF5 1. Marine 1 Traffic 1 Crustal resuspended NO SO SO 4 4 NH 4 K Mg 2 Mg 2 Ca 2 NO SO 4 K Mg 2 Ca 2 NO SO 4 NO SO 4 K K Mg Mg 2 2 Ca Ca 2 2 Harbour industrial 1 trate 1 2 Biomass burning NO SO 4 K Mg 2 Ca 2 NO SO 4 K Mg 2 Ca 2 NO SO 4 K Mg 2 Ca 2 Sulphate 1 Crustal PP NO SO 4 K Mg 2 Ca NO SO 4 K Mg 2 Ca Il profilo di sorgente terrigeno è mescolato al contributo della centrale. PM216, 172 Maggio 216, Roma

8 CONTRIBUTO PRIMARIO (I) Per separare il contributo della centrale da quello terrigeno nel fattore di sorgente "Terrigenocentrale" identificato dal modello PMF sono stati utilizzati due approcci indipendenti: Analisi direzione del vento e Rapporto diagnostico / simulazioni CALPUFF individuano i giorni in cui non c è impatto della centrale, per ogni sito di misura, considerando sia la direzioni prevalenti del vento sia le simulazioni del modello CALPUFF. stima il contributo medio del terrigeno da questi giorni e lo si sottrae dal valore medio complessivo del fattore Terrigeno centrale. PM216, 172 Maggio 216, Roma

9 PP contribution (% of PM 1 ) CONTRIBUTO PRIMARIO (II).5 Primary particles BA SA PA Average of sites PMF / ratio CMB PMF Calpuff Ragionevole accordo tra le tre metodologie di valutazione del contributo primario soprattutto nel sito rurale ed in quello di fondo urbano. Differenze minime tra i contributi valutati nei tre siti di misura che risultano variabili tra 1% e % del PM 1. In termini medi l impatto sull area in studio è 2% ± 1%. PM216, 172 Maggio 216, Roma

10 CONTRIBUTO AL SOLFATO SECONDARIO Sono state utilizzate due metodologie di valutazione Metodologia integrata modellistica numerica e modello a recettore 1) valutazione del rapporto SO 4= /PM 1 (primario) medio giornaliero con le simulazioni Calpuff/Calmet per ogni giorno di misura. 2) alutazione della concentrazione di SO 4 = associata alla centrale utilizzando il rapporto del punto (1) e la stima del PM 1 (primario) fatta con il modello a recettore. ) alutazione della concentrazione di solfato d ammonio associata alla centrale a partire dalle concentrazioni del punto (2). Effetto conservativo rispetto ad altre forme di solfato (ad esempio bisolfato di ammonio). 4) Stima del contributo al PM 1 misurato di solfato secondario associato alla centrale in termini relativi rispetto e dell incertezza (intorno al 4%5% della stima). Metodologia basata sull individuazione della «edge» nella correlazione tra le concentrazioni di solfato ed il contributo primario stimato dal modello a recettore. PM216, 172 Maggio 216, Roma

PP contribution (mg/m ) PP contribution (mg/m ) SOLFATO EDGE METHOD 2.5 2. 1..5 (a) Edge y=x.. 1. 2.. 4. 5. 6. 7. 8. nssso 4 (mg/m ) BA SA PA PMF5 La pendenza della edge è. Questo indica, in media,.

11 PP contribution (mg/m ) PP contribution (mg/m ) SOLFATO EDGE METHOD (a) Edge y=x nssso 4 (mg/m ) BA SA PA PMF5 La pendenza della edge è. Questo indica, in media,.66 μg/m di solfato di ammonio secondario per ogni 1 μg/m di particolato primario (b) Edge y=1.1x nssso 4 (mg/m ) BA SA PA CMB La pendenza della edge è 1.1. Questo indica, in media,.9 μg/m di solfato di ammonio secondario per ogni 1 μg/m di particolato primario. PM216, 172 Maggio 216, Roma

PP contribution (% of PM 1 ) SOLFATO CONTRIBUTO STIMATO.5 Secondary ammonium sulphate 2.5 2 1.

12 PP contribution (% of PM 1 ) SOLFATO CONTRIBUTO STIMATO.5 Secondary ammonium sulphate BA SA PA Average of CalpuffRM Edge method sites Ottimo accordo tra le due metodologie di valutazione del contributo al solfato secondario in tutti i siti di misura. Differenze minime tra i contributi nei tre siti di misura che risultano variabili tra 1.2% e 1.8% del PM 1. In termini medi l impatto sull area in studio è % ±.%. PM216, 172 Maggio 216, Roma

13 Contribution to PM 1 (%) COMPARAZIONE DELLE SORGENTI 25 Average of sites 2 PP Other sources PP Sulphate trate Marine Biomass burning Traffic Resuspended Crustal Harbourindustrial In termini medi sui tre siti di misura il contributo antropico principale è associato alla combustione di biomasse. Il contributo totale medio della centrale a carbone (primario più solfato secondario) rappresenta il.5% ± 1.% PM216, 172 Maggio 216, Roma

14 CONCLUSIONI E SILUPPI FUTURI E stata sviluppata una metodologia per valutare il contributo delle centrali a carbone al PM 1 considerando sia il particolato primario sia il solfato secondario. La metodologia è basata sull integrazione di modelli a recettore e modelli numerici a dispersione. L analisi degli approcci basati su PMF5 e CMB ha permesso di valutare la stabilità dei risultati ottenuti. La metodologia è stata applicata a tre siti di misura nell area di Civitavecchia, in prossimità della centrale to Torrevaldaliga Nord valutando un contributo primario medio tra 1% e % del PM 1 (2% in media) ed un contributo al solfato secondario tra 1.2% e 1.8% del PM 1 (% in media). Il contributo totale (primariosolfato secondario) medio della centrale (.5% ± 1.%) è stato confrontato con le altre sorgenti naturali ed antropiche. La metodologia sviluppata è potenzialmente applicabile a tutte le centrali a carbone e permetterebbe di «mappare» il loro impatto sul territorio nazionale. PM216, 172 Maggio 216, Roma

15 GRAZIE PER L ATTENZIONE CONTATTO: Daniele Contini d.contini@isac.cnr.it PM216 Roma 172 Maggio 216

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