Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bergamo Seminario: Traffico veicolare e inquinamento dell aria Bergamo, 9 giugno 2014 Le emissioni dai trasporti su strada Ing. Stefano Caserini LEAP D.I.C.A., Politecnico di Milano Stefano.Caserini@polimi.it www.caserinik.it @Casereinik
Indice Le emissioni dai trasporti su strada: metodologie di stima e dati disponibili. Traffico veicolare e inquinamento dell aria: contributi al fondo e ai picchi di inquinamento, strategie di riduzione nel breve e lungo periodo Cambiamenti climatici e trasporti, emissioni di CO 2 e carbon footprint dei mezzi di trasporto. Strategie di mobilità sostenibile (pedonalità, mobilità ciclistica, car pooling, car sharing).
Il sistema della mobilità è un elemento di importanza fondamentale e di grande criticità nelle città Il traffico motorizzato: è percepito come il principale fattore di peggioramento della qualità della vita nelle aree urbane è la principale fonte di inquinamento dell aria è la principale causa di mortalità per cause accidentali è il settore in cui più aumentano le emissioni di gas che aumentano l effetto serra
EMISSIONI DA TRAFFICO Emissioni allo scarico: PM10, NOx, CO, SO 2, COV (idrocarburi, benzene, 1-3 butadiene, formaldeide, acetaldeide, benzo(a)pirene) Emissioni di PM10 da abrasione: - freni - pneumatici - abrasione asfalto Emissioni evaporative (composti organici volatili che evaporano dal carburante) (un autoveicolo inquina anche da fermo)
Come si stimano le emissioni da traffico? Con metodologie e dati statistici a diversi a seconda del grado di dettaglio richiesto. La formula più generale è : Emissione = A FE Indicatore di attività (es: consumi di combustibile, produzione di materiali, superficie coltivata, consumo di materie prime, numero di capi, distanza percorsa, ecc.) Fattore di emissione emissione riferita all'unità di attività della sorgente (es. quantità di inquinante emesso per unità di combustibile consumato, per unità di superficie, per km percorso, ecc.)
Fattori di emissione Sono reperibili in letteratura numerosi dati di fattori di emissione. I dati sono riportati in funzione del tipo di veicolo, del combustibile e delle tecnologie di depurazione dei fumi. dati Europei (Guidebook EEA) www.eea.europa.eu//publications/emep-eea-guidebook-2013 Dati Lombardia - Inemar www.inemar.eu/xwiki/bin/view/inemardatiweb/fattori+di+emissi one+medi+da+traffico US-EPA - Clearinghouse for Inventories & Emissions Factors www.epa.gov/ttn/chief/index.html ERMES (European Research on Mobile Emission Sources) Group: gruppo di studio europeo sui fattori di emissione
Fattori di emissione da traffico in Europa: metodologia COPERT IV Metodologia COPERT (COmputer Programme to calculate Emissions from Road Transport): disponibile nel Guidebook EMEP/EEA Gli algoritmi di calcolo proposti per stimare i fattori di emissione (g/km) sono ricavati da misure sperimentali su classi di veicoli rappresentativi delle diverse tecnologie motoristiche. I fattori di emissioni sono suddivisi per: inquinante, tipo di veicolo (160 tipi, in classi di cilindrata e età dei veicoli) in funzione della velocità media di un ciclo di guida. PM da scappamento + PM da usura (pneumatici, usura freni e manto stradale) Composti Organici Volatili: evaporative durante la marcia ( running losses ), dopo la marcia: ( hot/warm soak ), diurne
Legislativi UDC EUDC Cicli di guida 70 Reali ARTEMIS urbano ARTEMIS extraurbano ARTEMIS autostradale Vehicle speed (km/h) 60 50 40 30 20 10 Urban dense Free-flow urban Congested, stop Congested, Flowing low speed stable 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 500 600 700 800 90 0 1 00 0 Cycle tim e (s)
Standard alle emissioni - autoveicoli I limiti alle emissioni di diverse categorie dei veicoli sono stati definititi dalle Direttive EU e hanno imposto limiti alle emissioni progressivamente più stringenti. Sono indicati convenzionalmente con le sigle Euro. Tipo legislativo periodo di immatricolazione Euro 0 - ECE 15/04 da 01/01/1985 31/12/1992 Euro 1-91/441/EEC da 01/07/1992 a 31/12/1996 Euro 2-94/12/EC da 01/01/1996 a 31/12/2000 Euro 3-98/69/EC Stage 2000 da 01/01/2000 a 31/12/2005 Euro 4-98/69/EC Stage 2005 da 01/01/2005 a 31/12/2010 Euro 5 da 01/09/2009 a 31/10/2015 I limiti valgono per inquinanti quali CO, NOx, HC, PM (non per CO 2 )
Standard alle emissioni per autoveicoli (g/km) Sono limiti riferiti a cicli di omologazione. Su cicli reali le emissioni sono diverse, generalmente superiori
La metodologia COPERT prevede funzioni che mettono in relazione le velocità dei veicoli con fattori di emissione Curva interpolante Esempio L equazione proposta dal COPERT per stimare i fattori di emissione è il risultato dell interpolazione di punti ricavati da prove sperimentali. I risultati di tali prove sono a volte molto dispersi (dev st. : 0.03-0.9).
COPERT IV: relazione fra consumo di combustibile e velocità
COPERT IV: relazione fra FE idrocarburi totali e velocità
Sono poi disponibili fattori di emissione medi ottenuti dagli inventari delle emissioni su ampi territori. Sono valori medi di diversi tipi di veicoli, condizioni di marcia e combustibili Fattori di emissione medi da veicoli a motore nel 2010 (fonte: Inemar 2013, ARPA Lombardia) Tipo di veicolo SO 2 NO x COV CO CO 2 NH 3 PM2.5 PM10 PTS mg/km mg/km mg/km mg/km g/km mg/km mg/km mg/km mg/km Automobili 1,1 460 50 617 177 18 34 46 59 Veicoli leggeri < 3.5 t 1,6 935 79 587 245 2,9 72 90 106 Veicoli pesanti > 3.5 t e autobus 4,4 6.441 397 1.451 668 3,0 223 273 332 Ciclomotori (< 50 cm3) 0,3 158 4.925 5.282 49 1,0 90 96 102 Motocicli (> 50 cm3) 0,6 165 1.242 6.505 100 2,0 28 34 39 Veicoli a benzina - Emissioni evaporative 127
Fattori di emissione medi da veicoli a motore nel 2010 (fonte: Inemar 2013, ARPA Lombardia) Tipo di veicolo Comb. SO 2 NO x COV CO CO 2 PM2.5 PM10 PTS mg/km mg/km mg/km mg/km g/km mg/km mg/km mg/km Automobili benzina verde 1,2 191 106 1.356 185 15 26 39 Automobili diesel 1,1 667 17 112 174 48 60 73 Automobili GPL 0,0 76 24 1.028 168 15 26 39 Automobili metano 0,0 75 22 1.040 155 15 26 39 Veicoli leggeri < 3.5 t benzina verde 2,2 232 143 4.237 341 21 39 55 Veicoli leggeri < 3.5 t diesel 1,6 988 77 408 243 76 93 110 Veicoli leggeri < 3.5 t GPL 0,0 111 48 1.056 170 21 38 55 Veicoli leggeri < 3.5 t metano 0,0 51 9,4 913 155 21 38 55 Veicoli pesanti > 3.5 t e autobus benzina verde 3,1 6.217 5.675 61.415 567 58 109 167 Veicoli pesanti > 3.5 t e autobus diesel 4,4 6.444 390 1.368 667 223 274 332 Veicoli pesanti > 3.5 t e autobus metano 0,0 3.710 33 1.101 1.266 63 113 172 Ciclomotori (< 50 cm3) benzina verde 0,3 158 4.925 5.282 49 90 96 102 Motocicli (> 50 cm3) benzina verde 0,6 165 1.242 6.505 100 28 34 39 Veicoli a benzina - Emissioni evaporative benzina verde 127
Autoveicoli diesel: minori emissioni specifiche di CO 2 (a parità di cilindrata e peso) rispetto ad un veicolo a benzina, ma emissioni nettamente più elevate di PM10, black carbon e NOx. Dati in mg/km (eccetto CO 2 in g/km) Fonte: S.Caserini, Aria Pulita 2013 (Fonte dati: Arpa Lombardia, Inemar 2010)
Stima delle emissioni da traffico Traffico diffuso (urbano) Traffico lineare
Metodologia di stima delle emissioni Traffico lineare E = N x L x FE E = EMISSIONE (es. g/giorno) N = NUMERO VEICOLI (numero/giorno) L = LUNGHEZZA TRATTO STRADALE (km) FE = FATTORE DI EMISSIONE (g/km) Posso applicare questa formula su un singolo tratto di strada in una certa ora. Sommando tutti le emissioni su tutti gli archi posso quindi trovare le emissioni annue su un intero grafo. Sono necessari tanti dati e grande risorse computazionali.
Traffico lineare su grandi arterie (autostrade, tangenziali, superstrade, statali, provinciali) matrici origini / destinazione degli spostamenti (da dati censimento o da indagini ad hoc) dati di traffico disponibili derivanti da rilevamenti sistematici e occasionali su strade statali e provinciali o urbane, o da sistemi GPS modello di assegnazione del traffico su un grafo stradale transiti dei veicoli sugli archi del grafo stradale
Base di dati di traffico necessaria per la stima delle emissioni lineari Flussi di veicoli nelle arterie stradale interessate (disponibili generalmente per alcune fasce orarie in alcuni giorni) Distribuzioni temporali per ricavare il numero di veicoli nelle altre fasce orarie, giorni e stagioni. Curve di deflusso per calcolare la velocità media in relazione al numero di veicoli su ogni arco. Composizione parco circolante. Percorrenze dei veicoli in funzione dell età flusso % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Composizione annua feriale - tipologia 1 moto auto leggeri pesanti pesantissimi classi veicolari Flusso % auto primavera feriale 16 12 8 4 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 ore
Esercizio 1: stima delle emissioni sulla A4 Milano-Bergamo E = N x L x FE L = lunghezza tratto stradale (km) = 40 km
Bollettino semestrale AISCAT N = numero veicoli = 75000 veic. leggeri/giorno 65000 auto 10000 comm. leggeri
Metodologia di stima delle emissioni - Traffico diffuso E = P N FE E = emissioni P = percorrenza media annua N = numero veicoli circolanti (dati delle immatricolazioni) FE = fattore di emissione Le percorrenze (km/anno percorsi dagli autoveicoli) dipendono da: anno di immatricolazione, tipo di carburante, cilindrata. Un veicolo Euro 0 o Euro 1 ha una percorrenza molto inferiore a quella dei veicoli Euro 4 o Euro 5 Caserini S., Pastorello C., Ntziachristos L. (2013) Impact of the dropping activity with vehicle age on air pollutant emissions. Atmospheric Pollution Research, 4, 282-289.
Esercizio 2: stima delle emissioni di NOx delle automobili nel comune di Bergamo E = P N FE P = benzina: 12000 km/anno; diesel, GPL e metano: 20.000 km/anno NV = numero veicoli immatricolati = Benzina: 50100; diesel: 20300; GPL+metano: 2500 FE (ciclo urbano) =
Grandi incertezze nelle emissioni da traffico fattori di emissione rappresentatività dei cicli di guida ( nuova metodologia Artemis) pochi dati sulle emissioni di PM da scappamento, pneumatici, freni, abrasione asfalto ruolo della risospensione? mezzi pesanti: carenza di dati precisi sui flussi extraurbani effetto del carico dei veicoli pesanti percorrenze annue e quota urbana delle percorrenze stesse bilancio carburanti a scala regionale: incertezza per territori limitati
Fonte: S. Hausberger, presentazione al Meeting ERMES,. Bruxelles 26-27/9/2011
Azioni possibili per ridurre le emissioni da traffico stradale Riduzione delle emissioni specifiche dei veicoli Obiettivo: risparmio di carburante Interventi sui motori, sui sistemi endof-pipe (es. catalizzatori, filtri antiparticolato), sui veicoli, peso, accessori) e sui carburanti Riduzione dei km percorsi Obiettivo: ridurre gli spostamenti dei veicoli con maggiori emissioni specifiche Interventi pianificatori, infrastrutturali e di gestione della domanda
Misure per risparmiare carburante carbon engine hood transmission with long gear ratios AGM-battery gear shift indicator lightweight seats downsized engine (1.4l / 125 kw) low resistance tyres with high pressure start-stop function heat storage mirror substitution
Per ridurre le emissioni del trasporto su strada, l Unione Europea (ed altri Stati come Giappone e Stati Uniti), hanno definito dei target di riduzione delle emissioni di CO 2 medie dei veicoli. Il dato medio di emissione di una casa automobilistica è valutato come media delle emissioni dei diversi modelli commercializzati, pesata con il numero di autovetture vendute L Unione Europea ha adottato nel 2009 un Regolamento (EC 443/2009) che stabilisce obiettivi di riduzione delle emissioni di CO 2 per le auto di nuova immatricolazione. Questo regolamento fissa in realtà due obiettivi: - 130 gco 2 /km, calcolato come valore medio per la flotta di ogni costruttore, da raggiungere entro il 2015-95 gco 2 /km da raggiungere entro il 2020.
Il calcolo delle emissioni medie per ogni costruttore tiene conto del peso medio della flotta, e di altri tre fattori : - Peso : Emissioni specifiche di CO 2 = 130 + a (M M 0 ) M = massa media flotta (kg); M 0 = massa di riferiemento (1372 kg) a = coefficiente = 0.0457 - Porzione della flotta (Phase-in): solamente una porzione della flotta viene considerata nel calcolo delle emissioni. Le percentuale della flotta considerata, aumenta dal 2012 al 2015, anno in cui tutto il parco viene considerato nel calcolo delle emissioni medie. - Supercrediti: ogni nuova autovettura con emissioni di CO 2 inferiori a 50 g CO 2 /km ha un peso maggiore: sarà considerata come 3,5 vetture dal 2012 al 2013, 2,5 nel 2014 e 1 dal 2015 in poi. -E85: le emissioni di CO 2 dei veicoli progettati per poter essere alimentati da una miscela di benzina con 85 % di etanolo sono ridotte del 5 %.
Le regole di questa fase transitoria sono state modificate a fine novembre 2013. Phase-in: solo il 95% delle auto sarà considerato nel calcolo delle emissioni medie nel 2020. Il 100% sarà considerato solo dal 2021. Supercrediti: ogni nuova autovettura con emissioni specifiche di CO 2 inferiori a 50 g CO 2 /km sarà considerata come 2 autovetture nel 2020, 1.67 nel 2021, 1.33 nel 2022 e 1 autovettura dal 2023. Insieme, le modifiche concordate sul phase-in e i supercrediti spostano, in pratica, l entrata in vigore del target di 95gCO2/km al 2023.
Situazione nel 2012 The size of the bubble is proportional to the number of vehicles registered in Europe. Fonte: EEA (2013) CO 2 emissions performance of car manufacturers in 2012
La Germania ha spinto per le modifiche relative ai supercrediti e al phase-in. Italia e Francia, invece, hanno sempre sostenuto proposte più rigida nei confronti di tali modifiche. Non sono mancate le polemiche quando si è scoperto che il partito al governo in Germania, la CDU, ha ricevuto dalla BMW contributi elettorali per 800.000 euro; secondo alcuni osservatori questo può aver influenzato la posizione così permissiva in questa normativa della Germania, paese generalmente all avanguardia nelle politiche su clima e energia.
Andamento delle caratteristiche delle auto vendute da ACEA (European Automobile Manufacturers' Association), rispetto al 1995
Sorgenti primarie di energia Vettori energetici Infrastrutture Generatori di energia Benzina Carbone Olio Diesel Infrastrutture per Carburanti Liquidi Gas Naturale Biodiesel Motori a combustione interna (ICE) Biomasse Eolica Solare Idrica Geotermica Nucleare Etanolo Metanolo Di-Metil Estere Metano GPL Idrogeno Infrastrutture per Carburanti Gassosi Celle a combustibile e motori a combustione interna ibridi Elettricità Schema generale delle tecnologie convenzionali e innovative nel settore trasporti (WBCSD, 2004)
Emissioni di CO 2 dal pozzo alle ruote per diversi percorsi di utilizzo dell idrogeno (IPCC, 2007, WG3, Cap. 5)
A market environment characterized by cost competition and the fact that vehicle manufacturers need to sell cars in order to gain revenue from related products and services, have also created a situation whereby consumer prices for cars have increased significantly less than headline inflation over the last years, de facto making better equipped, cleaner and more powerful cars cheaper than in the past. From the reference point of 2005 until 2012, the purchase price of motor cars has steadily reduced in comparison to average consumer prices. Over the same period the cost of fuel (covered under the operation of personal transport equipment) has increased, as has passenger transport by other modes air, bus, rail and water. Dal 1990 al 2011 in Europa si è registrato un aumento del 40% del numero di auto. In Italia ci sono 600 auto ogni 1000 abitanti
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