1. Introduzione - Arpae Emilia-Romagna · 1. Introduzione 1.1 Cosa sono le polveri atmosferiche L'insieme delle particelle sospese in atmosfera (P.M. dall'inglese "Particulate Matter",

1. Introduzione 1.1 Cosa sono le polveri atmosferiche L'insieme delle particelle sospese in atmosfera (P.M. dall'inglese "Particulate Matter", materiale particellare) viene spesso identificato in funzione della sua granulometria. Il loro diametro è compreso tra circa 0,005µm e 150µm (lo spessore di un capello umano è di circa 100µm): all'interno di questo intervallo le polveri atmosferiche sono suddivise in:

• frazione 'coarse', cioè grossolana: con diametro superiore ai 2.5µm; questa ricomprende anche le PM10, cioè le particelle con diametro fino a 10 µm

• frazione 'fine' cioè sottile: con diametro inferiore ai 2.5µm • frazione 'ultrafine': con diametro inferiore a 0.1µm

Le polveri PM10 e PM2,5 presentano un interesse sanitario superiore rispetto alle polveri grossolane perché tanto inferiore è la dimensione delle particelle, tanto maggiore è la loro capacità di penetrare nell'apparato respiratorio. Generalmente tali particelle sono costituite da una miscela di sostanze quali: ioni inorganici come nitrati e solfati, carbonio organico ed elementare, materiale inerte di origine crustale, metalli e particelle liquide. Tale composizione dipende essenzialmente dal processo di formazione delle stesse particelle e dalle sostanze con cui sono giunte a contatto nella loro permanenza in atmosfera. Le concentrazioni di polveri fini in aria raggiungono valori elevati soprattutto durante la stagione invernale in presenza di condizioni che impediscono la dispersione degli inquinanti come alta pressione, elevata stabilità atmosferica e assenza di precipitazioni. Le polveri atmosferiche possono essere di origine naturale o antropica. Le più importanti sorgenti naturali sono riconducibili a erosione eolica ed in generale a risospensione di materiale inorganico prodotto da agenti naturali (vento e pioggia), aerosol biogenico (spore, pollini e frammenti vegetali) e marino, incendi boschivi ed emissioni vulcaniche. Le più rilevanti sorgenti antropiche sono costituite da processi di combustione industriale e di biomasse, dai trasporti, da alcuni processi industriali e dalla combustione incontrollata di residui agricoli. I rapporti relativi di queste fonti dipendono dalla zona e dal periodo dell'anno. In generale si può affermare che le polveri grossolane sono prevalentemente di origine naturale, le polveri più fini hanno invece origine antropica. Anche le dimensioni delle polveri di origine antropica, tuttavia, si diversificano in funzione del processo che le ha generate: il particolato derivante dai processi di combustione (scarichi da autoveicoli, centrali termiche, ecc.) è caratterizzato in massima parte da granulometrie inferiori a 1÷2,5 µm, mentre quello derivante da processi meccanici di usura, macinazione, strofinamento (es. usura di freni e gomme degli autoveicoli, usura del manto stradale, ecc.) e risospensione del particolato dal suolo a causa del transito dei veicoli e del vento è prevalentemente caratterizzato da dimensioni superiori a 2,5 µm. Le particelle solide sono originate non solo per emissione diretta (particelle primarie) ma anche per reazioni chimiche e fisiche in atmosfera a partire da percursori quali ossidi di azoto e zolfo, ammoniaca, composti organici volatili e ozono. Le polveri atmosferiche cosiddette "secondarie" sono costituite da solfati, nitrati, composti organici e ammoniacali e sono caratterizzate prevalentemente dalle granulometrie tipiche delle particelle fini (inferiori a 1÷2,5 µm) e ultrafini (inferiori a 0,1 µm). Una fonte importante di polveri nelle aree urbane è dovuta ai trasporti soprattutto diesel di vecchia generazione. Altrettanto certo è il legame fra la cilindrata del veicolo e la quantità del particolato prodotto: più potente è il veicolo e maggiore è la quantità di particolato prodotto. I mezzi pesanti sono infatti i veicoli più inquinanti, seguiti dai commerciali leggeri e dalle automobili. Una fonte di minore importanza è legata in generale all'usura dei freni,

Relazione Tecnica relativa al Progetto di ricerca finalizzato all’abbattimento del particolato nei motori diesel – II PARTE – Delibera CIPE n.17/03settembre 2005 – agosto 2009 Arpa Ferrara

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dei pneumatici, del manto stradale e delle frizioni, nonché al risollevamento delle frazioni depositate sulla carreggiata dovuto allo stesso traffico. 1.2 Storia del Progetto di ricerca finalizzato all’abbattimento del particolato nei motori Diesel Tra la fine del 2003 e l’inizio del 2004, l’Arpa Sezione di Ferrara venne a conoscenza delle ricerche condotte dal Prof. Ing. Colamussi Arturo in merito alla realizzazione di un dispositivo per l’abbattimento del particolato nelle emissioni dei motori Diesel. Il sistema aveva una caratteristica molto interessante ai fini della protezione della qualità dell’aria nell’ambiente: la filtrazione era puramente fisica, non vi erano catalizzatori e quindi non vi era pericolo di emissioni secondarie che costituivano la principale preoccupazione per tutti i sistemai di abbattimento e rigenerazione esistenti sul mercato.

Alla luce dei primi risultati ottenuti, si ravvisò l’opportunità e l’utilità di una collaborazione tra l’ARPA Ferrara e l’Ing. Colamussi, in particolare per l’effettuazione di una serie di sperimentazioni e relative misurazioni di notevole interesse per l’Agenzia nella sua funzione di soggetto preposto alla tutela/miglioramento della qualità dell’aria, rilevata la crescente e preoccupante situazione di criticità nel contesto urbano, principalmente per l’aumento della presenza delle polveri sottili.

Arpa decise di dare avvio ad un programma di lavoro tendente a certificare l’efficacia del sistema e contemporaneamente a verificare la reale possibilità di installazione su mezzi di trasporto urbano e di servizio in accordo col Centro Prove Autoveicoli di Bologna.

Le principali fasi di attuazione del progetto furono: • Messa a punto sistema filtrante e controllo della temperatura dei gas di

scarico; • Effettuazione misure per valutare efficienza filtrante; • Analisi gas di combustione; • Misure opacimetriche; • Verifiche del sistema di filtraggio tramite test di idoneità VERT

(Verminderung der Emissionen von Realmascinen im Tunnelbau). • Sperimentazione su autobus messi a diposizione azienda locale trasporto

pubblico. Le caratteristiche di questo filtro sono innumerevoli, possiamo semplificarle dicendo che il sistema filtrante è costituito da carta da filtro che presenta grande superficie ed un piccolo volume. I risultati ottenuti dalla prima parte della ricerca, effettuata tra il 2004 e 2005 con finanziamento ricevuto dalla Regione Emilia Romagna, specificatamente con deliberazione di Giunta Regionale n. 630/2003 in attuazione della delibera CIPE 36/02, sono stati estremamente incoraggianti e possono essere riassunti sinteticamente di seguito:

• prove condotte presso l’Università di Biel-Bienne secondo le norme messe a punto dal VERT hanno dimostrato una efficienza di filtrazione delle nanoparticelle fino a 0,1µ del 99.8 % , misurata sul numero di particelle, con totale assenza di emissioni secondarie e con una perdita di carico, vale a dire contropressione, inferiore a 50 mbar. E’ inoltre conseguito anche un buon abbattimento di idrocarburi policiclici aromatici e sostanze organiche emesse;


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• il sistema è stato inserito nella lista VERT vale a dire nella lista dei filtri antiparticolato da installare su mezzi circolanti heavy-duty;

• le prove eseguite per oltre 100000 km di percorrenza urbana su di una piccola flotta di 20 autobus pre euro della ACFT hanno indicato una autonomia (intervallo fra le sostituzioni delle cartucce) variante da 3.000 a 10.000 km a secondo dello stato del motore e del numero di cartucce installate;

Il dettaglio dei risultati ottenuti nella I fase della ricerca (termine 30/06/05) sono esplicitati nella Relazione Tecnica finale (luglio 2005). In tale elaborato non erano state descritte in modo dettagliato alcune prove in campo relative all’installazione del sistema filtrante rispettivamente su un mezzo di raccolta rifiuti, su un furgone DAILY e su un autobus snodato. Per avere la completa elencazione dei risultati ottenuti nella prima fase della ricerca, si riportano di seguito gli esiti di suddette prove. Compattatore AGEA Nel periodo da giugno 2004 a marzo 2005 il sistema filtrante oggetto di questa ricerca è stato sperimentato anche su un mezzo di raccolta rifiuti di AGEA (ora HERA), definito in seguito compattatore.

Il sistema filtrante aveva due cartucce ed lo scambiatore di calore per il raffreddamento era sistemato sotto il telaio. Il filtro antiparticolato in questione è stato montato sul compattatore AGEA n° 1247 in data 23/06/2004 quando il contachilometri dello stesso segnava km 180961. Le caratteristiche del motore sono: Costruttore e tipo Renault V I BA02D2 44D3 AUSTERAS3B44 002 Cilindrata 9834 (cm3) N° giri/min 2200 (rpm) Potenza 222 (kW) N° cilindri 6 Modalità combustione Turbocompresso Prima immatricolazione 09/05/1995


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Inizialmente il filtro è stato “invecchiato”, cioè sono stati percorsi circa 20 km per dare la possibilità al filtro di seccarsi completamente dall’umidità contenuta nella carta filtrante; successivamente sono state eseguite due prove che chiameremo “prova del bianco” e “prova opacimetrica”. Le prove hanno dato i seguenti risultati: - prova del bianco: tessuto bianco - prova opacimetrica: 0.01 (1/m) Il compattatore ha poi iniziato la normale routine di lavoro. In data 31/08/2004 è rientrato nella ditta che aveva montato il filtro per un controllo effettuato da tecnici specializzati. Il contachilometri del compattatore segnava km 184749, quindi il filtro aveva lavorato per km 3788. Prima della sostituzione del filtro sono state eseguite le solite prove tecniche di cui sopra con i seguenti risultati: - prova del bianco: tessuto nero - prova opacimetrica: 0.07 (1/m) Dai risultati delle prove sopra riportati si è deciso di sostituire la cartuccia filtrante. Riportiamo di seguito la tabella dei dati rilevati nel periodo in cui il sistema filtrante è rimasto montato sul compattatore.

Data installazione

sistema filtrante

Data sostituzione

cartuccia filtrante

Km AGEA iniziali

Km percorsi AGEA con

filtro P 1500 rpm

[mbar]

P 2500 rpm

[mbar] 01/12/2004 189400 0 0 0

22/03/2005 192962 3562 0 5

31/08/2004 184749 0 0 0 01/12/2004 189400 4651 16 29

23/06/2004 180961 0 0 3 31/08/2004 184749 3788 14 24

Sono state fatte anche altre prove sullo stesso mezzo che vengono riportate di seguito:

RPM

Contropressioneprima marmitta

(mbar)

Contropressionedopo marmitta

(mbar)

Temperatura dopo

marmitta (°C)

800 20

carico e compatt. 0 135

1400 20

in marcia 0 220

800 20


800 40


1500 50

in salita 0 230

800 25

in salita 0 125 1800 100 30/35 280


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Le prove eseguite hanno dimostrato una autonomia di 3 mesi. Furgone DAILY Sempre durante la prima fase di progetto è stato sperimentato il sistema filtrante anche su un furgone DAILY della Iveco. I dati del motore sono: Costruttore e tipo IVECO 50c13 Cilindrata 2800 (cm3) N° giri/min 3500 (rpm) Potenza 92 (kW) N° cilindri 4 Modalità combustione Turbocompresso Prima immatricolazione 28/06/2000

Il sistema essendo privo di raffreddamento aveva solamente un dispositivo di bypass azionato allorché la temperatura all’ingresso del filtro avesse superato i 180 °C. Nel traffico cittadino, quindi con velocità dell’ordine dei 50-70 km/h, il filtro è rimasto costantemente inserito. Sono state condotte prove i cui dati sono stati riportati nella tabella seguente.

RPM

Temperatura prima valvola

(°C)

Temperatura prima filtro

(°C) km/ora 2300 185 169 70 2300 189 160 70 2100 185 158 60

PERCORSO: PORTOMAGGIORE -

CONSANDOLO 2200 170 150 80 2300 199 150 75 2300 206 161 70 2500 210 170 80


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PERCORSO: ARGENTA - CAMPOTTO

2700 212 162 85 2500 207 160 80

PERCORSO: CONSELICE - IMOLA

3000 250 170 2900 194 147 2900 190 145

Muletto Durante la prima fase del progetto il sistema filtrante venne modificato in modo da poter essere installato su un muletto alimentato a gasolio: le prove preliminari condotte mostrarono esiti positivi di fattibilità anche per tale applicazione. Autobus snodato Ad un certo momento della ricerca, si è pensato di testare l’efficacia del sistema filtrante su un autobus con motore più grande. L’ATC (Azienda di Trasporti Comunali) di Bologna ha fornito un autobus snodato con motore da 300 KW, anziché 200 KW come erano stati provati fino a quel momento. Il tetto dell’autobus snodato è più grande di quello di un autobus classico se preso nel suo complesso, ma è composto da due parti singole di tetto unite da una chiusura a soffietto ed ogni parte singola di tetto è più piccola del tetto di un autobus classico.

Un altro problema notevole è che la parte singola di tetto non solo è più piccola ma ha pure una botola.


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Tutto ciò ha creato svariati problemi logistici sulla disposizione del sistema filtrante, risolti in più fasi e con differenti ipotesi riportate nei disegni seguenti. VERSIONE 1:

- ramo corto, cioè quello caldo, è di circa 6.7 m - ramo lungo, cioè quello freddo, è di circa 20.9 m

VERSIONE 2:

- ramo lungo, cioè quello freddo, è di circa 22 m

VALVOLA MISCELAZIONE

VERSIONE 3: 4 cartucce

Segue, infine, la versione definitiva del sistema filtrante per autobus snodato con potenza da 300 KW.


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VERSIONE 4:

- ramo lungo singolo è circa9.4 m, cioè circa 70% più di prima; - il giro caldo totale è circa 6 m; - il giro freddo totale è circa 15.3 m

Nella conduzione delle attività della prima fase dello studio si erano tuttavia evidenziate altre aree di ricerca per il cui sviluppo erano necessari ulteriori tempi e finanziamenti, concretizzati in un disegno progettuale di proseguimento della ricerca, approvato e finanziato con deliberazione di Giunta Regionale n. 1287/2004 in attuazione della delibera CIPE 17/03. Con deliberazione di Giunta Regionale n. 1245/2007 è stata approvata la convenzione tra la Regione e Arpa Emilia Romagna con contestuale concessione delle risorse finanziarie siglata in data 05/09/07. La seconda fase della ricerca si prefiggeva diverse finalità che possono essere inquadrate in due tematiche principali:

• verifica, evoluzione ed ottimizzazione delle caratteristiche del sistema studiato nella prima fase della ricerca;

• sviluppo di applicazioni di natura diversa dal trasporto ma sempre volte al miglioramento della qualità dell’aria nei centri urbani.

In questa fase sono stati affrontati anche i problemi derivanti dalle esigenze della Motorizzazione per ciò che concerne il rispetto dei dati di omologazione del sistema di scarico dei veicoli. Nei capitoli successivi sono descritte le attività progettuali condotte dal settembre 2005 a tutto agosto 2009 (periodo corrispondente alla durata del progetto) e conseguenti valutazioni.


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