IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI: POLITECNICO DI TORINO CORSI DI FORMAZIONE DI III LIVELLO Anno Accademico 2002-2003 IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI: l’impatto dei motori a combustione interna impiegati per il trasporto Mario De Salve (Dip. di Energetica) Federico Millo (Dip. di Energetica)

L’impatto dei motori a combustione interna impiegati per il trasporto La valutazione dell’impatto ambientale dei motori a combustione interna impiegati per il trasporto riguarda essenzialmente attività di ricerca e studio destinate a supportare il legislatore nella definizione di un quadro normativo in grado di garantire lo sostenibilità dello sviluppo economico. Nel seguito si concentrerà l’attenzione esclusivamente sugli aspetti che riguardano l’immissione di sostanze inquinanti aeriformi e di particolato in atmosfera, tralasciando invece altri aspetti quali ad esempio emissioni acustiche, smaltimento di fluidi ausiliari esausti (lubrificanti, liquidi antigelo), fattori di rischio legati allo stoccaggio ed al trasporto di combustibili, etc.

Composizione gas di scarico motori alternativi a combustione interna I motori a combustione interna utilizzano combustibili costituiti da miscele di idrocarburi (CxHy) i quali reagendo con l’aria comburente danno luogo alla formazione di vapor d'acqua H2O e di anidride carbonica CO2 e, nella misura, mediamente, dell'1-2% circa in volume, a sostanze inquinanti, quali: - il monossido di carbonio CO; - gli idrocarburi incombusti ed i prodotti di parziale ossidazione, indicati sinteticamente con HC (spesso indicati anche come VOC Volatile Organic Compounds); - il monossido d'azoto NO ed il biossido d'azoto NO2, indicati sinteticamente con NOx ; - il biossido SO2 e il triossido di zolfo SO3, indicati sinteticamente con SOx; - il particolato (PM), particelle di dimensioni microscopiche costituite da un nucleo solido carbonioso, da una frazione organica solubile e da solfati.

Le emissioni di CO2: l’incidenza del settore trasporti “Dati estratti da docum. Comunità Europea 2001: GREEN PAPER Towards a European Strategy for the security of Energy Supply http://europa.eu.int/comm/energy_transport/en/lpi_en.html” “ Europe contributes only 14 % to total annual worldwide CO2 emissions, far behind Asia (25 %) and North America (29 %). ….. In the European Union, in terms of consumer sectors, electricity generation and steam raising are responsible for 37 % of CO2 emissions, transport for 28 %, households for 14 %, industry for 16 % and the services sector for 5 %…… Some 90 % of the projected growth in CO2 emissions will be from the transport sector. By way of illustration, every year an average car pumps out 2–3 times its own mass in CO2.”

Le emissioni di CO2: gli impegni ACEA L’incidenza percentuale del settore trasporti se si considera il contributo dato dall’Europa a livello mondiale è dunque limitata (circa 4%). Per contro risulta determinante il contributo dato dal settore trasporti alla crescita delle emissioni di CO2. In linea con gli impegni assunti dalla Comunità Europea in base agli accordi di Kyoto nel 1997 (impegno a ridurre nel periodo 2008-2012 le emissioni di CO2 del 6.5% rispetto ai livelli del 1990), l’associazione dei costruttori automobilistici europei (ACEA) si è impegnata a raggiungere nel 2008 un livello di emissioni medio sulle nuove immatricolazioni pari a 140 g/km (corrispondenti a circa 5,8 l/100km per autovetture alimentate a benzina ed a 5,25 l/100km per autovetture alimentate a gasolio), e ad immettere sul mercato a partire dal 2000 modelli con consumo pari od inferiore a 120 g/km (corrispondenti a circa 5 l/100km per autovetture alimentate a benzina ed a 4,5 l/100km per autovetture alimentate a gasolio). L’obbiettivo fissato per il 2008 corrisponde ad una riduzione di consumo del 25% rispetto ai livelli del 1995.

Le emissioni di CO2: gli impegni ACEA

Le emissioni di CO2: gli impegni ACEA

Le emissioni di CO2 da autoveicoli: quadro normativo italiano Il Ministero delle Attivita' Produttive, con circolare del 14 maggio 2003, n.1298, ha fornito le “prime indicazioni relative all'acquisizione dei dati ex art. 4 del decreto del Presidente della Repubblica 17 febbraio 2003, n. 84, recante regolamento di attuazione della direttiva n. 1999/94/CE concernente la disponibilità di informazioni sul risparmio di carburante e sulle emissioni di CO2 da fornire ai consumatori per quanto riguarda la commercializzazione di autovetture nuove”. In particolare …”I costruttori di autovetture sono tenuti …a fornire … l’ indicazione, per ogni modello, del: - tipo di carburante; - valore numerico corrispondente al consumo ufficiale di carburante; - valore numerico corrispondente alle emissioni specifiche ufficiali di CO2”

Le emissioni di CO2 da autoveicoli: la situazione USA The Corporate Average Fuel Economy (CAFE) standards The Energy Policy and Conservation Act of 1975 required passenger car and light truck manufacturers to meet CAFE standards. The CAFE standards are applied on a fleet-wide basis for each manufacturer; i.e., the fuel economy ratings for a manufacturer's entire line of passenger cars must average at least 27.5 mpg for the manufacturer to comply with the standard. If a manufacturer does not meet the standard, it is liable for a civil penalty of $5.00 for each 0.1 mpg its fleet falls below the standard, multiplied by the number of vehicles it produces. For light trucks (including vans and sport utility vehicles) the 1993 CAFE standard was 20.3 mpg. The 1994 and 1995 CAFE standards are 20.5 mpg and 20.6 mpg respectively. Manufacturers earn "credits" for exceeding CAFE standards, and these credits can be used to offset fuel economy shortfalls in the three previous and/or three subsequent model years. (27.5 mpg = 8,56 l/100km)

Le emissioni di CO2 da autoveicoli: la situazione USA The Corporate Average Fuel Economy (CAFE) standards FUEL ECONOMY STANDARDS 27.5

Le emissioni di CO2 da autoveicoli: la situazione USA The Corporate Average Fuel Economy (CAFE) standards

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti Mentre per quanto concerne le emissioni di CO2 una stima delle emissioni sulla base dei dati di consumo globale di combustibile è relativamente agevole (ogni kg di benzina consumato produce circa 3,3 kg di CO2, indipendentemente dalle condizioni di funzionamento del motore, dalle caratteristiche del veicolo, dal tipo di percorso e dalle condizioni di traffico), estremamente complessa è la determinazione dei fattori di emissione per quanto riguarda le specie inquinanti, poiché i meccanismi che presiedono alla loro formazione risultano estremamente sensibili alle condizioni operative del motore. Per questo motivo si possono registrare differenze significative per quanto riguarda la stima del contributo dei diversi inquinanti anche in studi che fanno riferimento allo stesso periodo temporale, a seconda delle assunzioni riguardo ad esempio alla composizione del parco circolante, alla percorrenza media di ciascun autoveicolo, alle condizioni di traffico, etc.

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti Generalmente nei paesi industrializzati (USA, Europa, Giappone) il contributo dei motori a combustione interna impiegati nei trasporti alle emissioni inquinanti può essere quantificato in: Oltre il 70% per le emissioni di CO Oltre il 50% per le emissioni di NOx Circa il 40-50% per le emissioni di HC << 10% per le emissioni di SOx Maggiore variabilità si riscontra invece per le emissioni di particolato

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti Incidenza percentuale delle emissioni da motori a combustione interna nella Comunità Europea agli inizi degli anni ‘90

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti Inquinanti derivanti dal traffico veicolare in Piemonte (dati inventario regionale 2002)

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti - CO U.S. CO Emission Inventory (1997)

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti - NOx U.S. NOx Emission Inventory (1997)

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti – HC (VOC) U.S. HC Emission Inventory (1997)

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti – SO2 U.S. SO2 Emission Inventory (1997)

Le emissioni di inquinanti in atmosfera: l’incidenza del settore trasporti – PM-10 U.S. PM-10 Emission Inventory (1997)

Esempio di Analisi Costi-Benefici DIRECTIVE OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL amending Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery La Normativa regolamenta le emissioni dei motori installati in apparecchiature “off-road” (NRMM) (sono cioè esclusi le autovetture, gli autobus e gli autocarri, per cui esiste una normativa specifica), aventi potenza compresa tra i 19 e 560 kW. Poiché in tale categoria ricadono per lo più motori Diesel, le emissioni da tenere sotto controllo sono essenzialmente NOx e PM.

Esempio di Analisi Costi-Benefici Il primo passo è quello di ottenere una stima del contributo dato dalla categoria di motori in esame alle emissioni inquinanti (“emission inventory”): Secondo gli ultimi dati disponibili (1994) le emissioni annue imputabili ai NRMM sono le seguenti: Successivamente si puo’ effettuare una proiezione per valutare l’impatto dei NRMM se fossero mantenuti i limiti attuali “Stage II“ ( - 40% su NOx e – 60% su PM rispetto ai livelli 1994)

Esempio di Analisi Costi-Benefici Appurato che la proiezione porta a livelli di emissioni inaccettabili (confrontabili con le emissioni degli autoveicoli, pur essendo la “popolazione” dei NRMM numericamente largamente inferiore a quella dei veicoli stradali) il passo successivo è quello di definire i nuovi limiti di emissione (Stage III).

Esempio di Analisi Costi-Benefici Scenario 2 Includes limit values for PM. These can be met by engine modifications (including the use of cooled EGR) in line with the on-road Euro 3 technology. It should be noted that, compared with Stage II emissions, the main reduction in PM is due to the lower sulphur content of the fuel even though engine modifications are expected to reduce emissions still further by another 10%. To meet the requirements of this scenario the use of fuels with a lower sulphur content (max. 350 ppm) must be made mandatory. This scenario needs a longer lead time than Scenario 1 and will not achieve global alignment. Esempio di Analisi Costi-Benefici Scenario 1 It can be met by engine modifications, it could be implemented with a short lead time. It would not however address the issue of emissions of PM. It is therefore questionable whether a proposal based on this scenario would adequately meet the identified environmental needs. In the long term this scenario cannot achieve global alignment since additional PM limit values will be implemented in the USA.

Esempio di Analisi Costi-Benefici Scenario 3 Is based on the assumption that after-treatment equipment is used to reduce emissions of particulates. This technology is already available in the road vehicle sector and, given a reasonable lead time, should be available for most applications in the non-road sector too. Reduction of NOx is in line with Scenario 2. A maximum sulphur content of 50 ppm is required. This scenario could lead to global alignment. Scenario 4 differs from Scenario 3 to the extent that after-treatment equipment is also expected to reduce NOx. As for Scenario 3, a maximum sulphur content of 50 ppm is required. This scenario could lead to global alignment.

Esempio di Analisi Costi-Benefici Scenario 3 Is based on the assumption that after-treatment equipment is used to reduce emissions of particulates. This technology is already available in the road vehicle sector and, given a reasonable lead time, should be available for most applications in the non-road sector too. Reduction of NOx is in line with Scenario 2. A maximum sulphur content of 50 ppm is required. This scenario could lead to global alignment. Scenario 4 differs from Scenario 3 to the extent that after-treatment equipment is also expected to reduce NOx. As for Scenario 3, a maximum sulphur content of 50 ppm is required. This scenario could lead to global alignment.

Esempio di Analisi Costi-Benefici Una volta individuati limiti appropriati, è necessario valutarne costi e benefici:

Esempio di Analisi Costi-Benefici

Esempio di Analisi Costi-Benefici The marginal costs differ widely depending on where the emissions take place. In 1999 80% of the population in EU lived in urban areas. However, since a large share of the engines is used in the agricultural sector and thus the emissions taking place in rural areas the following assumptions are made concerning the use of and the emissions from NRMM: 50% of the emissions take place in rural areas, 30% in cities with 100.000 inhabitants, 8% in cities with 500.000 inhabitants 2% in cities with more than 1 million inhabitants. Under those assumptions the benefits will be the following: NOx – 4200 €/tonne PM – 36420 €/tonne SO2 – 8220 €/tonne

Esempio di Analisi Costi-Benefici

Esempio di Analisi Costi-Benefici According to data received from CECE and CEMA the distribution of engines amongst the different powerbands are the following: By using those shares an overall cost-benefit analyses can be made:  Total costs – benefits: 0,22·562+0,34·712+0,37·444+0,07·(-8.662)= -76 Based on the data above and on data given by equipment manufacturers on the distribution of different engine sizes in Europe the overall benefits of the package proposed for the NRMM engines shows that the benefits per engine are about 75 Euro higher than the costs. The same calculation indicates that the overall result is due to high benefits for larger engines.

Esempio di Valutazione dell’impatto ambientale: calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli Risultati del progetto MEET (Methodologies for Estimating air pollutant Emissions from Transport) Basic principles The main sources of emission from road vehicles are the exhaust gases and hydrocarbons produced by evaporation of the fuel. When an engine is started below its normal operating temperature, it uses fuel inefficiently, and the amount of pollution produced is higher than when it is hot. where: E is the total emission Ehot is the emission produced when the engine is hot Estart is the emission when the engine is cold Eevaporative is the emission by evaporation (only for VOC)

Calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli Each of these contributions to the total emission depends on an emission factor and one or more parameters relating to the operation of the vehicle, so that in general: where: Ex is one of the contributions to total emissions ex is an activity related emission factor a is the amount of traffic activity relevant to this type of emission The parameters ex and a are themselves functions of other variables.

Calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli For hot emissions, the activity related emission factor, ehot, is expressed primarily as a function of the average speed of the vehicle. Modification factors (which may themselves be functions of other variables) allow corrections to be made for features such as the road gradient or the load carried by a vehicle. The activity, a, is then the amount of operation (vehicle.kilometres) carried at a particular average speed, on roads with a certain gradient, for vehicles with a certain load. These principles apply, with some exceptions, to all pollutants and vehicle types, but different classes of vehicle behave differently and relationships between emissions and operating characteristics vary for each pollutant. For that reason, an estimate of emissions from mixed traffic must be made as a summation of emissions from each homogeneous vehicle class in the traffic, and where the area studied contains roads with different traffic behaviour, this must also be taken into account. And, of course, this must be done separately for each pollutant.

Calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli The longest established method for the emission factor calculation exploits the fact that average emissions over a trip vary according to the average speed of the trip. The characteristic shapes of the speed emission curves are well known: they generally show high emissions at slow average speeds when the vehicle operation is inefficient because of stops, starts and delays, a tendency to high emissions at high speeds because of the high power demand on the engine, and minimum emissions in the middle speed range.

Calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli It is clear, though, that a certain average speed may be achieved in a number of different ways: a ten minute trip at an average of 40 km/h could be driven constantly at 40 km/h, for 5 minutes at 80 km/h with a 5 minute delay or any way between these extremes. Because of the possible differences in operation at the same average speed, other methods have attempted to classify the vehicle operation to take this into account. Trips are specified by the vehicle speed, but also by another variable that defines the amount of speed variation. This second variable is usually the acceleration rate, or the product of the speed and acceleration. This type of model no longer attempts to calculate average emissions for a trip, but assigns an emission rate to each instantaneous combination of the two chosen variables (the timescale is usually every second). Data for these instantaneous models are derived from continuous measurements of speed (from which the second operational variable can be calculated) and emissions. Emission rates corresponding with operating conditions in certain bands are combined to provide a twodimensional matrix of emission factors, classified by the two operational variables.

Calcolo dei fattori di emissione da autoveicoli