L’IMPATTO DELLE EMISSIONI DOVUTE ALLA COMBUSTIONE DI BIOMASSA SULLA CONCENTRAZIONE DI PM IN VALLE D’AOSTA CONCENTRAZIONE DI PM IN VALLE D’AOSTA

Tombolato I.², Diémoz H.¹, Zublena M.¹, Tarricone C.¹, Magri T.¹, Pession G.¹, Ferrero L.³

1ARPA VALLE D’AOSTA,

2COLLABORATORE ARPA VALLE D’AOSTA

3UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO-BICOCCA, DISAT, CENTRO GEMMA

RIASSUNTO

In questo lavoro vengono presentati i risultati di una campagna di misura effettuata in Valle d’Aosta in cui sono quantificati, per la prima volta in questa regione, gli impatti della combustione di biomassa sulla concentrazione di particolato atmosferico. Le misure sono state condotte in due siti (rurale e urbano) attrezzati per la misura di PM10 (determinazioni gravimetriche e automatiche mediante assorbimento beta) e per la misura di Black Carbon (BC) tramite etalometro. Inoltre, sono state determinate le concentrazioni di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), levoglucosano, anioni e cationi solubili inorganici, carbonio elementare (EC) e organico (OC) su PM10. Il set-up strumentale ha consentito di determinare la quota di PM dovuta alla combustione di biomassa attraverso due approcci indipendenti: il primo metodo,

“ottico”, utilizza i dati di BC da etalometro a partire da un modello tarato sulla base delle determinazioni di OC e di levoglucosano, mentre il secondo impiega la speciazione chimica completa del PM, analizzata con la tecnica statistica Positive Matrix Factorization (PMF). I due metodi danno risultati confrontabili ed evidenziano notevoli differenze tra il sito rurale e il sito urbano, essendo quest’ultimo maggiormente influenzato dalle emissioni di combustibili fossili. Inoltre, il primo metodo, una volta validato rispetto al secondo, consente di dedurre in modo automatizzato la quota di PM da combustione di biomassa dalle sole misure in continuo e ad alta frequenza di BC e di PM10, senza ricorrere alle numerose e onerose determinazioni analitiche su PM10. La validazione del metodo ha valenza sito-specifica e va ripetuta solo nel caso di variazioni sostanziali del contesto emissivo. Questo studio, di cui alcune indagini sono state sviluppate nell’ambito di due progetti a

finanziamento europeo, BBCLEAN-Alpine Space e PREPAIR-LIFE, può aiutare nella valutazione dell’impatto di specifiche sorgenti emissive caratteristiche dell’arco alpino e nello sviluppo di piani di mitigazione a scala locale, regionale e globale tanto per la qualità dell’aria quanto per gli effetti sul clima.

Parole chiave: biomass burning, source apportionment, PM, Black Carbon

ABSTRACT

This study presents the results of a measurement campaign performed in the Aosta Valley in order to quantify, for the first time in this region, the impact of biomass burning on particle matter (PM) concentrations.

Measures were carried out at two sites (rural and suburban) equipped for the measurement of PM10

(gravimetric and automatic beta absorption determinations) and for the measurement of Black Carbon (BC) using an aethalometer. In addition, concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), levoglucosan, inorganic soluble anions and cations, elementary (EC) and organic carbon (OC) on PM10 were also determined. The instrumental set-up allowed to estimate the amount of PM due to biomass burning, using two independent approaches: the first method, 'optical ' one, uses BC data from the aethalometer, based on a model specifically calibrated on OC and levoglucosan analyses, while the second one takes into consideration the complete chemical PM speciation data through the statistical technique Positive Matrix Factorization (PMF). The two methods provide comparable results and show noticeable differences in the biomass burning contributions between the rural site and the urban area, this latter being affected by local

traffic and urban emissions. Furthermore, the first method, once validated with respect to the second one, allows to automatically infer the amount of biomass burning PM from the continuous and high-frequency measurements of BC and PM10, without relying on the several and time-consuming analytical determinations on PM10. The validation of the method has a site-specific value and should be reassessed only when significant emissive changes occur.

This study, of which some investigations have been carried out as part of two European-funded projects, BBCLEAN-Alpine Space and PREPAIR-LIFE, can be helpful in identifying the impact of some specific Alpine emission sources and in developing local, regional and global mitigation plans for both air quality and climate effects.

Keywords: biomass burning, source apportionment, PM, Black Carbon

Introduzione

La combustione della biomassa è ampiamente utilizzata nella regione alpina per il riscaldamento domestico, fino a raggiungere il 90% della domanda di calore nei piccoli comuni montani. Il suo sempre più frequente uso, in sostituzione dei combustibili fossili (GPL, metano, gasolio), deriva sia dalla sua economicità, sia dall’essere considerata una fonte di energia rinnovabile ed, in quanto tale, incentivata dalle politiche nazionali e regionali di lotta ai cambiamenti climatici. Per quanto riguarda la Valle d’Aosta, i risultati dell'indagine condotta nel 2011 nell'ambito del progetto RENERFOR hanno mostrato come nei comuni valdostani situati tra 600 e 900 m di altitudine, il 53% degli utenti disponeva di un apparecchio od impianto secondario (ausiliario) per il riscaldamento domestico alimentato a biomassa legnosa, con una preponderanza di stufe a legna (per l’80% a ciocchi di legna) e di caldaie a pellet.

Come però molti studi hanno evidenziato, la combustione di biomassa, oltre ad essere spesso inefficiente dal punto di vista energetico, sfortunatamente comporta aspetti critici legati al suo

impatto negativo non solo sulla qualità dell’aria, ma anche, attraverso effetti radiativi diretti, sul clima (Putaud et al, 2014). Dal punto di vista della qualità dell’aria essa comporta infatti, soprattutto in condizioni di combustione incompleta, emissioni di particolato atmosferico (PM), idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e composti organici volatili (VOC). L'inquinamento diventa più intenso nelle aree alpine poiché le condizioni ambientali, l'orografia e il freddo intenso degli inverni favoriscono il ristagno a livello del suolo degli inquinanti emessi.

La combustione di biomassa per il riscaldamento residenziale ha anche un impatto sul clima attraverso le interazioni radiazione-aerosol. In effetti, la combustione della biomassa è una sorgente di “dark aerosols” ossia di Black carbon (BC) e Brown carbon (BrC) in grado di assorbire luce con lunghezza d'onda caratteristica nello spettro dell’ultravioletto e visibile (380÷760 nm); tali particelle e composti, in questo modo, trasformano l’energia elettromagnetica della radiazione solare in calore, influenzando così il bilancio radiativo in atmosfera, e, una volta depositatisi in superficie, sono in grado di ridurre la riflessione del suolo (ad esempio, in presenza di neve e ghiaccio).

Particolare importanza riveste quindi l’approfondimento della conoscenza sulla tematica del particolato atmosferico, al fine di arricchire la base informativa utile per definire politiche e strategie di riduzione di tali emissioni. In quest’ottica, ARPA Valle d’Aosta partecipa a due progetti UE che affrontano in modo specifico questa tematica:

- il progetto PREPAIR, che vede coinvolte tutte le regioni del Bacino Padano, per individuare le azioni più vantaggiose per mitigare le emissioni in un’area dove le concentrazioni di particolato sono particolarmente critiche e su cui sono state avviate specifiche e approfondite campagne di misura diffuse in tutto il dominio di progetto. In tale contesto si inserisce proprio l’attività di cui al presente report;

- un secondo progetto, BBCLEAN – ALPINE SPACE, riunisce diverse regioni dell'area alpina per studiare i

vari aspetti ed impatti della combustione della biomassa, con particolare riferimento alla valutazione del contributo di questa sorgente sul materiale particolato, al fine di sviluppare strumenti per ridurre al minimo gli impatti ambientali.

Scopo di questo studio specifico è quello di quantificare per la prima volta l'impatto delle emissioni dalla combustione di biomassa sulle concentrazioni di PM in Valle d'Aosta, una regione posta nel cuore delle Alpi ma non lontano dalla Pianura Padana, con un’orografia complessa e un’altitudine media superiore a 2000 m slm, caratteristiche che innescano anche complessi fenomeni meteorologici.

Dati e Metodi Siti di misura

I dati sono stati raccolti in due diversi ambienti: urbano (nell’area di fondovalle - Plaine di Aosta) e rurale (nel comune di Saint-Marcel). Le campagne di monitoraggio e di studio si sono svolte in tempi differenti, pur

coprendo entrambe una intera annualità e permettendo così di apprezzare le variazioni stagionali dei diversi inquinanti e delle diverse sorgenti studiate.

La Plaine di Aosta è l’area del fondo della valle centrale che si sviluppa attorno al capoluogo della regione, Aosta, una città di circa 34.000 abitanti le cui principali sorgenti di inquinamento sono il riscaldamento domestico, il traffico e le emissioni industriali (acciaieria). Per il presente studio sono stati utilizzati sia i dati raccolti nella stazione di fondo urbano di Aosta-Piazza Plouves (facente parte della Rete regionale di Monitoraggio della Qualità dell’Aria gestita da ARPA Valle d’Aosta) sia da strumentazione appositamente posizionata presso la sede di ARPA Valle d’Aosta, in contesto suburbano in prossimità del sito di fondo urbano (Figura 11.1.1).

Figura 11.1.1. Siti di misura nella Plaine di Aosta – nelle foto a sin. vista della Plaine di Aosta; in centro la stazione di fondo urbano della Rete regionale di Monitoraggio della qualità dell’aria RMQA e a destra il sito in zona suburbana.

Il sito rurale di Saint-Marcel, un comune di poco meno di 1.400 abitanti, (Figura 11.1.2), è stato scelto perché è rappresentativo dei comuni della Valle centrale dove, sulla base dell’inventario regionale delle emissioni e dei dati dell’indagine conoscitiva RENERFOR sopracitata, il numero di apparecchi a biomassa legnosa in ambito domestico è rilevante, potendosi quindi aspettare che il

contributo della combustione di biomassa al particolato atmosferico sia qui dominante.

Nell’ambito delle attività del progetto BBCLEAN, è stato svolto un accurato censimento (2019) dei combustibili utilizzati per il riscaldamento domestico che ha mostrato come il 94% della domanda di energia è prodotta da biomassa e derivati, mentre il 4,4% da gasolio e l’1,6%

da GPL.

Figura 11.1.2. Sito di misura rurale di Saint-Marcel: visuale dell’abitato e dettaglio del sito di misura allestito per la campagna di monitoraggio

Misure

Nei siti di indagine sono state effettuate misure di concentrazione di particolato atmosferico e determinazioni analitiche di composti del particolato utili a ricostruire la componente da biomassa. Inoltre, si è sperimentato l’utilizzo di misure da etalometro. In tabella 1 è riportato il dettaglio del setup operativo e dei parametri monitorati nei siti di indagine.

L’indagine presso il sito urbano della Plaine di Aosta è stata svolta nell’ambito di una collaborazione tra ARPA Valle d’Aosta e l’Università di Milano-Bicocca.

L’etalometro è uno strumento che consente di misurare in continuo su apposito nastro filtrante il coefficiente di assorbimento dell'aerosol a 7 lunghezze d'onda, dall’UV all’IR (370 -950 nm).

Da queste misure ottiche di assorbimento, è possibile misurare la concentrazione di BC equivalente ed il suo source apportionment tra contributo dei combustibili fossili (traffico e riscaldamento domestico), contrassegnato nel seguito come BCff, e contributo della combustione di biomassa (riscaldamento domestico), contrassegnata nel seguito come BCbb.

Metodi per la stima del contributo della combustione della biomassa legnosa alle emissioni di PM10

Nell’ambito di questo studio, anche sulla base degli obiettivi del progetto BB-CLEAN, si è deciso di testare due metodi indipendenti, descritti in modo approfondito nel seguito, per stimare le sorgenti del particolato e, nello specifico, il contributo della combustione del legno alla formazione del PM (in seguito chiamato PMbb).

Metodo 1

Il primo approccio, di tipo “ottico”, consiste nella stima del PMbb a partire dalle misurazioni di BC con l'etalometro. Il principale vantaggio dell’uso di questo strumento è rappresentato dalla possibilità di automatizzare l’intero processo di misura e di rilevare le concentrazioni di PMbb a una elevata frequenza, ad esempio oraria. Il metodo necessita, tuttavia, di una fase preliminare di “taratura”, per ogni sito, basata su determinazioni analitiche, come descritto nel seguito:

1. si ottiene la relazione tra la concentrazione di OC attribuibile alla combustione di biomassa (OCbb) e la concentrazione di levoglucosano. Quest’ultimo viene impiegato universalmente in letteratura come tracciante delle emissioni da combustione di biomassa, in quanto prodotto della pirolisi della cellulosa e considerato relativamente stabile in atmosfera. Poiché l’OC può essere prodotto da diverse sorgenti, al fine di isolare il contributo dovuto alla combustione di biomassa (OCbb), si prende in considerazione il minimo del

rapporto delle concentrazioni di OC e di levoglucosano, entrambe ottenute dalle analisi giornaliere su filtro.

Questo primo passo permette di utilizzare il levoglucosano come proxy dell’OCbb. La relazione è sito-specifica, in quanto dipendente dal tipo di biomassa bruciata e dall’età del particolato;

2. poiché la variabile di interesse nel presente studio non è la concentrazione di OCbb, ma la concentrazione di tutto il particolato emesso, nel suo complesso, dalla

combustione di biomassa, occorre convertire l’OCbb in PMbb. Tale conversione, difficile da determinare sperimentalmente, viene effettuata sulla base di fattori ottenuti da precedenti studi e riportati nella letteratura scientifica (Turpin et al., 2001; Puxbaum et al., 2004;

Aiken et al., 2008; Puxbaum et al., 2007; Favez et al., 2019).

Tabella 11.1.1 – Parametri misurati nei due siti di indagine, con l’indicazione della strumentazione e /o dei metodi utilizzati per la loro determinazione

Sito della Plaine di Aosta Sito rurale di Saint-Marcel

Parametro Analizzatore /strumento Parametro Analizzatore /strumento

PM10 (sito fondo urbano) - OPSIS SM200

- Campionatore MCZ a basso volume (2,3 m3/h)

campionamento sulle 24 ore

PM10 Campionatore MCZ a basso volume (2,3

m3/h)

campionamento sulle 24 ore

PM2,5

(sito suburbano) Campionatore MCZ a basso volume (2,3 m3/h)

Etalometro AE31 - Magee Scientific

(sito suburbano) BC

Parametro Metodi e strumentazione Parametro Metodi e strumentazione

OC/EC Metodo di analisi UNI EN 16909:2017

Analizzatore Sunset Laboratory inc. OC/EC Metodo di analisi UNI EN 16909:2017 Analizzatore Sunset Laboratory inc.

IPA Estrazione in acetonitrile + HPLC

fluorimetro

Sistema HPLC SHIMADZU Nexera-i Mod LC-2040C Plus e Fluorimetro RF-20AxS

IPA Estrazione in acetonitrile + HPLC fluorimetro Sistema HPLC SHIMADZU Nexera-i Mod LC-2040C Plus e Fluorimetro RF-20AxS

Levoglucosano GC/FID Trace1300 Thermo Scientific Levoglucosano GC/FID Trace1300 Thermo Scientific Ioni (Anioni /Cationi) Cromatografia ionica con Moduli

AQUION/ICS-1000 Ioni (Anioni /Cationi) Cromatografia ionica con Moduli AQUION/ICS-1000

Questo secondo passaggio, unito al primo, permette, così, di stimare il PMbb a partire dal levoglucosano. La formula che otteniamo nel complesso risulta la seguente:

PMbb = f x [levoglucosano]

3. al fine di bypassare le analisi chimiche, si determina a questo punto la relazione tra la concentrazione di levoglucosano e le proprietà ottiche del particolato osservate con l’etalometro nella banda ultravioletta (BrC, a una lunghezza d’onda di 370 nm). Tale determinazione, detta source apportionment ottico, è descritta in modo approfondito, tra gli altri, da

Sandradewi ad al. (2008) e Massabò et al. (2015).

Insieme ai passi precedenti, questo terzo punto consente di stimare la concentrazione di PMbb utilizzando unicamente misure di tipo ottico. Ciò permette, inoltre, di ottenere informazioni sulla combustione di biomassa a frequenza oraria (anziché giornaliera, come nel caso delle determinazioni analitiche) o addirittura superiore. Pertanto, la formula per la determinazione di PMbb può essere riscritta nel seguente modo:

PMbb = f x m x [babsBrC,370nm]

dove m è il coefficiente di proporzionalità tra levoglucosano e il coefficiente di assorbimento del Brown Carbon a una lunghezza d’onda di 370nm.

Metodo 2

Il secondo approccio si basa sulla speciazione chimica completa del particolato sui campioni raccolti nei siti di

indagine e sul metodo statistico della Positive Matrix Factorization (PMF). Quest’ultima tecnica, implementata nel software EPA 5.0, permette di individuare gruppi di composti chimici che “variano insieme” e che possono dunque essere attribuiti alla stessa sorgente emissiva (Viana et al., 2008).

Risultati Metodo 1

La Figura 11.1.3 rappresenta la relazione, ottenuta sperimentalmente nei due siti di misura, tra levoglucosano (da analisi su filtri) e proprietà ottiche del particolato da etalometro (BrC), come descritto al passo 3 del paragrafo precedente. Le statistiche di correlazione, con R² > 0,8, sono ritenute molto buone. Il coefficiente della relazione lineare tra le due variabili (riportato in Figura) è in linea con le stime ottenute in altri studi, in particolare sul territorio francese (Favez et al., 2019).

Figura 11.1.3. Correlazione tra le medie giornaliere del coefficiente di assorbimento del BrC ottenuto dalle misurazioni UV dell'etalometro e le concentrazioni medie giornaliere di levoglucosano per il sito urbano di Aosta (a sinistra) e per il sito rurale di Saint-Marcel (a destra)

Tali risultati, ragionevolmente, consentono pertanto di considerare il BrC un buon proxy del levoglucosano, e quindi della sorgente “combustione della biomassa”.

Pertanto, sulla base delle relazioni empiriche

precedentemente riportate, a partire dai dati di assorbimento del BrC, è stato stimato il contributo della combustione di biomassa al PM in entrambi i siti (figure 11.1.4 e 11.1.5). Come previsto, tale contributo risulta

maggiore durante la stagione invernale, raggiungendo valori fino a 25 µg/m³, rispettivamente nei siti rurali e urbani. Il contributo del biomass burning risulta invece trascurabile in estate. Le variazioni giornaliere possono

essere ricondotte sia alle emissioni locali che alle condizioni meteorologiche.

Figura 11.1.4. Concentrazioni medie giornaliere di PMbb ricavate empiricamente dal coefficiente di assorbimento del BrC sulla base dei dati di assorbimento nell’UV nel sito rurale di Saint-Marcel

Figura 11.1.5. Concentrazioni medie giornaliere di PMbb ricavate empiricamente dal coefficiente di assorbimento del BrC sulla base dei dati di assorbimento nell’UV nel sito urbano di Aosta

Se si considerano i dati di contributo percentuale del

PMbb alle concentrazioni di particolato PM10 misurato, raggruppati per stagioni (Figura 11.1.6), si osserva come i valori più elevati sono misurati nei mesi più

freddi. Ciò si traduce in contributi relativi durante l'inverno della combustione di biomassa del 40% per il sito urbano, mentre si ottiene per il sito rurale un

contributo medio invernale del 50%, raggiungendo qui picchi di oltre l'80%.

Figura 11.1.6. Contributo percentuale medio giornaliero del PMbb ricavato nei due siti di misura. Nei grafici sono riportati i dati di PMbb% ricavati dalle misure di assorbimento del BrC per i due siti, raggruppati per stagioni.

Si riportano ora gli andamenti dei cicli giornalieri, suddivisi per stagione (Figura 11.1.7), delle concentrazioni di BC e delle sue due componenti, fossil fuel e biomass burning (da source apportionment

ottico). Si noti che l’identificazione del ciclo giornaliero è reso possibile dall’utilizzo di misure ottiche ad alta frequenza, nel nostro caso mediate sull’ora.

Figura 11.1.7. Andamento giornaliero delle concentrazioni di BC totale e delle sue frazioni BCff e BCbb, levoglucosano per il sito urbano di Aosta (a sinistra) e per il sito rurale di Saint-Marcel (a destra). In blu sono riportate le concentrazioni di BCff (BC da fonti fossili), in verde le

concentrazioni di BCbb (BC da combustione di biomassa), in rosso le concentrazioni di BC totale.

I due picchi giornalieri, seppur con scale di concentrazione diverse nei due siti, sono influenzati sia dalle emissioni del traffico durante le ore di punta o di riscaldamento, sia dalle variazioni dell'altezza dello strato di rimescolamento dell’atmosfera. Tuttavia, possiamo apprezzare il diverso comportamento dei cicli serali delle due frazioni, specialmente nel sito rurale.

Infatti, il riscaldamento domestico, durante la notte, dura

più ore rispetto al traffico. Ciò è evidente anche dall’andamento dei cicli giornalieri medi per stagione (Figura 11.1.8) della frazione del particolato dovuto alla combustione di biomassa, in gran parte attribuibile, soprattutto in inverno, all’utilizzo dei combustibili legnosi per il riscaldamento domestico.

Figura 11.1.8. Andamento giornaliero delle concentrazioni di PMbb legate alla combustione di levoglucosano per il sito urbano di Aosta (a sinistra) e per il sito rurale di Saint-Marcel (a destra)

Metodo 2

Come detto in precedenza, si è voluto validare tali risultati con altre metodiche di source apportionment;

combinando i dati di speciazioni chimica del particolato PM10 a disposizione nei due siti, si è potuto isolare la componente legata alla combustione di biomassa.

La PMF nel sito rurale ha individuato 6 modi di variazione, già descritti da Diémoz et al. (2019): una componente ricca in nitrati, una componente relativa al traffico urbano, una ai solfati, una al risollevamento di polveri minerali, una alla combustione di biomassa e,

infine, una alla salatura delle strade in inverno. Modi simili sono stati riscontrati anche nel sito urbano, dove sono state incluse le analisi per i singoli idrocarburi policiclici aromatici determinati sui campioni di particolato atmosferico.

Si riportano in Figura 11.1.9 i grafici delle correlazioni tra le concentrazioni di PMbb ottenuto con i due metodi utilizzati in questo studio. La figura conferma la sostanziale equivalenza delle tecniche.

Figura 11.1.9. Correlazione tra le medie giornaliere del PMbb ottenuto attraverso i risultati del source apportionment da PMF e dalle misurazioni di levoglucosano (a sinistra) e dal coefficiente di assorbimento del BrC tramite le misurazioni UV dell'etalometro, per il sito urbano di Aosta (grafici in basso) e per il sito rurale di Saint-Marcel (grafici in alto)

In generale, emerge una molto buona correlazione tra tutte le tecniche utilizzate in questo studio, con R² >

In generale, emerge una molto buona correlazione tra tutte le tecniche utilizzate in questo studio, con R² >

Nel documento Presentazione Report SNPA “La Qualità dell’aria in Italia” (pagine 145-158)