Il progetto Artemis

Nell’ambito degli impegni internazionali riguardanti le politiche di controllo delle emissioni di sostanze inquinante in atmosfera, la Commissione Europea supportò il Progetto Artemis (Assessment and Reliability of Transport Emission Modelling and Inventory Systems) per rispondere alla necessità di sviluppare dei modelli di emissione che fossero ben proporzionati alle varie sorgenti inquinanti (trasporto su strada, ferroviario, aereo e navale) e soprattutto in grado di fornire consistenti stime di emissioni a livello internazionale, nazionale e regionale.

Questo avrebbe permesso la minimizzazione delle dispute sulle metodologie da adottare e la semplificazione dei processi decisionali concernenti il miglioramento della qualità dell’aria e il benessere dell’uomo. Inoltre, visto che il trasporto in Europa consuma enormi quantità di risorse, cercare di ottimizzare e informare in modo più accurato la nazione dovrebbe condurre a miglioramenti sia economici che sociali (Boulter & McCrae, 2007)

Il progetto Artemis, avviato nel 2000, ha impegnato 40 laboratori europei e un budget di circa 9 milioni di euro in 5 anni, con l’obiettivo di sviluppare e migliorare allo stesso tempo le metodologie europee per la stima delle emissioni dovute al trasporto e la successiva determinazione di inventari nazionali.

Il progetto ha riguardato tutte le modalità di trasporto in Europa, le loro emissioni inquinanti ed il consumo di carburante nonché le loro caratteristiche di utilizzo.

In particolare gli obiettivi principali del progetto sono stati due:

 arrivare ad una migliore comprensione delle cause che comportano tuttora sostanziali differenze tra i modelli di previsione e perciò risolvere l’incertezza nei modelli di emissione (attraverso un programma di ricerca);

 sviluppare una metodologia universale per la stima delle emissioni, che possa essere utilizzata a livello nazionale e internazionale.

Per il raggiungimento di una nuova metodologia nel progetto Artemis si adottò una strategia articolata nel seguente modo:

1. studiare la sensibilità delle emissioni di inquinanti rispetto ai parametri fondamentali, che vengono suddivisi in quattro categorie: a. parametri riguardanti i comportamenti di guida (ad esempio

i cicli guida);

b. parametri relativi proprio al veicolo, come la gestione del motore e il sistema di controllo delle emissioni, il chilometraggio, l’anno, le proprietà del carburante ecc.; c. parametri di campionamento del veicolo, come la modalità

con cui i veicoli sono scelti per effettuare test in laboratorio ed il numero di questi rispetto ad ogni categoria scelta; d. parametri relativi al laboratorio, come le condizioni

ambientali di prova, le regolazioni del dinamometro e le apparecchiature di analisi utilizzate.

2. sviluppare un metodo che consentisse una generale armonizzazione delle misurazioni effettuate nei diversi laboratori europei: ciò significa stabilire delle condizioni standard in modo da ottenere dati comparabili. Questo tipo di approccio venne scelto per migliorare l’accuratezza dei modelli di emissione e per allargare il range di applicazione di ogni modello (Boulter, et al., 2009).

Per via dei sopracitati obiettivi il progetto incluse al suo interno un vasto programma di misurazioni di emissioni, elaborato per fornire una significativa estensione dei dati fino ad allora disponibili. Nel caso specifico del trasporto stradale, vennero usate le misurazioni condotte nei diversi laboratori europei per esaminare le ragioni della variabilità nei dati e successivamente per determinare le basi fondamentali di una guida alla “migliore pratica” per ottenere le future misurazioni.

Messi in luce gli obiettivi, è possibile riassumere i principali campi di applicazione del progetto, che in particolar modo sono stati:

 gli inventari delle emissioni (a scala nazionale o regionale, mensili o annuali);

 gli scenari di calcolo per la valutazione degli impatti di misure alternative;

 gli input per i modelli di qualità dell’aria (o altrimenti detti di dispersione) necessari alla valutazione degli impatti locali e temporali sull’ambiente.

Gli strumenti fondamentali di cui si è servito il progetto Artemis per il raggiungimento degli obiettivi prefissati si possono descrivere nel seguente modo:

 la raccolta dati delle emissioni: includendo tutti i dati e le funzioni necessarie al calcolo delle differenti emissioni (a caldo, a freddo, le evaporative ecc.);

 il modello di trasporto: per il calcolo della composizione dettagliata della flotta in numero di veicoli e in veicolo*chilometro (volume di traffico). Questo risulta dalla creazione di:

o uno scenario della flotta, come combinazione di una descrizione annuale dettagliata della flotta con la distribuzione annuale dei veicoli e/o le registrazioni annuali dei nuovi veicoli con la loro probabilità di sopravvivenza; o uno scenario delle attività di traffico, come combinazione

della composizione della flotta veicolare e delle ipotesi di chilometraggio annuale, per una determinata categoria di veicolo e per aree di percorrenza (urbana, extraurbana e autostradale). Questo scenario inoltre considera le attività di traffico e il chilometraggio in relazione alle situazioni di traffico (ad esempio le tipologie di strada e le condizioni di traffico) e specifica le condizioni climatiche e di utilizzo del veicolo (temperatura, percorsi, partenze, condizioni di parcheggio, distribuzione del traffico) e le loro variazioni

temporali (orarie, giornaliere e annuali) per il calcolo delle emissioni a caldo, a freddo e quelle evaporative;

o uno scenario delle categorie di emissione, in cui siano specificati gli anni e l’introduzione delle nuove categorie di emissione (da Euro1 a Euro5 ecc.).

Questi tre elementi determinano perciò lo scenario di traffico, ossia forniscono insieme la composizione della flotta, l’attività e la distribuzione secondo le situazioni di traffico differenziate per categorie di veicolo e di emissione.

 un processore dei fattori di emissione: che consente il calcolo di tutti i rilevanti fattori di emissione (a caldo, a freddo ed evaporativi) corrispondenti a determinati scenari di traffico, ad un qualsiasi tipo di livello (da un particolare categoria veicolare all’intera flotta);  un modulo di raccolta dati del traffico: che combina uno scenario

di traffico con un’applicazione in un set di dati pronti all’uso

(definizione di collegamenti stradali in uso con i modelli di traffico, aree, periodi ecc.);

 un modulo di calcolo delle emissioni: che determina le emissioni totali per un particolare caso di studio secondo le specifiche dell’utente (inquinanti in esame, periodo di tempo e veicoli di riferimento) e consente di raggiungere attraverso le loro analisi dei risultati dettagliati.

Di seguito si riporta lo schema strutturale degli strumenti utilizzati all’interno del progetto Artemis (cfr. Figura 3.3) (Andrè, et al., 2008).

Figura 3.3: Schema strutturale degli strumenti di Artemis

Tra i lavori principali intrapresi all’interno del progetto Artemis si cita l’analisi dell’influenza che i cicli guida hanno nei confronti delle stime delle emissioni.

A tal proposito sono stati rivisti un gran numero di cicli e le loro caratterizzazioni hanno permesso la costruzione di un nuovo set di cicli contrastanti atti a valutare questa influenza.

Le analisi delle emissioni hanno infatti dimostrato la significante e preponderante influenza dei cicli di guida sulle emissioni stesse ed hanno permesso di identificare i più significativi parametri cinematici.

Questo lavoro è stato inizialmente elaborato per rivisitare e comparare i cicli di guida già esistenti (rispetto la loro cinematica, rappresentatività e metodo di determinazione), per analizzare la sensibilità delle emissioni rispetto ai cicli di prova e comparare le emissioni ottenute da cicli differenti, ed in ultimo per valutare la qualità dei modelli di emissione secondo il numero e la qualità dei cicli di misurazione di cui si servono.

A questo scopo, furono previste delle misurazioni all’interno di sei laboratori rispetto ad undici autoveicoli, utilizzando sedici cicli di guida da selezionare tra cicli di prova già esistenti oppure da adattare o da sviluppare.

Prima di analizzare i cicli di guida presi in considerazione e i cicli di guida creati, è fondamentale fornire la definizione di “ciclo guida” così come riportata all’interno del progetto:

 il ciclo guida è il materiale di base delle misurazioni di emissioni e quindi la sua qualità (rappresentatività, esaustività, riproducibilità ed affidabilità) è molto importante per quanto riguarda la qualità dei dati e dei fattori di emissione e della loro modellazione. E’ opportuno specificare che in Europa sono stati effettuati molti cicli guida e questo potrebbe sembrare apparentemente un vantaggio; analizzando nel dettegli, tuttavia, ci si accorge che essi non hanno alcuna coerenza tra loro poiché sono stati elaborati in vari paesi con metodi e assunzioni differenti;

 il ciclo guida rappresenta l’unico collegamento con le condizioni di guida o il comportamento tenuto dall’utente e per questo all’interno di Artemis la necessità di stimare le emissioni ad un livello molto dettagliato (ad esempio considerando una particolare strada ed una determinata condizione di traffico) fa crescere enormemente il bisogno di capire ed anche di modellare il collegamento esistente tra le emissioni e i parametri cinematici.

 un ciclo di guida si caratterizza attraverso dei parametri sintetici, quali il numero e la durata degli step, velocità massime e medie, numero di accelerazioni, livello, potenza ed energia dei profili di velocità e la distribuzione del prodotto tra velocità e accelerazione.

La realizzazione di un ciclo guida prevede quattro step da dover effettuare: 1. osservazione degli utilizzi dei veicoli e delle condizioni di

operatività (attraverso strumentazioni e monitoraggi di un vasto campione di autoveicoli privati che operano in condizioni di guida reali);

2. analisi delle condizioni di guida (tramite l’analisi di profili di velocità suddivisi in classi tipiche);

3. analisi dei percorsi da effettuare;

4. sviluppo di cicli di guida rappresentativi, riproducendo struttura/caratteristiche dei percorsi e le condizioni di guida. Data la presenza in Artemis di una vasta quantità di dati di emissione provenienti da laboratori differenti e soprattutto da misurazione effettuate attraverso cicli di guida differenti, si è sollevata la questione di tentare di arrivare ad un’armonizzazione di questi dati ed in particolare per quanto riguarda i cicli di prova.

Il metodo per ottenere un’armonia generale è stato basato sull’analisi dei parametri cinematici di questi cicli guida, sulla comprensione dei collegamenti tra i profili di guida e le emissioni, sull’aumentare il campo di studio dei test anche a quelle condizioni di guida che prima non erano state prese in considerazione (stop and go in autostrada, range di velocità sui 100 km/h, alte e basse accelerazioni ecc.) ed infine sullo studio dei metodi e dei principi utilizzati per derivare i cicli di guida.

I cicli di guida utilizzati nel progetto (Andrè, 1996) (Andrè, 2004) (Joumard, 2000) sono:

 23 cicli di guida effettuati a Napoli: questi rappresentano un buon approccio di guida urbana, in particolare in condizioni di congestione. Lo studio comprende un’analisi specifica delle condizioni di partenza e dell’utilizzo del cambio. I dati sono stati registrati tramite l’uso di 2 veicoli, nella città di Napoli, guidate da 3 differenti utenti per una durata totale di 20 giorni (sia di mattina, che di pomeriggio) e da questi ne sono stati registrati i profili di velocità, in modo tale da costruire i cicli guida raggruppando sequenze cinematiche che si susseguivano tra fermate;

 cicli di guida effettuati in Svizzera (Handbook): basati su 210 ore complessive di guida, che hanno fornito dettagliate categorie di situazioni stradali. Agli utenti che guidavano gli autoveicoli venne chiesto di seguire il flusso di traffico e di rispettare i limiti di

velocità esistenti. I dati ottenuti includono le descrizioni delle strade, delle pendenze e del traffico;

 cicli di guida INRETS: derivati da sperimentazioni francesi sulla guida reale, questi 10 cicli (suddivisi in 5 urbani, 3 extraurbani e 2 autostradali) descrivono nel dettaglio le condizioni di guida, con un’omogeneità intrinseca nei livelli di velocità (Joumard & et al., 1987);

 cicli di guida Modem: questi 14 cicli derivano dal monitoraggio di 60 autovetture in uso in Europa (Andrè & al., 1994). Confrontanti con quelli INRETS, a parte il loro carattere internazionale, essi introducono al loro interno l’eterogeneità e la cronologia delle condizioni di guida.

A partire da tali cicli di guida, l’armonizzazione ha consentito di progettare i 3 cicli guida Artemis, basandosi su una vasta raccolta di dati riguardanti i cicli di guida reali per cercare di descrivere “lo spazio” delle effettive condizioni di guida nella loro diversità. Tali cicli sono riportati in Figura 3.4 (Artemis Urbano, Extraurbano e Autostradale).

Furono identificati 12 modelli di guida in base alle analisi dettagliate dei parametri di velocità e accelerazione e vennero così determinati 14 sottocicli all’interno dei 3 di partenza. In totale durante il progetto vennero testati 183 veicoli effettuando 2.753 test (inclusi anche i cicli guida Artemis), di cui:

 537 esaminarono l’influenza del comportamento di guida;  1.334 esaminarono l’influenza dei parametri del veicolo;

 672 esaminarono l’influenza dei parametri relativi di laboratorio;  210 vennero condotti durante esercizi condivisi.

Attraverso questi cicli poi è stato possibile misurare le emissioni e l’accuratezza nelle loro descrizioni fu ricercata affinchè i risultati ottenuti si avvicinassero il più possibile alla realtà (cercando di evitare il più possibile effetti di sovrastima/sottostima dei valori delle emissioni).

Figura 3.4: Cicli guida Artemis Urbano, Artemis Extraurbano e Artemis Autostradale, inclusi i sottocicli e le condizioni di partenza

La struttura in sottocicli ha consentito una disaggregazione delle emissioni secondo le condizioni di guida più specifiche (ad esempio di congestione, oppure di flusso libero ecc.).

Per il database, che rappresenta la raccolta di tutti i risultati dei test effettuati, i fattori più importanti sono la tipologia di carburante (benzina, diesel ecc.), le emissioni standard, le principali tipologie di percorso (urbano, extraurbano e autostradale) e di ciclo guida ed infine i veicoli stessi.

Per essere ancora più precisi però, la variazione delle emissioni associata alla tipologia di percorso o di ciclo guida è maggiore rispetto agli altri fattori e questo ha messo in luce l’influenza che i cicli guida hanno nei confronti delle emissioni.

Ad esempio, per gli autoveicoli diesel è apparso che i maggiori fattori influenzanti fossero la tipologia di percorso, il ciclo guida considerato e il veicolo stesso, mentre, per quanto riguarda gli autoveicoli a benzina, i fattori maggiormente influenzanti sono risultati essere il veicolo e le emissioni standard.

Un chiaro contrasto venne rilevato tra il comportamento delle emissioni prodotte da veicoli diesel, che erano piuttosto sensibili ai parametri di velocità e stop, e quello delle emissioni prodotte dai veicoli a benzina, che invece erano più sensibili alle accelerazioni.

Allo stesso tempo però sono emerse delle similarità tra gli effetti di una guida urbana ed extraurbana riferito ad entrambe le categorie di veicoli: l’analisi di veicoli Euro2 ed Euro3 hanno dimostrato che una guida urbana di tipo congestionato, caratterizzata da molte fermate, produce alte emissioni di CO2 dai veicoli diesel e benzina, ed alte emissioni di NOx dai

soli veicoli diesel; durante la guida in autostrada ad elevate velocità ma costanti, si generano alte emissioni di CO2, mentre a variabili velocità

elevate si producono le più alte emissioni di NOx dai veicoli diesel e le più

alte emissioni di CO dai veicoli a benzina.

La significante influenza delle condizioni di guida nei confronti delle emissioni comportò la necessità di applicare una correzione ai fattori di emissione appartenenti al database del progetto. A questo proposito venne sviluppato un approccio basato su somiglianze cinematiche, caratterizzato da tre fasi successive:

1. raggruppamento dei cicli secondo i contenuti cinematici attraverso la costruzione di uno schema di classificazione;

2. selezione di cicli appropriati a rappresentare ogni gruppo;

3. determinazione di correzioni per sviluppare fattori di emissione di riferimento.

Lo schema di classificazione si basò su una distribuzione bidimensionale della velocità media e dell’accelerazione. Venne applicata un’analisi fattoriale e una procedura automatica di raggruppamento per identificare classi distinte, massimizzando l’omogeneità all’interno di una stessa classe e il contrasto tra le diverse.

I 98 cicli o sottocicli più importanti all’interno del database Artemis sono stati utilizzati per sviluppare uno schema di classificazione, e da ciò risultarono 15 classi soprannominate RTCs (Reference Test Cycles), di cui 13 erano la combinazione di cicli e sottocicli di guida Artemis, mentre le altre due rappresentavano la guida congestionata e la guida con andatura costante in autostrada. Inoltre per ogni categoria di veicolo e di inquinante, ad ogni RTCs venne associato un fattore di emissione.

Figura 3.5 Classificazione dei cicli di guida- definizione e caratteristiche degli RTCs e dei modelli di prova di riferimento (in ordine crescente di velocità media)

Secondo (Joumard, et al., 2006) il processo di classificazione dei cicli di guida ed il calcolo delle emissioni secondo i cicli di riferimento sono aspetti molto importanti per un robusto approccio alla modellazione, ed inoltre dovrebbero essere utilizzati come basi per la definizione di funzioni di emissione in relazione alla velocità e alle dinamiche dei cicli. Un esempio di influenza che i cicli guida hanno rispetto alle emissioni è rappresentato nella Figura 3.6.

Figura 3.6 Influenza dinamica rispetto alle emissioni di CO2 e NOx di un veicolo diesel e di uno a benzina

3.2.3 La metodologia CORINAIR ed il modello COPERT