3.2 I MODELLI STATICI
3.2.3 La metodologia CORINAIR ed il modello COPERT
realizzazione di inventari delle emissioni europee in atmosfera, che venne istituito dal Consiglio Europeo dei Ministri nel 1985 per contribuire nello sviluppo di inventari nazionali che risultassero consistenti, comparabili e trasparenti per lo studio di inquinanti “convenzionali”, quali SOx, NOx e VOC.
I primi inventari vennero sviluppati proprio nel 1985, seguiti poi da altri finanziati dalla EEA (European Environment Agency) nel 1990, nel quadro delle attività dello ETC/ACC (European Topic Centre on Air and Climate Chenge), a cui spetta il compito fondamentale di assistere la partecipazione a riferire gli inventari nazionali (come richiesto dagli obblighi internazionali) dei 15 paesi dell’UE e anche di altri paesi europei (IPCC, 2013). Questi inventari furono caratterizzati da una più estesa lista di inquinanti che includeva NH3, CO, CO2, N2O ed inoltre separava CH4 da NMVOC.
Un ulteriore sviluppo del sistema CORINAIR avvenne nel 1991, quando l’UNECE (United Nations Economic Commission for Europe) aiutò la definizione delle principali categorie come basi per la segnalazione a norma del LRTAP (The Long Range Transboundary Air Pollution Convention). A seguire, nel 1992, l’UNECE stabilì un’Unità di Inventari delle Emissioni in atmosfera (TFEI) con il principale obiettivo di sviluppare una guida che riassumesse le raccomandazioni sulle stime e i metodi di verifica del CORINAIR/UNECE.
Una realizzazione ancora più importante fu quella ad opera della EMEP/CORINAIR che costituì l’Atmospheric Emission Inventory Guidebook, che venne pubblicato per la prima volta nel Febbraio 1996. Continuano tuttora comunque i lavori di miglioramento e aggiornamento dell’EMEP/CORINAIR Guidebook da parte dell’UNECE/TFEI in collaborazione con l’EEA al fine di fornire metodologie per la stima degli inquinanti sempre più precise.
La metodologia CORINAIR richiede ai paesi di raccogliere le stime utilizzando una dettagliata classificazione delle sorgenti emissive chiamata SNAP (Selected Nomenclature for Air Pollution), suddivisa in tre livelli di disaggregazione:
Settore; Sotto settore; Attività/tecnologia.
Il primo è il livello di aggregazione più alto e consiste in 11 settori come mostra la Tabella 3.1:
Tabella 3.1 Classificazione sorgenti emissive SNAP-Settore
SNAP Settore
01 Combustione-Energia e Industria di trasformazione 02 Combustione-Non industriale (riscaldamento..) 03 Combustione-Industria
04 Processi produttivi
05 Estrazione, distribuzione combustibili fossili/geotermico 06 Uso di solventi
07 Trasporti stradali
08 Altre sorgenti mobili (mezzi agricoli, industriali, per giardinaggio, navigazione, ferrovie)
SNAP Settore
10 Agricoltura (fertilizzanti, fitofarmaci, allevamenti,..) 11 Altre sorgenti (natura)
Per ciascun settore sono disponibili diversi metodi di calcolo, ma in questo contesto ci si soffermerà solo nell’ambito nei Trasporti Stradali (SNAP- 07).
La metodologia CORINAIR per la stima delle emissioni generate da traffico stradale è basata su un “emission factors approach”, secondo il quale le emissioni di un dato inquinante relative ad un certo settore sono il prodotto delle singole attività che generano emissioni e dei rispettivi fattori di emissione.
Questi ultimi infatti danno una rappresentazione quantitativa delle caratteristiche emissive di un dato inquinante, in un certo anno e per una data sorgente (Ntziachristos & Samaras, 2013).
Una relazione tipo in grado di spiegare questo tipo di approccio è: 𝑡 𝑖𝑛𝑞. 𝑒𝑚𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑎𝑛𝑛𝑜 = 𝑛° 𝑣𝑒𝑖𝑐𝑜𝑙𝑖 × 𝑘𝑚 𝑎𝑛𝑛𝑜× 𝐹𝐸[ 𝑔 𝑘𝑚 𝑣𝑒𝑖𝑐] × 1 1000000 (3.7) A seconda del livello di dettaglio e dell’approccio adottato per il calcolo delle emissioni, le sostanze inquinanti vengono suddivise in quattro gruppi: Gruppo 1: vi appartengono quegli inquinanti per i quali esiste una metodologia dettagliata di calcolo, basata su specifici fattori di emissione e che copre differenti scenari (urbano, extraurbano e autostradale) e condizioni del motore;
Gruppo 2: le emissioni degli inquinanti appartenenti a questo gruppo sono stimate sulla base del consumo di combustibile e i risultati sono della medesima qualità di quelli appartenenti al Gruppo 1;
Gruppo 3: vi appartengono quegli inquinanti ai quali viene applicata ai fini del calcolo una semplice metodologia, dovuto principalmente all’assenza di dati dettagliati;
Gruppo 4: sono quegli inquinanti che derivano da una frazione delle emissioni totali di NMVOC;
La Figura 3.7 rappresenta una procedura di calcolo delle emissioni generate da trasporto stradale è basata su uno schema conseguenziale a tre approcci, in funzione del diverso livello di informazioni che ogni approccio possiede.
Figura 3.7 Metodo per il calcolo delle emissioni generate dal trasporto stradale fonte: Emission Guide Book
Nello specifico è possibile distinguere tre livelli:
Tier 1: il primo metodo Tier 1 utilizza il carburante come indicatore di attività, in combinazione con i fattori di emissione medi di uno
specifico combustibile. L’algoritmo che viene utilizzato all’interno di questo metodo è il seguente:
𝐸𝑖 = ∑ (∑ (𝐹𝐶𝑗,𝑚× 𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑚)
𝑚 )
𝑗 (3.8)
𝐸𝑖: emissione della sostanza inquinante espressa in [g];
𝐹𝐶𝑗,𝑚: consumo di combustibile della j-esima categoria di veicolo
che utilizza il carburante m, espresso in [kg];
𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑚: fattore di emissione dell’i-esimo inquinante, della j-esima
categoria di veicolo che utilizza il carburante m, riferito ad uno specifico consumo di combustibile, espresso in [g/kg].
Questa equazione richiede che le statistiche di consumo/vendite di combustibile vengano raggruppate rispetto le quattro categorie di veicolo che considera (autoveicoli, veicoli commerciali leggeri, veicoli commerciali pesanti e motocicli)
Tier 2: l’approccio del secondo metodo considera per ogni categoria di veicolo il carburante utilizzato e i loro standard di emissione. Perciò le quattro categorie utilizzate nel precedente metodo vengono suddivise ulteriormente in k differenti tecnologie, secondo la legislazione sul controllo delle emissioni; occorre pertanto definire il numero di veicoli e il chilometraggio annuale per tecnologia (oppure il numero di veic/km per tecnologia).
L’algoritmo che utilizza questo secondo metodo è: 𝐸𝑖,𝑗 = ∑ (< 𝑀𝑗,𝑘 >× 𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑘) 𝑘 Oppure 𝐸𝑖,𝑗 = ∑ (𝑁𝑗,𝑘× 𝑀𝑗,𝑘× 𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑘) 𝑘 (3.9) (3.10)
dove,
< 𝑀𝑗,𝑘 > : distanza totale annua percorsa dalla j-esima categoria di
veicolo appartenente alla k-esima tecnologia, espressa il [veic/km]; 𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑘 : fattore di emissione di una specifica tecnologia dell’i-esima
sostanza inquinate, della j-esima categoria di veicolo e appartenente alla k-esima tecnologia, espresso in [g/veic-km];
𝑀𝑗,𝑘 : distanza media annuale persorsa dalla j-esima categoria di veicolo appartenente alla k-esima tecnologia, espressa in [km/veic]; 𝑁𝑗,𝑘 : numero di veicoli di j-esima categoria e k-esima tecnologia appartenenti alla flotta della nazione.
Tier 3 quest’ultimo metodo prevede, per il calcolo delle emissioni in atmosfera, la combinazione di fattori di emissione e dati di attività (ad esempio il totale dei km percorsi dal veicolo VMT). Tale tipologia di approccio (“metodologia dettagliata”) è possibile riscontrarla in molti modelli (statici e dinamici) come ad esempio COPERT IV, Artemis e nel DACH-NL. La sostanziale differenza dagli altri due metodi è quella di distinguere le emissioni “a caldo” (ossia quando il motore ha raggiunto ormai la temperatura operativa) da quelle “a freddo” o di regime termico di transizione (cioè quelle che si verificano alla partenza, quando il motore è ancora freddo). Questa differenziazione è fondamentale poiché le emissioni prodotte durante queste due condizioni sono molto diverse. L’equazione che permette il calcolo delle emissioni totali è la seguente:
dove,
𝐸𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 : sono le emissioni totali di un inquinante espresse in [g];
𝐸𝐻𝑂𝑇 : sono le emissioni durante la fase di regime termico e
dipendono da una varietà di fattori, che includono la distanza percorsa da ogni veicolo, la sua velocità (oppure la tipologia di strada), la sua età, la potenza del motore e il peso. L’equazione che esprime queste relazioni è la seguente:
𝐸𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑗,𝑟= 𝑁𝑘× 𝑀𝑘,𝑟× 𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘,𝑟 (3.12)
dove,
𝐸𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑗,𝑟 : emissioni “a caldo” dell’i-esimo inquinante, prodotte nel
periodo considerato dalla k-esima tecnologia di veicolo guidata sul percorso di tipo r, espresse in [g];
𝑁𝑘 : numero di veicoli di k-esima tecnologia circolanti nel periodo
considerato, [veic];
𝑀𝑘,𝑟 : chilometraggio per veicolo di k-esima tecnologia circolante
sul percorso di tipo r, espresso in [km/veic];
𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘,𝑟: fattore di emissione “a caldo” dell’i-esimo inquinante
della k-esima tecnologia di veicolo circolante sul percorso di tipo r, espresso in [g/km]. Esso può essere calcolato attraverso due metodi alternativi:
o selezionando una singola velocità media rappresentativa di ogni tipologia di strada (urbana, extraurbana e autostradale) o definendo curve di distribuzione della velocità e successivamente integrandole entro determinati range di validità.
𝐸𝐶𝑂𝐿𝐷 : sono le emissioni prodotte durante la fase di partenza del
veicolo ed il fattore che le influenza maggiormente è dato dalla frazione di km percorsa a motore freddo, che a sua volta è influenzato dal comportamento di guida (che varia in base alla lunghezza del viaggio) e dalle condizioni climatiche che determinano il tempo di riscaldamento necessario al motore. L’equazione utilizzata nel calcolo di questa frazione di emissione è la seguente:
𝐸𝐶𝑂𝐿𝐷;𝑖,𝑗= 𝛽𝑖,𝑘× 𝑁𝑘× 𝑀𝑘× 𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘×( 𝑒𝐶𝑂𝐿𝐷
𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘− 1) (3.13)
dove,
𝐸𝐶𝑂𝐿𝐷;𝑖,𝑗: emissione “a freddo” dell’i-esimo inquinante prodotto
dalla k-esima tecnologia di veicolo;
𝛽𝑖,𝑘 : frazione di km percorsi con motore a freddo per l’i-esimo inquinante prodotto dalla k-esima tecnologia di veicolo. Questo parametro dipende dalla temperatura ambiente e dalla lunghezza media percorsa in un viaggio;
𝑁𝑘 : numero di veicoli in circolazione appartenenti alla k-esima
tecnologia;
𝑀𝑘 : totale di km per veicolo appartenente alla k-esima tecnologia; 𝑒𝐶𝑂𝐿𝐷
𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘−1 : rapporto tra i fattori di emissione “a freddo” e “a caldo”
dell’i-esimo inquinante appartenente alla k-esima tecnologia. Le emissioni dei veicoli dipendono pesantemente dalle condizioni di operatività del motore, influenzate a loro volta da differenti situazioni di guida quali, urbana-extraurbana-autostradale.
Da ciò si evince infatti come il metodo attribuisca ad ogni situazione di guida differenti dati di scenario e fattori di emissione. Le emissioni ”a freddo”, ad esempio, sono attribuite principalmente a situazioni di guida urbana (e secondariamente a quelle extraurbane) rispetto al numero limitato di percorsi con partenza in situazioni di guida autostradale. Pertanto, l’equazione che permette il calcolo delle emissioni totali riferendosi alle condizioni di guida è la seguente:
𝐸𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿= 𝐸𝑈𝑅𝐵𝐴𝑁+ 𝐸𝑅𝑈𝑅𝐴𝐿+ 𝐸𝐻𝐼𝐺𝐻𝑊𝐴𝑌 (3.14)
dove,
𝐸𝑈𝑅𝐵𝐴𝑁, 𝐸𝑅𝑈𝑅𝐴𝐿, 𝐸𝐻𝐼𝐺𝐻𝑊𝐴𝑌 rappresentano le emissioni totali espresse in [g] delle sostanze inquinanti per le rispettive condizioni di guida.
I fattori di emissione del Tier 3 per autoveicoli a benzina non catalitici vennero sviluppati all’interno del CORINAIR Working Group (Eggleston, et al., 1993), tenendo in considerazione i risultati di studi effettuati in diversi paesi (Francia, Germania, Italia, Grecia, ecc..). Successivamente in
aggiunta vennero incorporati altri dati provenienti da studi effettuati in Austria, Svezia e Svizzera.
Per gli autoveicoli catalitici i fattori di emissione vennero ricavati dai risultati riportati nel Progetto ARTEMIS, mentre quelli per i veicoli leggeri derivarono dal Progetto MEET (Methodologies for Estimating air pollutant Emissions from Transport).
I fattori di emissione si possono ritrovare ampiamente separati in due classi, secondo le sostanze inquinanti: ci sono quelli per i quali una valutazione dettagliata è necessaria e possibile (a questa classe fanno parte gli inquinanti regolamentati CO, VOCs, NOx e PM ed anche il consumo di combustibile), e ci sono quelli per i quali è possibile fornire solo dei fattori di emissione generici e universali oppure delle equazioni (ne fanno parte gli inquinanti non regolamentati, quali SO2, NH3, Pb, CO2, N2O e in parte CH4). Con riferimento alla classificazione vista in precedenza per quanto riguarda i regimi del motore (a caldo e a freddo), anche in questo caso è possibile distinguere fattori di emissione a caldo e a freddo.
I primi, sviluppati all’interno del progetto ARTEMIS, rispettivamente per gli autoveicoli a benzina dall’Euro 1 all’Euro 4, sono stati calcolati come funzione della velocità. La funzione generica che esprime tale relazione è la seguente:
𝐸𝐹 = (𝑎 + 𝑐 × 𝑉 + 𝑒 × 𝑉2) (1 + 𝑏 × 𝑉 + 𝑑 × 𝑉⁄ 2) (3.15)
Il calcolo dei fattori di emissione “ a caldo” è sempre in relazione alla velocità, ma tiene in considerazione diversi fattori correttivi.
Per quanto attiene i fattori di emissione dei veicoli leggeri a benzina e diesel (LDV) i valori dei fattori di emissione seguono sempre leggi quadratiche, analoghe a quanto visto per gli autoveicoli.
I soli fattori di emissione che vengono calcolati per i veicoli pesanti sono quelli “a caldo”, ed in particolare per i veicoli a benzina questi sono definiti solamente secondo le tre modalità di guida (urbana, extraurbana ed autostradale), mentre per i veicoli pesanti diesel, i fattori di emissione vengono calcolati tramite diverse equazioni, la cui formulazione è molto diversa da quanto visto per gli autoveicoli.
Alcuni esempi sono forniti dalle seguenti equazioni: (3.16) (3.17) (3.18) (3.19) (3.20) (3.21) (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) Con riferimento alle emissioni a freddo, la metodologia fornisce i rapporti tra i fattori di emissione 𝑒𝐶𝑂𝐿𝐷⁄𝑒𝐻𝑂𝑇 per i principali inquinanti CO, NOx e
VOC e per il consumo di combustibile, solamente per alcune categorie di veicoli.
In ultimo, con riferimento ai dati di traffico, ovvero di circolazione dei veicoli, la metodologia propone tre differenti approcci, in coerenza ai tre livelli “Tier” di approfondimento.
L’approccio del primo metodo richiede la conoscenza di rilevanti statistiche di carburante, ad esempio volume/peso di combustibile venduto per uso stradale, oppure le tipologie di carburante in uso specifiche per le quattro categorie di veicoli.
Le basi per tale livello di disaggregazione del dato, possono essere costituite dalle statistiche sui veicoli nazionali combinate con le stime dei km percorsi e del consumo di carburante [kg/km].
Le altre due metodologie richiedono dati più specifici. In particolare i dati sulle attività di traffico sono, in linea di principio, disponibili dagli uffici delle statistiche nazionali di tutti i paesi e dalle organizzazione e istituti statistici internazionali (ad esempio Eurostat oppure IRF-International Road Federation).
Tali statistiche tendono a fornire dettagli sulla composizione delle flotte e ad esempio si possono trovare informazioni dettagliate sui veicoli dei 27 paesi dell’UE all’interno del website del Modello COPERT, sotto la voce “Data”. Questi non sono però dati ufficiali, ma piuttosto i risultati di diversi progetti di ricerca effettuati nel corso degli anni.
Il modello COPERT (Computer Programm to calculate Emissions from Road Transport) è finanziato dalla EEA (Agenzia Europea per l’Ambiente) come parte delle attività del Centro Tematico Europeo sull’Inquinamento Atmosferico e sulla Mitigazione dei Cambiamenti Climatici.
Il Centro Comune di Ricerca della Commissione Europea gestisce lo sviluppo scientifico del modello, che è stato sviluppato come strumento per la realizzazione dell’inventario delle emissioni dei trasporti su strada nei paesi membri dell’EEA. La versione iniziale, COPERT85 (1989), fu seguita da due successive versioni COPERT90 (1993) e COPERT II (1997). Nel 2000 venne aggiornato alla terza versione COPERT III, che permetteva la stima delle emissioni di tutti gli inquinanti regolamentati (CO, NOx, VOC, PM) da differenti categorie di veicoli, come anche il calcolo delle emissioni di CO2 e del consumo di carburante. La lista venne inoltre allargata anche agli inquinanti non regolamentati (CH4, N20, NH3, SO2, metalli pesanti ecc.). La versione attualmente in uso è quella di COPERT IV, che sostituisce la precedente dal Novembre 2006 (EMISIA- SA, 2009).
La metodologia COPERT IV è parte dell’EMEP/EEA Air Pollutant Emission Inventory Guidebook (Ntziachristos & Samaras, 2013) per il calcolo delle emissioni degli inquinanti ed è inoltre coerente con il 2006 IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change) Guidelines (IPCC, 2006) per il calcolo delle emissioni di gas ad effetto serra.
L’utilizzo del software per il calcolo delle emissioni causate dal trasporto stradale consente una raccolta di dati consistente e comparabile con i risultati ottenuti tramite altre metodologie ed in più consente l’utilizzo di procedure di segnalazione delle emissioni in accordo con i requisiti delle convenzioni internazionali, protocolli e legislazione europea. Uno schema concettuale delle modello è rappresentato dalla Figura 3.8:
Figura 3.8 Schema concettuale del modello COPERT
Come precedentemente accennato il modello è parte integrante della metodologia CORINAIR ed utilizza le formulazioni sinteticamente riportante in precedenza nel corso del presente paragrafo.