ROMA ANPA 14-GIU-2001 A. Mattucci D. Palamara. I problemi nascosti nelle correlazioni COPERT: Resistenze al moto. Cicli adottati diversi da quelli reali.

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1 ROMA ANPA 14-GIU-2001 A. Mattucci D. Palamara

2 I problemi nascosti nelle correlazioni COPERT: Resistenze al moto. Cicli adottati diversi da quelli reali. Stile di guida. Parco veicolare preso in considerazione Età dei veicoli Composizione dei carburanti. Necessità di integrare metodologia per veicoli futuri

3 Resistenze al moto Difficile caratterizzazione attraverso le misure a banco, (dipendenza dalla velocità dei veicoli, ecc.) Le resistenze al moto sono tipicamente funzione di rotolamento, caratteristiche inerziali, pendenza, aerodinamica, tipo di pavimentazione stradale, ecc.. La resistenza inerziale è importante specialmente in ambito urbano dove frequenti sono le accelerazioni (è direttamente proporzionale alla massa del veicolo). In ambito extraurbano e autostradale invece i contributi dipendenti dallaerodinamica incidono maggiormente in quanto dipendenti fortemente dalla velocità (a questi contributi devono essere aggiunti anche quelli dipendenti dalle condizioni atmosferiche). La resistenza al rotolamento è notevolmente influenzata dalla pressione di gonfiaggio dei pneumatici (causa di un aumento dei consumi e, spesso, delle emissioni di sostanze inquinanti, poiché esiste generalmente una certa proporzionalità tra consumi ed emissioni, almeno per alcuni inquinanti). Leffetto della massa può assumere una certa rilevanza, considerando che i veicoli possono viaggiare in diverse condizioni di carico.

4 Cicli adottati diversi da quelli reali. É da ricordare che la schematizzazione COPERT, che prevede correlazioni in cui le emissioni sono dipendenti dalla velocità media, contiene notevoli semplificazioni, in quanto in condizioni reali di esercizio di un veicolo raramente si avrà un regime di marcia a velocità costante. Ciò è importante in special modo, in ambito urbano, dove anche nelle ore di morbida sono frequenti le situazioni di stop and go. Basti pensare a situazioni provocate dalla presenza dei pedoni, dei semafori, degli incroci in genere, dei veicoli in manovra per ricerca parcheggio o quant'altro che richiedono continue modifiche della velocità dei mezzi. Unaltra assunzione, alquanto importante per un uso attento della metodologia, è quella legata alla lunghezza dellitinerario medio dei veicoli. Ciò nasce dalla necessità di tener conto nei calcoli che le caratteristiche emissive, specialmente per i veicoli catalizzati, variano notevolmente in dipendenza della temperatura cui lavora la marmitta. Perciò, fin tanto che non si è riscaldato il convertitore, si hanno emissioni inquinanti generalmente più alte, che si riducono fortemente allorché la marmitta è a regime. Nella metodologia COPERT, pertanto, viene imposto un valore per la lunghezza degli spostamenti, ottenuto evidentemente attraverso una serie di considerazioni. In sostanza si fa lipotesi che, per un dato veicolo, ciascuno degli spostamenti sia di tipo sistematico e che possa essere rappresentato attraverso ununica lunghezza. Nella realtà le condizioni sono ben diverse. Uno dei maggiori pregi dellauto (almeno di quelle a combustione interna) è proprio la sua capacità di essere un mezzo estremamente flessibile, garantendo un tipo di uso che si adatta facilmente a diversi tipi di esigenza (non a caso alcune delle nuove tecnologie stentano a decollare in quanto non hanno gli stessi standard di flessibilità). È quindi possibile far uso di unautovettura sia per gli spostamenti sistematici casa-studio e casa lavoro, che si verificano maggiormente in ambito urbano, sia per viaggi più o meno lunghi, prevalentemente afferenti al tempo libero e a scopo di piacere. Imporre quindi per tutti gli spostamenti ununica lunghezza può determinare scostamenti consistenti sul calcolo delle emissioni. Si può quindi prevedere che difficilmente ladozione di una velocità media nelle correlazioni possa fornire risultati simili a quelli ottenibili nei percorsi reali, dove si hanno, per come si è visto, almeno due gradi di libertà in più e cioè il tipo di ciclo e la lunghezza di ciascun percorso. Ad esempio, analizzando questo ultimo elemento, a parità di tutti gli altri elementi, è facile verificare che COPERT tratta uno spostamento sistematico ed uno a scopo di piacere come due spostamenti di lunghezza costante e pari alla lunghezza media, mentre nella realtà possono esistere grosse differenze di lunghezza tra i due tipi di viaggio. Si può anche intuire come questa posizione possa produrre deviazioni sulla valutazione delle emissioni più o meno marcate a seconda delle condizioni operative di calcolo (velocità, durata, ecc.).

5 Stile di guida In questo caso ad essere sotto esame è l'uso non ottimale dei cambi di marcia da parte del guidatore; una guida "calma" ed una "nervosa" possono portare a differenze di parecchi punti percentuali soprattutto in termini di consumi e conseguentemente di emissioni, oltre che impattare negativamente sulla sicurezza degli spostamenti (aumentando la probabilità di incidenti) e sullinvecchiamento del veicolo nel lungo termine, con un degrado significativo delle prestazioni e delle caratteristiche emissive.

6 Parco veicolare preso in considerazione Sono state effettuate più di 9000 prove attraverso luso di circa 2500 veicoli, nellambito del Progetto MEET. Lesigenza di acquisire il più possibile informazioni sperimentali ha fatto sì che i risultati provenienti dai diversi laboratori sono stati comunque presi in considerazione, anche se alcune esperienze non erano state condotte secondo modalità e condizioni di misura sufficientemente simili tra loro. Per certe classi e categorie veicolari, il numero sia di prove sia di veicoli risulta essere molto scarso, con statistiche del tutto insufficienti a garantire stime attendibili. Anche nel caso in cui si ha a che fare con parecchie misure, può accadere che per una certa velocità la dispersione di risultati di emissione copra un intervallo alquanto esteso, il che rende comunque poco attendibile loperazione di media. In questultimo caso lanalisi statistica può evidenziare il verificarsi di questa condizione attraverso lindicazione del parametro R 2, il cui valore, quanto più si avvicina a zero, tanto più indica che la correlazione statistica è affetta da imprecisione. Occorre ricordare che comunque ciascuna delle correlazioni presentate in COPERT è caratterizzata dal relativo R 2, ma ciò non sempre è sufficiente a definire la qualità dei calcoli, poiché nella gran parte di casi interessa determinare il contributo di emissione complessiva, che risulta essere la somma dei contributi di tutte le classi veicolari. Non è detto che ad una certa classe veicolare, la cui statistica in termini di veicoli testati sia insufficiente, corrisponda necessariamente una modesta incidenza sullemissione complessiva della flotta dei veicoli. In tal caso, ove si avesse la concomitanza di un contributo alle emissioni consistente e caratterizzato da un ampio margine di incertezza, lindeterminazione sulla valutazione relativa allintera flotta potrebbe essere alquanto elevata.

7 Età dei veicoli Un altro punto importante è rappresentato dai veicoli non nuovi, presi in considerazione per le misurazioni sperimentali. In COPERT si tiene conto della vetustà dei veicoli considerando come parametro il chilometraggio, che si assume ridotto rispetto ai veicoli appena immatricolati. Linvecchiamento non produce necessariamente un peggioramento drammatico delle prestazioni, se il veicolo viene comunque assoggettato a periodiche revisioni e messe a punto; purtroppo ciò non sempre accade nella realtà. In particolare, per un veicolo poco manutenuto, non solo si assiste ad un notevole logorio delle parti meccaniche (ad esempio la tenuta delle fasce elastiche), ma a ciò viene spesso associato l'uso di carburanti più inquinanti (in Italia questo è un fenomeno abbastanza diffuso) perché in genere più economici, per cui i tassi di emissione di sostanze nocive possono risultare fortemente maggiorati, come descritto al punto seguente.

8 Composizione dei carburanti. In COPERT viene data una giusta attenzione alla composizione dei carburanti in relazione alle quantità ad al tipo delle sostanze componenti. Unapprossimazione del modello, probabilmente dipendente dallattuale diffusione limitata in ambito europeo (ma non in Italia), è rappresentata dai veicoli a gas, per i quali si assume lo stesso comportamento sia per i veicoli a GPL sia per quelli a metano. Per inciso, per i veicoli a gas deve anche essere considerato che la composizione e le caratteristiche chimico-fisiche dei combustibili variano significativamente in relazione alla località di produzione degli stessi. Un altro tipo di differenza importante dellItalia rispetto alla media europea, è identificabile nel fatto che nel nostro paese si è scelto di produrre un unico tipo di benzina pur esistendo sia la benzina verde che la super (ottenuta dalla benzina verde con laggiunta del piombo come additivo antidetonante). Tuttavia la possibilità di utilizzare senza problemi particolari la benzina verde anche da parte dei veicoli a benzina più vecchi non dotati di catalizzatore fa sì che parecchi automobilisti si riforniscano con tale benzina, in quanto consente un risparmio sensibile. Ciò, se da un lato contribuisce positivamente ad abbassare la presenza del piombo nell'aria che respiriamo, dall'altro può contribuire ad inquinare maggiormente ove non sia stata effettuata unadeguata regolazione dell'anticipo dell'accensione. Inoltre, allorquando sarà definitivamente bandita la super, per i motocicli non sarà sufficiente la regolazione dellanticipo quale misura per poter utilizzare la benzina verde. COPERT permette di tenere in considerazione che il consumo di benzina verde può essere maggiore di quello preventivabile, sulla base del numero di veicoli catalizzati presente nella flotta. Tuttavia questa operazione, che viene fatta confrontando i consumi rilevati dai bollettini petroliferi con quelli stimati dal modello, non riflette in maniera del tutto corretta quello che succede nella realtà. Infatti lo strumento assegna leventuale eccesso di consumo di benzina verde solo ad alcune categorie di veicoli non catalizzati, mentre è presumibile che, nella realtà, il fenomeno vada ad interessare tutte le categorie dei veicoli.

9 Necessità di integrare metodologia per veicoli futuri Per come è stato concepito, COPERT non contiene correlazioni che possano essere impiegate per valutare le emissioni dei veicoli di futura generazione. Tale limitazione non investe tutti i campi dimpiego dello strumento, ma uno dei possibili utilizzi più importanti, ovvero quello di valutare lefficacia di politiche di intervento sui trasporti stradali, in termini di emissioni e consumi. Ciò può effettuarsi accoppiando lo strumento con opportuni modelli di previsione degli effetti di tali provvedimenti sul traffico, determinandone i nuovi assetti. A puro scopo informativo si può indicare che esistono già oggi degli strumenti, come il codice TREMOVE capaci di tenere conto di questi aspetti. Ritornando al problema iniziale, ci si accorge che, per i veicoli futuri, mancano le informazioni di base per predirne il comportamento. Il voler surrogare tale veicoli con le correlazioni disponibili porterà inevitabilmente a stime che, rispetto ai veicoli attuali, saranno presumibilmente tanto più incerte quanto più sarà lontano lorizzonte temporale della proiezione da effettuare. Per avere valutazioni non del tutto inadeguate occorrerebbe quindi integrare linsieme delle correlazioni con nuove formule, capaci di predire il comportamento dei veicoli futuri e dei relativi carburanti. La difficoltà di identificare tali formulazioni è chiaramente alta, anche se esistono già indicazioni di carattere sia normativo, sia tecnico e tecnologico che possono aiutare per questo compito. È evidente comunque che il livello di incertezza sulle stime non può essere individuato in alcun modo. In realtà, si è cercato di tener conto di questa problematica generale nello sviluppo di COPERT, per i veicoli EURO III ed EURO IV, che caratterizzano le autovetture che compariranno sul mercato europeo a partire rispettivamente dal 2001 e dal 2005. Per tali veicoli possono essere calcolate le emissioni adottando dei coefficienti di riduzione, che si applicano ai valori di emissione corrispondenti ai veicoli EURO I. È chiaro però che, per questi veicoli, nulla si potrà dire sulla qualità della correlazione, mancando del tutto riscontri sperimentali. Occorre anche osservare che si è cercato di determinare i coefficienti di riduzione adottando un criterio conservativo; pertanto, allorché i nuovi veicoli saranno realmente immessi sul mercato, si dovrebbero misurare valori di emissione minori o uguali a quelli calcolati. Lestensione della metodologia ai veicoli EURO III e IV ha comunque il pregio di far mantenere la stessa schematizzazione a tutti gli utenti della metodologia. Viceversa, ove si avesse la necessità di considerare veicoli che non possono essere catalogati in questo modo (ad esempio veicoli ibridi, a celle a combustibile, ecc.), fatalmente lutente dovrebbe costruirsi delle sue specifiche correlazioni. Lintroduzione delle nuove correlazioni avrà però come conseguenza che i risultati delle elaborazioni non saranno più direttamente confrontabili con quelli ottenibili da altri utenti in situazioni analoghe.

10 Tra le possibili situazioni che possono indurre modifiche importanti sui risultati sono state esaminate quantitativamente: La diversità del ciclo di velocità a parità di velocità media Lincertezza sulla determinazione della velocità media La temperatura ambiente La composizione del parco veicolare

11 La diversità del ciclo a parità di velocità media Questo effetto può essere valutato ipotizzando i due cicli riportati in figura 4 di uguale lunghezza e velocità media pari a 30 km/h, di cui uno a velocità costante. Per questi due cicli si possono calcolare facilmente i consumi e le emissioni complessive al compimento dei percorsi. Per i consumi, espressi in kg, si ottengono i valori riportati nella figura 5. Come si può facilmente notare esistono delle differenze sensibili che si manifestano soprattutto nel caso delle autovetture diesel dove lo scostamento tra ciclo costante e variabile è di –5%. Simili effetti si manifestano sulle emissioni e, ciò che è più grave, le differenze variano a seconda sia delle velocità, sia della tipologia di ciclo, sia della sostanza inquinante considerata. Risulta perciò molto difficile determinare una velocità equivalente che possa essere utilizzata senza problemi per tutti gli indicatori di interesse. Fig. 4 Esempio di cicli di velocità a uguale valore medio 10 20 30 40 50 5 15 25 35 45 204060 Km/h Tempi (min)

12 Incertezza sulla determinazione della velocità media Come si è già visto al punto precedente, considerare due cicli di uguale velocità media non implica necessariamente che si ottengano emissioni medie uguali per ciascuna delle sostanze considerate. Pertanto, quando si vogliono calcolare grandezze integrate, come per gli inventari annuali delle emissioni, non si possono utilizzare meccanicamente i valori di velocità che derivano da modelli di calcolo, perché potrebbero essere non adeguati per fornire stime corrette. A questo proposito si deve anche ricordare che il traffico è condizionato da elevati livelli di aleatorietà per cui, in due diversi giorni e con un ciclo di velocità simile, il valore della velocità media può variare sensibilmente. Per verificare leffetto di velocità si è fornito un diverso valore di velocità a TREMOVE, agendo sulla funzione di congestione ed ottenendo listogramma in figura 6. Lo scostamento imposto é di circa 4 km/h ed è facile immaginare come le variazioni stocastiche da sole possano produrre variazioni di questa entità.

13 Gli effetti indotti sulle emissioni ed i consumi sono alquanto consistenti; come si può desumere dagli istogrammi in figura 7 e 8, che rappresentano rispettivamente le variazioni di consumi ed emissioni rispetto al caso di riferimento. Si può quindi facilmente intuire come variazioni di velocità producono valori sensibilmente diversi da quelli calcolabili utilizzando un valore di velocità costante. Lerrore sulle emissioni si manifesta in particolar modo nei casi in cui si devono calcolare i valori assoluti degli inventari. Per fortuna in parecchie applicazioni è importante acquisire indicazioni solo di carattere relativo e ciò concorre a ridurre lindeterminazione sui risultati, anche allorquando la velocità media viene calcolata da modelli di traffico. Tali modelli sono spesso utilizzati per valutare lefficacia di interventi di pianificazione, fornendo come parametro critico la velocità media. Ad esempio, un aumento della velocità media può essere ottenuto sia regolando e coordinando in modo integrato le temporizzazioni delle intersezioni semaforizzate, sia rendendo più attrattivo il trasporto pubblico, cosa che equivale a ridurre il numero di veicoli presenti contemporaneamente sulla rete stradale e quindi a diminuire le interferenze subite dai veicoli nei loro spostamenti. Per questo tipo di analisi si procede ad un uso dei risultati di tipo relativo, confrontando gli effetti dei provvedimenti con uno scenario di riferimento. Ciò tende a ridurre lerrore complessivo, perché molti errori sistematici possono a compensarsi, in virtù del confronto. Infatti le curve di COPERT hanno andamenti simili, per cui eventuali imprecisioni di carattere sistematico comportano generalmente traslazioni delle curve. Si perviene in sostanza ad un miglioramento della qualità dei risultati.

14 Condizioni di esercizio Sono molteplici i fattori che potrebbero avere influenze significative sulle prestazioni. Non tutti vengono considerati nella metodologia COPERT. Per esempio, leffetto della temperatura ambiente sulle emissioni viene tenuto in conto solamente per le emissioni a freddo ed evaporative. Non viene invece considerato alcun contributo sui fattori di emissione a caldo. Ciò non è del tutto corretto in quanto il rendimento del motore dipende dalle temperature di esercizio. Un ulteriore elemento da non trascurare è costituito dalluso di accessori quali ad es. il climatizzatore, che ormai è largamente diffuso anche sulle vetture di serie. Luso di tali accessori, giustificato nei paesi con climi caldi quali lItalia e quelli Mediterranei in generale, comporta un aggravio sui consumi (in genere per il loro funzionamento è necessario qualche kW di potenza) e di riflesso sulle emissioni. Per le emissioni a freddo il calcolo viene effettuato solo per i veicoli dotati di catalizzatore, fornendo un incremento alle emissioni a caldo, che dipende dal rapporto delle emissioni specifiche nelle due condizioni (freddo/caldo) per la frazione di percorso in cui il catalizzatore opera a temperatura minore di quella di esercizio (300-400 °C). Nessuna ipotesi viene fatta circa lefficienza del catalizzatore stesso, che è in particolare ridotta dai fenomeni di vetrificazione che si verificano quando il catalizzatore supera temperature di 800-900 °C. Le emissioni evaporative sono a loro volta suddivise in diurne, del carburatore (hot soak) e di marcia. Le emissioni diurne sono dovute a variazioni della temperatura ambiente che producono variazioni di pressione dei vapori di benzina, che comportano sfiati degli stessi in aria. Le emissioni da carburatore avvengono allorché il veicolo si arresta e il carburante nella vaschetta del carburatore per effetto di elevata temperatura ambiente evapora. Infine, le emissioni in marcia sono il risultato delle sollecitazioni del serbatoio del carburante che comportano evaporazione della benzina, specialmente se la temperatura ambiente è elevata.

15 Di seguito viene riportato il calcolo delleffetto dellaumento di temperatura ambiente media mensile di 5°C, che si suppone rimanga costante per tutto lintervallo della proiezione. Lincremento adottato è certamente sostanzioso, ma non è del tutto inverosimile alla luce delle variazioni degli ultimi anni. Come si può notare in Fig. 9 gli effetti sulle emissioni appaiono estremamente marcati, soprattutto per quanto riguarda il CO che aumenta di alcune decine di punti percentuali, ma anche gli altri inquinanti variano in modo considerevole. I consumi aumentano a loro volta, sebbene solo di pochi punti percentuali. In particolare la benzina ha un incremento maggiore in quanto è più volatile rispetto al gasolio.

16 La composizione del parco veicolare Le misure effettuate per ottenere le correlazioni vengono ottenute prendendo in esame un gran numero di veicoli rappresentanti una media del parco veicolare circolante europeo. Tale criterio può però portare a delle distorsioni dei risultati, poiché è molto difficile che il parco veicolare di un singolo Paese coincida con quello medio europeo. Si pensi alle nazioni in cui sono presenti delle grosse case automobilistiche dove, oltre ad un prevedibile più rapido rinnovo del parco veicolare stesso, si verifica nel mercato interno una maggiore presenza di alcuni tipi di veicoli, chiaramente prodotti dalla casa di cui sopra. Tali modelli di veicoli potrebbero anche non essere del tutto paragonabili con quelli utilizzati nelle prove sperimentali per individuare le correlazioni COPERT. In ogni caso, il parco veicolare considerato nel modello deve essere visto come distribuito omogeneamente in tutto il contesto territoriale nazionale, cioè non è possibile particolarizzarlo per specifici ambiti regionali o urbani allinterno della nazione in considerazione. Questo potrebbe condurre a notevoli imprecisioni. Ad esempio, se si considera una regione con uneconomia florida si avrà tipicamente una prevalenza di vetture nuove di media–grossa cilindrata, mentre in un contesto meno ricco il parco veicolare sarà costituito prevalentemente da autovetture di media–piccola cilindrata e con unetà più elevata. La presenza marcata sul territorio di attività industriali può incrementare significativamente la quota di mezzi pesanti rispetto ad una zona in cui siano prevalenti attività del terziario.

17 Dagli istogrammi si può vedere che oltre a spostamenti significativi delle quote di combustibile, che però a livello complessivo non producono effetti molto marcati, si hanno variazioni importanti per gli inquinanti ed in particolare per CO, VOC e C 6 H 6 che aumentano, mentre il PM diminuisce a causa del minor uso di gasolio. Per esemplificare leffetto della composizione del parco veicolare, rispetto allo scenario di riferimento di TREMOVE, si è effettuata una modifica della domanda di mobilità, trasferendo una quota del 20% dalla modalità delle autovetture di grossa cilindrata a quelle di piccola. Ciò comporta nel tempo un incremento del numero di autovetture a benzina, rispetto a quelle diesel, con gli effetti riportati in Fig. 11 e 12 rispettivamente per consumi ed emissioni.