Le emissioni dai trasporti su strada Ing. Stefano Caserini - LEAP - Polimi
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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 CO2 e
carbon footprint dei mezzi di trasporto.
• Strategie di mobilità sostenibile (pedonalità, mobilità
ciclistica, car pooling, car sharing).
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
EMISSIONI DA TRAFFICO
Emissioni allo scarico:
scarico Emissioni di PM10 Emissioni evaporative
PM10, NOx, CO, SO2, da abrasione: (composti organici
COV (idrocarburi, benzene, - freni volatili che evaporano
1-3 butadiene, formaldeide, - pneumatici dal carburante)
acetaldeide, benzo(a)pirene)
- abrasione asfalto
(un autoveicolo inquina anche da fermo)
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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 Fattore di emissione
emissione riferita all'unità di
(es: consumi di combustibile,
attività della sorgente
produzione di materiali,
(es. quantità di inquinante
superficie coltivata, consumo
emesso per unità di
di materie prime, numero di
combustibile consumato, per
capi, distanza percorsa, ecc.)
unità di superficie, per km
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014 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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
Cicli di guida
Legislativi UDC
EUDC
70
Urban dense Free-flow urban Congested, stop Congested, Flowing
60 low speed stable
V e h ic le s p e e d ( k m / h )
ARTEMIS urbano 50
Reali ARTEMIS extraurbano 40
ARTEMIS autostradale 30
20
10
0
0 10 0 20 0 30 0 40 0 5 00 6 00 7 00 8 00 90 0 1 00 0
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014 C y c le 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 CO2)
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
Standard alle emissioni per autoveicoli (g/km)
Sono limiti riferiti a cicli di omologazione.
Su cicli “reali” le emissioni sono diverse, generalmente superiori
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014La 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).
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014COPERT IV: relazione fra consumo di
combustibile e velocità
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014COPERT IV: relazione fra FE idrocarburi totali e velocità S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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 NH3 PM2.5 PM10 PTS
Tipo di veicolo
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
127
evaporative S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Fattori di emissione medi da veicoli a motore nel 2010
(fonte: Inemar 2013, ARPA Lombardia)
SO2 NOx COV CO CO2 PM2.5 PM10 PTS
Tipo di veicolo Comb.
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
benzina verde 127
evaporative
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Autoveicoli 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.
Dati in mg/km
(eccetto CO2 in g/km)
Fonte: S.Caserini, Aria Pulita
2013
(Fonte dati: Arpa Lombardia,
Inemar 2010)
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Stima delle emissioni da traffico
Traffico diffuso (urbano) Traffico lineare
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Metodologia 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.
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Traffico 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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Base 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
Composizione annua feriale - tipologia 1
100 auto primavera feriale
90
16
80
70
12
60
flusso %
Flusso %
50
8
40
30
4
20
10
0
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
moto auto leggeri pesanti pesantissimi
ore
classi veicolari S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Esercizio 1: stima delle emissioni sulla A4 Milano-Bergamo
E = N x L x FE
L = lunghezza tratto stradale (km) = 40 km
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Bollettino semestrale AISCAT
65000 auto
N = numero veicoli = 75000 veic. leggeri/giorno
10000 comm. leggeri
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Metodologia 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.
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Esercizio 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) =
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Grandi 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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Azioni possibili
per ridurre le emissioni da traffico stradale
• Riduzione delle emissioni
specifiche dei veicoli
Obiettivo: risparmio di carburante
Interventi sui motori, sui sistemi “end-
of-pipe” (es. catalizzatori, filtri anti-
particolato), 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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Misure per risparmiare carburante
carbon transmission with AGM-battery
engine hood long gear ratios
gear shift
indicator
lightweight
seats
downsized engine
(1.4l / 125 kW)
low resistance tyres
with high pressure
start-stop
function heat storage
mirror substitution
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Per 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 CO2
per 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.
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Il 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 %. S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Le 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 CO2
inferiori 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
S.Caserini di9 giugno
- Bergamo, 95gCO2/km
2014 al 2023.Situazione
nel 2012
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 S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014La 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.
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Andamento delle caratteristiche delle auto vendute da ACEA
(European Automobile Manufacturers' Association), rispetto al 1995
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Vettori Infrastrutture
Sorgenti primarie Generatori
energetici
di energia di energia
Benzina
Infrastrutture
Carbone
per
Carburanti
Olio Diesel Liquidi
Gas Naturale Biodiesel Motori a combustione
interna (ICE)
Etanolo
Biomasse
Metanolo Celle a combustibile
e motori a combustione
interna ibridi
Eolica
Di-Metil Estere
Solare
Idrica Metano
Infrastrutture
Geotermica GPL per
Carburanti
Gassosi
Idrogeno
Nucleare
Elettricità
Schema generale delle tecnologie convenzionali e innovative nel settore trasporti (WBCSD, 2004)
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014Emissioni di CO2 “dal pozzo alle ruote” per diversi percorsi di utilizzo
dell’idrogeno (IPCC, 2007, WG3, Cap. 5)
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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
S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014S.Caserini - Bergamo, 9 giugno 2014
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www.caserinik.it
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