Le emissioni dai trasporti su strada Ing. Stefano Caserini ... · particolato), sui veicoli, peso, accessori) e sui carburanti • Riduzione dei km percorsi Obiettivo: ridurre gli

Ordine degli Ingegneri della Provincia di BergamoSeminario: Traffico veicolare e inquinamento dell’aria

Bergamo, 9 giugno 2014

Le emissioni dai trasporti su strada

Ing. Stefano CaseriniLEAP

D.I.C.A., Politecnico di Milano [email protected]

www.caserinik.it@Casereinik

S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014

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 CO2 e carbon footprint dei mezzi di trasporto.

• Strategie di mobilità sostenibile (pedonalità, mobilitàciclistica, car pooling, car sharing).


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

Il sistema della mobilità è un elemento di importanza

fondamentale e di grande criticitànelle città


Emissioni allo scaricoscarico:PM10, NOx, CO, SO2, COV (idrocarburi, benzene,

1-3 butadiene, formaldeide, acetaldeide, benzo(a)pirene)

Emissioni evaporativeevaporative(composti organici

volatili che evaporano dal carburante)

Emissioni di PM10da abrasione:

- freni- pneumatici

- abrasione asfalto

(un autoveicolo inquina anche da fermo)

EMISSIONI DA TRAFFICO


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 emissioneemissione 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.)


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

US-EPA - Clearinghouse for Inventories & Emissions Factorswww.epa.gov/ttn/chief/index.html

Dati Lombardia - Inemarwww.inemar.eu/xwiki/bin/view/InemarDatiWeb/Fattori+di+emissione+medi+da+traffico

ERMES (European Research on Mobile Emission Sources) Group: ERMES (European Research on Mobile Emission Sources) Group: gruppogruppo di studio di studio europeoeuropeo sui sui fattorifattori di di emissioneemissione

Fattori di emissione


Fattori di emissione da traffico in Europa: metodologia COPERT IV

Metodologia COPERT (COmputer Programme to calculate Emissionsfrom 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 veicolirappresentativi 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


Cicli di guidaLegislativi UDC

EUDC

RealiARTEMIS urbanoARTEMIS extraurbanoARTEMIS autostradale

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 0 20 0 30 0 40 0 500 600 700 800 90 0 1 00 0

Cycle tim e ( s)

Ve

hic

le s

pe

ed

(k

m/

h)

Urban dense Free-flow urban Congested, stop Congested, Flowinglow speed stable


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 immatricolazioneEuro 0 - ECE 15/04 da 01/01/1985 31/12/1992Euro 1 - 91/441/EEC da 01/07/1992 a 31/12/1996Euro 2 - 94/12/EC da 01/01/1996 a 31/12/2000Euro 3 - 98/69/EC Stage 2000 da 01/01/2000 a 31/12/2005Euro 4 - 98/69/EC Stage 2005 da 01/01/2005 a 31/12/2010Euro 5 da 01/09/2009 a 31/10/2015

Standard alle emissioni - autoveicoli

I limiti valgono per inquinanti quali CO, NOx, HC, PM (non per CO2)


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

Esempio

Curva interpolante

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


Fattori di emissione medi da veicoli a motore nel 2010(fonte: Inemar 2013, ARPA Lombardia)

SO2 NOx COV CO CO2 NH3 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

Tipo di veicolo

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)

SO2 NOx COV CO CO2 PM2.5 PM10 PTS

mg/km mg/km mg/km mg/km g/km mg/km mg/km mg/kmAutomobili 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 39Veicoli a benzina - Emissioni evaporative

benzina verde 127

Tipo di veicolo Comb.


Autoveicoli diesel: minori emissioni specifiche di CO2 (a parità di cilindrata e peso) rispetto ad un veicolo a benzina, ma emissioni nettamente più elevate di PM10, black carbon e NOx.

Fonte: S.Caserini, Aria Pulita2013

(Fonte dati: Arpa Lombardia, Inemar 2010)

Dati in mg/km(eccetto CO2 in g/km)


Stima delle emissioni da traffico

Traffico diffuso (urbano) 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)

Metodologia di stima delle emissioni – Traffico lineare

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.


• 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

Traffico linearesu grandi arterie (autostrade, tangenziali, superstrade, statali,

provinciali)

modello di assegnazione del trafficosu 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

auto primavera feriale

0

4

8

12

16

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

ore

Flus

so %

Composizione annua feriale - tipologia 1

0

1020

30

4050

60

70

8090

100

moto auto leggeri pesanti pesantissimi

classi veicolari

fluss

o %


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/giorno65000 auto10000 comm. leggeri


Metodologia di stima delle emissioni - Traffico diffuso

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

FENPE ⋅⋅=• E = emissioni• P = percorrenza media annua

• N = numero veicoli circolanti (dati delle immatricolazioni)

• FE = fattore di emissione

→ 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

FENPE ⋅⋅=P = benzina: 12000 km/anno;

diesel, GPL e metano: 20.000 km/annoNV = 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

S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Fonte: S. Hausberger, presentazione al Meeting ERMES,. Bruxelles 26-27/9/2011


Azioni possibiliper ridurre le emissioni da traffico stradale

• Riduzione delle emissioni specifiche dei veicoliObiettivo: risparmio di carburanteInterventi sui motori, sui sistemi “end-of-pipe” (es. catalizzatori, filtri anti-particolato), sui veicoli, peso, accessori) e sui carburanti

• Riduzione dei km percorsiObiettivo: ridurre gli spostamenti dei veicoli con maggiori emissioni specificheInterventi pianificatori, infrastrutturali e di gestione della domanda


Misure per risparmiare carburante

transmission withlong gear ratios

start-stopfunction

gear shiftindicator

lightweightseats

carbonengine hood

AGM-battery

downsized engine(1.4l / 125 kW)

low resistance tyreswith high pressure

mirror substitutionheat storage


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 CO2 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 CO2per le auto di nuova immatricolazione.

Questo regolamento fissa in realtà due obiettivi: - 130 gCO2/km, calcolato come valore medio per la flotta di ogni costruttore, da raggiungere entro il 2015

- 95 gCO2/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 CO2 = 130 + a × (M – M0)M = massa media flotta (kg); M0 = 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 CO2 inferiori a 50 g CO2/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 CO2 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 CO2inferiori a 50 g CO2/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.


The size of the bubble is

proportional to the number of vehicles

registered in Europe.

Fonte: EEA (2013) CO2 emissions performance of car manufacturers in 2012

Situazione nel 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 cosìpermissiva 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


Carbone

Olio

Gas Naturale

Nucleare

Eolica

Solare

Idrica

Geotermica

Biomasse

Benzina

Biodiesel

Etanolo

Metanolo

Di-Metil Estere

Metano

GPL

Idrogeno

Elettricità

Sorgenti primarie di energia

Vettori energetici

Infrastrutture

Infrastruttureper

CarburantiLiquidi

Infrastruttureper

CarburantiGassosi

Generatori di energia

Celle a combustibilee motori a combustione

interna ibridi

Motori a combustione interna (ICE)

Diesel

Schema generale delle tecnologie convenzionali e innovative nel settore trasporti (WBCSD, 2004)


Emissioni di CO2 “dal pozzo alle ruote” per diversi percorsi di utilizzo dell’idrogeno (IPCC, 2007, WG3, Cap. 5)



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

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 theoperation of personal transport equipment) has increased, as haspassenger transport by other modes — air, bus, rail and water.



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