Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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Capitolo 1
Emissioni inquinanti da trasporto stradale
1.1 Inquinamento ambientale
Con l’incremento continuo della richiesta di energia e con l’evolversi della
tecnologia e del benessere, nonché con le legittime aspirazioni ad un miglioramento
delle condizioni di vita, ci si è scontrati con il problema dell’inquinamento del pianeta,
ed in particolare dell’atmosfera.
Le fonti inquinanti possono essere naturali o antropogeniche. Esistono, in natura,
sorgenti di sostanze che risultano nocive agli organismi viventi: esse però fanno parte di
un ciclo equilibrato e regolato, su cui vanno a sovrapporsi le emissioni legate all’attività
umana, che, invece, non hanno in genere forme di compensazione. Numerose sono le
sostanze attualmente definite inquinanti e per quanto riguarda l’aria, esse possono
essere sia sotto forma gassosa che di aerosol, cioè di particelle (liquide o solide) in
sospensione.
L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha definito l’inquinamento
atmosferico così:
“L’inquinamento atmosferico si verifica quando una o più sostanze sono presenti
nell’aria ambiente in quantità e per periodi di tempo tali da risultare dannosi agli esseri
umani, agli animali, alle specie vegetali o alle cose e da pregiudicare o deteriorare il
buono stato o l’uso di beni materiali ad un livello quantificabile”.
Molti fattori condizionano l’evolversi di tale fenomeno:
- le caratteristiche delle emissioni inquinanti (la quantità rilasciata, la
concentrazione, le proprietà fisico - chimiche, ecc);
- le caratteristiche della sorgente emissiva (il tempo e l’altezza di rilascio, la
forma della sezione di uscita delle emissioni, ecc);
- le caratteristiche atmosferiche (la velocità e la direzione del vento, la
turbolenza, la composizione chimica dell’aria, ecc).
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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In questi ultimi anni è diventata sempre più preoccupante la qualità dell’aria negli
ambienti urbani, le città sono caratterizzate da un’elevata concentrazione di esseri
viventi, quindi in uno spazio relativamente ridotto, si ha un notevole accentramento di
attività umane, che inevitabilmente influiscono negativamente sullo stato atmosferico
locale.
In città sono presenti molti tipi di sorgenti emissive quali il traffico veicolare, i
sistemi di riscaldamento delle abitazioni, le industrie che possono essere presenti nel
tessuto urbano, ecc. L’impatto ambientale, che tali attività hanno in realtà, non è
limitato solo al rilascio di sostanze inquinanti in atmosfera, ma interessa anche altri
aspetti, come la qualità delle acque, il livello delle emissioni sonore, ecc.
Il trasporto è uno dei settori economici che esercita le maggiori pressioni
sull’ambiente. La recente relazione dell'Agenzia Europea dell’Ambiente (EEA)
individua nel trasporto il settore che più di ogni altro rischia di pregiudicare il
raggiungimento degli obiettivi di politica ambientale dell'Unione Europea.
Le intensità di trasporto sia passeggeri sia merci tendono, in quasi tutti i paesi, a
crescere nel tempo. In Italia l’entità di questo fenomeno è più evidente che in altri paesi
avanzati. Osservando l’andamento del traffico interno sia di passeggeri sia di merci si
nota che l’aumento di mobilità viene quasi completamente assorbito dalla sola strada.
Gli impatti ambientali dei trasporti sono, per la massima parte, legati all’esercizio dei
mezzi. Il movimento dei veicoli stradali, ferroviari, aerei e navali provoca, innanzitutto,
consumo di risorse energetiche da fonti non rinnovabili.
I combustibili fossili costituiscono attualmente la fonte energetica primaria per
tutti i sistemi energetici finalizzati alla trasformazione dell’energia in forma utile.
Benché esistano delle fonti energetiche alternative, con le conoscenze e con il livello
tecnologico attuali, essi sono i soli che sembrano garantire nel breve periodo sia
un’elevata concentrazione energetica (ovvero un alto contenuto di energia per unità di
massa), sia una notevole affidabilità, essendo agevole e versatile il loro utilizzo anche
secondo le necessità. Tutte queste qualità fanno sì che la fonte energetica fossile sia
usata in modo quasi incontrastato nel campo della mobilità.
I processi di combustione dei carburanti utilizzati per muovere i mezzi di
trasporto provocano l’emissione di sostanze (per lo più gassose) dannose agli equilibri
chimico-fisici dell’atmosfera ed alla salute dell’uomo e degli animali (con particolare
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
11
riferimento ai danni all’apparato cardio-circolatorio, respiratorio ed alla produzione di
tumori di varia natura).
Secondo stime ENEA basate sui dati sperimentali, il settore trasporti è stato
responsabile, nel 2002 in Italia, del [1][2]:
• 15% delle emissioni di anidride carbonica (13% i soli trasporti stradali);
• 90% delle emissioni monossido di carbonio (86% il solo traffico su strada);
• 56% delle emissioni di ossidi di azoto (52% solo su strada);
• 80% delle emissioni di Piombo;
• 3% degli ossidi di zolfo (quasi tutti emessi da veicoli stradali).
Il traffico urbano, inoltre, è il maggior responsabile delle emissioni di benzene (per oltre
il 90%) e delle particelle sospese totali (PST, pari a circa il 56%).
La seguente tabella riassume gli effetti ambientali delle principali sostanze
prodotte dall’esercizio dei mezzi di trasporto.
Scala Impatti PST Pb SO
2
NO
x
NM
VOC
CO CH
4
CO
2
NO
2
Locale
Salute, qualità della vita
x x x x x x
Regionale
Piogge acide
x x
Regionale
Smog, Fotochimica
x x x
Globale
Effetto serra indiretto
x x x x
Globale
Effetto serra diretto
x x x
Globale
Riduzione ozono
x
Tabella 1.1 - Impatti delle emissioni territoriali ai vari livelli
Oltre a causare il consumo di risorse energetiche e l’emissione nell’atmosfera di
sostanze inquinanti, il movimento dei veicoli produce rumore; in particolare il traffico
stradale è il principale responsabile di livelli di rumore nelle aree urbane spesso dannosi
alla salute.
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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1.2 Sviluppo sostenibile
Per spiegare il significato di sviluppo sostenibile è necessario riferirsi agli effetti
che l’attività dell’uomo produce sugli ecosistemi naturali. È in questo ambito che si
sviluppa l’idea della gestione sostenibile delle risorse come sfruttamento che non eccede
la soglia della loro capacità di riproduzione. Ed è in questo ambito che si precisa la
distinzione tra risorse rinnovabili, che hanno la capacità di riprodursi o rinnovarsi, e
risorse esauribili, per le quali è invece indispensabile individuare tempi e condizioni del
loro sfruttamento ottimale.
Un sistema di trasporto è sostenibile se limita le proprie emissioni alla capacità
che il pianeta ha di assorbirle, riduce al minimo il consumo di risorse non rinnovabili,
l’occupazione del territorio e il rumore, riutilizza e ricicla i suoi componenti
ogniqualvolta è possibile.
L’esigenza di un trasporto sostenibile nasce, dunque, per sviluppare modalità di
trasporto meno inquinanti, promuovere politiche dissuasive al fine di limitare l’utilizzo
dell’auto nei centri urbani, utilizzare l’energia in modo più efficiente grazie alle nuove
tecnologie.
Infatti, il trasporto è il maggior responsabile del consumo di energia, e continua a
dipendere essenzialmente dai combustibili fossili non rinnovabili. Secondo uno studio
condotto dall’Agenzia Internazionale dell’Energia, AIE, il settore dei trasporti supererà
l’industria nel consumo di energia entro il 2020, e l’energia usata per il trasporto è
stimata in crescita ad un tasso annuale del 2,1%. Entro quella data il mondo consumerà
due terzi di energia in più di oggi [4].
La crescita costante dell’utilizzo di energia farà aumentare le emissioni nocive per
il clima e quindi per la salute dell’uomo. Per ridurre questo problema, sarebbe
conveniente favorire il trasporto pubblico nelle aree urbane, in quanto, ha un
rendimento energetico di gran lungo superiore a quello dell’auto come mostrato
nell’esempio, di massima, che segue:
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
13
Esempio:
Supponiamo di avere un autoveicolo alimentato a benzina, che consuma 5,5 litri
di combustibile per ogni 100 km percorsi, con una sola persona a bordo. Con
riferimento ad una benzina di densità di 0,740 kg/l, si ha:
km
kg
litro
kg
km
litri
⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ 0407 , 0 740 , 0
100
5 , 5
,
che rappresenta la massa di combustibile consumata per ogni km. Assumendo un potere
calorifico per la benzina pari a 44000 kJ/kg calcoliamo l’energia impegnata per km e
per passeggero:
kg
kWh
kWh
kJ
kg
kJ
kg
kJ
Hi 22 , 12
3600
44000
44000 =
⋅
⋅
= = ,
da cui
km
Wh
km
kWh
km
kg
kg
kWh
500 50 , 0 0407 , 0 22 , 12 = = ⋅ .
A questo punto è utile fare un confronto nel caso di utilizzo di un autobus urbano.
Si suppone un consumo di 33 litri per 100 km con a bordo 50 passeggeri, e un valore del
potere calorifico inferiore del gasolio pari a 42500 kJ/kg. Seguendo lo stesso
ragionamento fatto con l’automobile, avremo che:
km
kg
litri
kg
km
litri
277 , 0 840 , 0
100
33
= ⋅ ,
kg
kWh
kWh
kJ
kg
kJ
kg
kJ
Hi 80 , 11
3600
42500
42500 = = = ,
km
Wh
km
kWh
km
kg
kg
kWh
3270 27 , 3 277 , 0 80 , 11 = = ⋅ ,
che rappresenta l’energia consumata per trasportare 50 passeggeri per 1 km;
quella spesa per trasportare un passeggero per 1 km sarà:
passeggero km
Wh
km
Wh
⋅
= 4 , 65
50
3270
,
da cui si deduce che l’energia necessaria al trasporto di una persona con l’autobus è
all’incirca di un ordine di grandezza inferiore.
Questo semplice calcolo di massima evidenzia il netto vantaggio connesso
all’utilizzo dei mezzi collettivi nel trasporto urbano. Più aumenta la quota di mercato
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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del trasporto collettivo minore saranno i consumi di combustibili e dunque migliore sarà
la qualità dell’aria.
Risulta fondamentale dunque a tal fine intervenire sul parco circolante già
esistente adeguando i vecchi autobus, che superano abbondantemente i dieci anni d’età,
alle normative vigenti, o addirittura sostituendoli con nuovi, più efficienti e meno
inquinanti.
1.3 Fonti delle emissioni inquinanti da trasporto
Le fonti di emissioni inquinanti sono sostanzialmente quattro, e sono:
• emissioni dal serbatoio;
• emissioni dal sistema di alimentazione
• emissioni dal basamento
• emissioni dallo scarico
I primi tre tipi di emissioni sono fortemente influenzati dalla volatilità del
combustibile, per cui sono caratteristiche dei motori ad accensione comandata e
trascurabili nei motori ad accensione per compressione. C’è da evidenziare comunque
che nel caso di motori alimentati con combustibili gassosi, l’impianto di alimentazione è
a tenuta quindi le perdite per evaporazione sono praticamente nulle.
Le emissioni dal serbatoio dipendono dal grado di riempimento e dalla
temperatura ambiente, mentre, quelle dal sistema di alimentazione dipendono dalla
temperatura del motore oltre che da quella esterna.
Le emissioni dal basamento si hanno in quanto il combustibile, trafilando
attraverso le fasce elastiche dal cilindro al carter, evapora nell’ambiente esterno. A tal
riguardo è stato introdotto il sistema blow-by (obbligatorio) che immette i vapori di
combustibile, presenti nel basamento, nel collettore di aspirazione a vantaggio delle
emissioni. Queste elencate, sono fonti comunque trascurabili rispetto alle emissioni allo
scarico.
Per capire meglio come si formano gli inquinanti allo scarico è necessario
introdurre il concetto di combustione.
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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La combustione nei motori a c.i. è un complesso processo chimico-fisico
mediante il quale una certa quantità di combustibile, immessa nel mezzo comburente
aria, in opportune condizioni, libera una determinata aliquota di calore in maniera
alquanto rapida.
Se il combustibile fosse esclusivamente di idrocarburi e la combustione fosse
completa, la miscela compressa nella camera di combustione, bruciando si
trasformerebbe in vapor d’acqua (H2O), biossido di carbonio (CO2) e azoto (N2).
L’azoto, gas inerte presente nell’aria, non prende parte alla combustione.
In pratica, però, la combustione non è completa e fra i prodotti della combustione
si trovano anche aliquote di altri gas quali monossido di carbonio (CO), idrocarburi
incombusti (HC), ossidi di azoto (NOx), particolato ed altre impurità.
Il fluido di lavoro è formato inizialmente dall’aria e dal combustibile ed in seguito
dai gas prodotti dalla combustione. La sua composizione chimica varia così durante il
ciclo operativo. Il fluido è costituito, quando entra nei cilindri, da una miscela di aria e
benzina nei motori ad accensione comandata, da sola aria nei motori ad accensione per
compressione. Dopo la combustione il fluido è espulso sotto forma di gas di scarico, fra
i quali alcuni, essendo nocivi, sono causa di inquinamento dell’atmosfera circostante.
I principali elementi nocivi presenti nei gas di scarico sono:
• ossido di carbonio (CO);
• idrocarburi incombusti (HC);
• ossidi di azoto (NOx);
• anidride solforosa (SO2);
• particolato;
• benzene;
• idrocarburi policiclici aromatici (IPA);
• aldeidi.
Mentre l’H2O e la CO2 si dissolvono naturalmente nelle acque e nel suolo e per
assorbimento da parte della vegetazione, le altre emissioni restano nell’aria. La CO2
rappresenta, comunque, uno dei principali responsabili dell’effetto serra.
Il CO è un gas inodore ed invisibile ma è il componente più tossico presente nei
gas di scarico; quando raggiunge nell’aria una percentuale dello 0,3% in volume diventa
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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letale in 20 minuti. Si forma soprattutto in combustioni ad elevate temperature ed in
difetto di ossigeno.
Gli idrocarburi (HC) in percentuale elevata producono effetti fisiologici, danni
alle piante, riduzione di visibilità. Derivano dalla non completa combustione del
combustibile, dal combustibile che non ha preso parte alla combustione ed anche
dall’olio combustibile che trafilato attraverso le fasce elastiche si trova in camera di
combustione.
Gli ossidi di azoto (NOx) possono causare in seguito a complesse reazioni
chimiche, cui partecipano anche gli HC, e per effetto della luce solare, smog e piogge
acide con effetti nocivi agli occhi ed alla respirazione. In particolare l’NO si lega
all’emoglobina, mentre gli ioni NO
2
e NO
3
, prodotti nel metabolismo dagli NO
x
, sono
ritenuti responsabili di danni al sistema respiratorio ed alle membrane cellulari. La
formazione di tali ossidi avviene ad alte temperature e sono presenti nei gas di scarico
per effetto del congelamento delle reazioni di riduzione.
L’anidride solforosa (SO2) è presente nei gas di scarico quando nei combustibili
c’è zolfo (il gasolio ne contiene una percentuale che non supera 0,1 ÷ 0,2% in peso, nel
caso del biodiesel si parla di parti per milione). Ha effetti fisiologici, danneggia la
vegetazione, causa corrosioni, smog, piogge acide e cattivo odore.
Il particolato è un complesso di particelle costituito da carbonio, solfati, nitrati,
sul quale sono adsorbite particelle di idrocarburi pesanti. Lo si può scindere in due
frazioni quale:
- la frazione organica solubile (SOF)
- la frazione insolubile (INSOL)
Il SOF e costituito da idrocarburi più leggeri adsorbiti sulle particelle emesse allo
scarico, mentre l’INSOL è costituito per lo più da carbonio grafitico. Le particelle più
piccole di particolato (5-10 µm) rimangono in sospensione in atmosfera e possono
essere inspirate dall’uomo, quelle più pesanti (60-70 µm) sono responsabili del fumo
nero allo scarico. La formazione del particolato avviene soprattutto in carenza di
ossigeno.
Il benzene (C
6
H
6
) è il capostipite della famiglia degli aromatici, ed è usato per
aumentare il numero di ottano delle benzine. I vapori di benzene sono altamente
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
17
cancerogeni, è classificato nella categoria 1 nella lista dei livelli di evidenza
cancerogena delle sostanze inquinanti.
Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sono in assoluto le sostanze più
cancerogene emesse allo scarico dei veicoli.
Le aldeidi sono anch’esse altamente tossiche e provocano edemi ed emorragie
polmonari. In particolare la formaldeide, la più nociva fra le aldeidi, è classificata al
livello 2A di cancerogenicità [3].
1.4 Procedure e norme per la determinazione degli inquinanti regolamentati
Fra tutti gli inquinanti descritti, l’attuale normativa prevede la regolamentazione
delle seguenti sostanze:
• ossido di carbonio (CO);
• idrocarburi incombusti (HC);
• ossidi di azoto (NO
x
);
• particolato.
Tutte le normative prescrivono dei limiti alle quantità in massa, di ciascuna
sostanza inquinante, emesse allo scarico dei motori dei veicoli durante i cicli di prova
imposti. I cicli di prova sono effettuati su banchi prova dinamometrici e possono essere
di tipo stazionario o di tipo dinamico a seconda che le emissioni siano valutate
rispettivamente in corrispondenza di specifici punti di funzionamento o durante il ciclo
di prova.
Le normative attualmente esistenti sono quella europea, americana e giapponese.
La normativa d’interesse a questo lavoro di tesi è quella europea per veicoli pesanti. La
normativa europea si distingue, infatti, in una normativa per veicoli leggeri ed una per
veicoli pesanti.
Per i veicoli leggeri la determinazione delle emissioni inquinanti è eseguita,
sottoponendo l’intero veicolo ad un ciclo di prova denominato ECE 15 (UDC+EUDC),
su un banco a rulli.
Nel caso di veicoli pesanti (peso complessivo a terra maggiore di 3,5 tonnellate) la
determinazione delle emissioni inquinanti viene effettuata valutando le emissioni
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
18
inquinanti seguendo un ciclo di prova ECE R49 (denominato “13 modi”). La prova di
tipo stazionario, a differenza del caso dei veicoli leggeri, è effettuata montando sul
banco dinamometrico solo il motore.
Il ciclo cosiddetto a 13 modi prevede il funzionamento del motore in 13 specifici
punti, individuati in successione come segue:
- al minimo;
- a velocità intermedia con 5 carichi crescenti, dal 10% al 100% del carico
massimo a tale velocità;
- al minimo;
- alla velocità massima con 5 carichi decrescenti, dal 100% al 10% del carico
massimo a tale velocità;
- al minimo.
Dai limiti Euro ІІІ in poi, i cicli prova di riferimento sono quello ESC e quello
ELR come mostrato in tabella 1.2.
A questo punto si può passare alla misura delle concentrazioni volumetriche delle
emissioni di CO, HC, NO
x
in ciascun punto del ciclo e delle corrispondenti portate
massiche di aria e di combustibile. Si può poi risalire, tenendo conto del peso
molecolare medio dei gas combusti, alle portate molari orarie delle singole specie
inquinanti. Sulla base del peso molecolare della singola specie inquinante si può quindi
ricavare la relativa portata massica oraria. Ciascun valore di portata massica oraria,
relativo a ciascun punto di funzionamento e a ciascuna specie inquinante, è considerata
con il fattore di peso corrispondente. I fattori di peso corrispondenti a ciascun punto di
misura sono evidenziati nel seguente grafico:
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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Figura 1.1- Ciclo ECE R49 (13 modi)
Il valore finale da confrontare con i limiti, che sono espressi in g/kWh, viene
ottenuto rapportando la sommatoria delle singole portate orarie, moltiplicate per i
rispettivi fattori di peso, alla sommatoria delle corrispondenti potenze, considerate con
gli stessi fattori di peso.
Una volta ottenuti i valori delle singole specie inquinanti, essi andranno
confrontati con i limiti che sono dettati dalla normativa vigente. È ovvio che il veicolo
che si va a testare farà riferimento ai valori vigenti nel periodo di immatricolazione del
veicolo; nel nostro caso si farà riferimento ai limiti EURO 2.
Di seguito si riporta la variazione dei limiti per i motori diesel pesanti, imposti a
partire dai limiti EURO 1 fino a quelli EURO 5. I limiti sono espressi in g/kWh mentre
la fumosità in m
-1
:
Cap.1- Emissioni inquinanti da trasporto stradale
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Data e
categoria
Ciclo di
prova
CO HC NO
x
PM Fumosità
1992, < 85kW 4.5 1.1 8.0 0.612
Euro І
1992, > 85kW 4.5 1.1 8.0 0.36
1996.10 4.0 1.1 7.0 0.25
Euro ІІ
1998.10
ECE R49
4.0 1.1 7.0 0.15
1999.10
EVVs only
1.5 0.25 2.0 0.02 0.15
Euro ІІІ
2000.10 2.1 0.66 5.0
0.10
0.13
*
0.8
Euro ІV 2005.10 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5
Euro V 2008.10
ESC & ELR
1.5 0.46 2.0 0.02 0.5
*
per motori con cilindrata per cilindro <0.75 dm
3
e velocità di rotazione <3000 giri/min.
Tabella 1.2- Evoluzione dei limiti delle emissioni inquinanti
In giallo sono riportati i valori presi come riferimento per l’attività di tesi svolta.
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