Calcolo previsionale delle emissioni da traffico veicolare in ambito extraurbano

(1)

SCUOLA DOTTORALE IN INGEGNERIA

SEZIONE SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE

CICLO DEL CORSO DI DOTTORATO

XXVIII

Calcolo previsionale delle emissioni da traffico veicolare in

ambito extraurbano

Dottorando:

__________________

Valerio Veraldi

Docente Guida

__________________

Prof. ing. Maria Rosaria De Blasiis

Coordinatore

__________________

(2)

Collana delle tesi di Dottorato di Ricerca In Scienze dell’Ingegneria Civile

Università degli Studi Roma Tre Tesi n° 60

(3)

Non è abbastanza fare dei passi che un giorno ci condurranno alla meta, ogni passo deve essere lui stesso una meta, nello stesso momento in cui ci porta avanti. (Goethe)

(4)

Sommario

Nell’ambito della presente tesi viene studiata la tematica dell’inquinamento atmosferico in relazione al traffico veicolare. L’inquinamento atmosferico ed i cambiamenti climatici ad esso correlati, sono divenuti temi chiave in campo nazionale ed internazionale, portando alla promulgazione di leggi e regolamenti sovranazionali.

In accordo a numerosi studi e pubblicazioni, quali ad esempio il “Libro Bianco” edito dalla Commissione Europea, appare chiaro il ruolo principale assunto dai trasporti nel quadro del miglioramento della qualità dell’aria. Da tali considerazioni appare evidente la necessità di dotarsi di strumenti previsionali che possano fornire a progettisti e pianificatori un quadro previsionale quanto più possibile realistico ed affidabile, al fine di consentire una corretta gestione del territorio in chiave di miglioramento della qualità dell’aria.

La presente ricerca pertanto è costituita da una preliminare disamina degli attuali strumenti previsionali disponibili, suddivisibili in due macro famiglie: modelli statici e modelli dinamici. La prima categoria di modelli stima le emissioni correlandole a parametri medi quali la velocità media; la seconda categoria di modelli invece correla le emissioni a parametri istantanei quali le velocità istantanee e l’accelerazione.

Negli ultimi anni l’aumento dei traffici ha cambiato significativamente le reali condizioni di flusso producendo un forte aumento delle interferenze. Tale aspetto incide fortemente sugli stili di guida e l’utilizzo di modelli di emissione statici, in determinate condizioni, può quindi portare a sottostime significative. Questo aspetto risulta tanto maggiore se si considerano gli ambiti extraurbani o urbani dove le variazioni di velocità ed i fenomeni di stop&go impediscono di utilizzare il parametro della velocità media come rappresentativo del fenomeno emissivo. In tali casi l’utilizzo di modelli dinamici permette una maggior precisione nella correlazione del fenomeno emissivo, correlando le emissioni in maniera diretta al funzionamento del veicolo nelle reali condizioni di guida. Tale approccio tuttavia richiede una grande mole di dati di ingresso (quali registrazioni video e/o telerilevamenti)

(5)

Al fine di superare le sopracitate criticità, viene presentata una nuova metodologia di analisi delle emissioni con l’obiettivo di correlare i fattori di emissione alle principali variabili progettuali quali flussi di traffico e geometrie, attraverso l’utilizzo di un sistema di simulazione integrata. La metodologia consente di tenere in considerazione l’influenza del comportamento di guida degli utenti nelle diverse condizioni di guida, al variare dei sopracitati parametri progettuali, attraverso l’uso del simulatore di guida in realtà virtuale. La metodologia prevede di utilizzare l’output del simulatore quale input di uno specifico modello di stima delle emissioni di tipo dinamico.

La ricerca pertanto, è volta a definire le emissioni generate dai veicoli. Tali veicoli sono stati scelti a seguito di una disamina del parco veicolare circolante, definendo rispettivamente un veicolo benzina ed uno diesel ai fini dell’analisi stessa.

Tali emissioni verranno correlate al variare delle geometrie, definite attraverso il livello di omogeneità del tracciato, e dei flussi veicolari, definiti attraverso il rapporto flusso-capacità, con specifico riferimento all’ambito extraurbano.

(6)

Abstract

The air pollution has become a sensitive topic in the international scene, leading to the definition of laws and regulations. According to several publications by European Commissions, such as the White Paper, the role of transport within the framework of air quality improvement is clear. It is therefore necessary to provide tools that can give to planners real opportunities to look at different strategies to be put in place.

There is a need to refer to models that are more reliable and precise, due to the higher demand for the reduction of pollutants dictated by the environmental requirements of pursuing sustainable development. Currently, mainly two groups of emission models are available: the former is represented by the static or “standard” models, in which the amount of pollutant is computed as a function of average parameters; the latter is represented by the dynamic models, where the amount of pollutant is computed as a function of instantaneous parameter, such as instantaneous speed or acceleration.

In the last years the traffic increase has significantly changed the actual flow conditions, producing a strong rise of interferences. As this facet affects the operating condition of each vehicle, the use of a standard emission models at high traffic interference can lead to some inaccuracies. This aspect is especially influential in rural or urban areas, where may occur “stop&go” phenomena, so the average speed cannot be considered as a significant parameter of the emissions.

In such cases, instantaneous emission models introduce deeper capabilities; essentially, the pollutant prediction is directly tied to the engine vehicle operation point in real-like traffic condition. However, this approach requires a large amount of input data (i.e. video recordings or remote sensing analysis), which are not always available.

The present research is based on an integrated simulation tool. Emissions from road traffic are simulated through a dynamic model, whose input data are obtained by the output of virtual reality simulation.

(7)

This method allows taking the influence of users driving behaviours in different geometrical and flow conditions into account.

The present research defines the correlation between the emission generated by two kind of vehicles – chosen as more representative of Italian circulating fleet – and the geometrical and flow conditions of rural highways.

(8)

Indice

ELENCO DELLE FIGURE ... X ELENCO DELLE TABELLE ... XVI ELENCO DEI SIMBOLI ... XIX

1 INTRODUZIONE ... 1

1.1 L’INQUINAMENTO ATMOSFERICO ED I CAMBIAMENTI CLIMATICI ... 1

1.2 ANALISI DELLE SORGENTI EMISSIVE ... 3

1.3 PRINCIPALI INQUINANTI: ORGANICI E INORGANICI ... 10

1.4 IL FENOMENO FISICO ... 14

1.4.1 Definizione delle fasi ... 14

1.4.2 La fase di emissione ... 15

1.4.3 La fase di diffusione ... 16

1.5 ANALISI NORMATIVA... 18

2 SCOPO ED OBIETTIVI DELLA PRESENTE RICERCA ... 21

3 I MODELLI PREVISIONALI PER LE EMISSIONI ... 24

3.1 TIPOLOGIE E CAMPI DI APPLICAZIONE ... 24

3.2 I MODELLI STATICI ... 27

3.2.1 Aspetti generali ... 27

3.2.2 Il progetto Artemis ... 30

3.2.3 La metodologia CORINAIR ed il modello COPERT ... 41

3.3 I MODELLI DINAMICI ... 52 3.3.1 Aspetti generali ... 52 3.3.2 Il modello EMFAC ... 55 3.3.3 Il modello HBEFA ... 58 3.3.4 Il modello MODEM... 64 3.3.5 Il modello MOVES ... 67

4 LA NUOVA METODOLOGIA PROPOSTA ... 69

4.1 I LIMITI E LE NECESSITÀ EMERSE DALL’ANALISI BIBLIOGRAFICA ... 69

4.2 LA STRUTTURA DELLA NUOVA PROPOSTA METODOLOGICA ... 72

4.3 GLI STRUMENTI UTILIZZATI ... 75

4.3.1 Il simulatore di guida in realtà virtuale STIsim Drive ... 75

4.3.2 Il modello di stima delle emissioni dinamico LMS Amesim ... 77

4.4 LA SCELTA DELLA TIPOLOGIA DI VEICOLI SIMULATI ... 80

4.4.1 Premessa metodologica ... 80

4.4.2 L’analisi statistica del parco veicolare circolante ... 81

4.5 LA MODELLAZIONE E LA VERIFICA DEI VEICOLI SIMULATI ... 84

4.5.1 La modellazione in STIsim Drive ... 84

(9)

4.5.3 La verifica degli European Emission standards ... 95

4.6 LA SCELTA DEGLI SCENARI DI SIMULAZIONE E DELLE VARIABILI DI ANALISI ... 98

4.6.1 Definizioni preliminari ... 98

4.6.2 Gli scenari per la valutazione degli effetti correlati alle interferenze veicolari 99 4.6.3 Gli scenari per la valutazione degli effetti correlati agli aspetti geometrici 101 4.6.4 Gli scenari per la valutazione degli effetti correlati all’analisi integrata 103 4.6.5 Scenari supplementari ... 104

4.7 LA SCELTA DEL CAMPIONE DI ANALISI E L’ESCLUSIONE DELLE ANOMALIE ... 104

5 L’ANALISI DEI RISULTATI ... 107

5.1 ASPETTI GENERALI DELLE ANALISI ... 107

5.2 EMISSIONI IN RELAZIONE ALLE INTERFERENZE VEICOLARI ... 107

5.2.1 Analisi della dispersione delle velocità in relazione alle emissioni ... 115

5.3 EMISSIONI IN RELAZIONE ALLE GEOMETRIE ... 120

5.4 ANALISI INTEGRATA ... 126

5.5 SCENARI SUPPLEMENTARI ... 129

5.6 CONFRONTI TRA GLI SCENARI ... 134

6 PRIMI ELEMENTI DI VALIDAZIONE ... 139

6.1 TIPOLOGIE DI VALIDAZIONI ... 139

6.2 VALIDAZIONI STATISTICHE ... 139

6.3 VALIDAZIONI DEL MODELLO EMISSIVO ... 143

7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 146

7.1 CONCLUSIONI ... 146

7.2 SVILUPPI FUTURI ... 149

8 BIBLIOGRAFIA ... 150

9 NOTE SULL’AUTORE ... 157

(10)

Elenco delle figure

3.1 Schema di processo di funzionamento di un modello

previsionale delle emissioni 25

3.2 Scala di applicazione dei modelli previsionali per le

emissioni da traffico veicolare 27

3.3 Schema strutturale degli strumenti di Artemis 34

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

partenza 38

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) 40 3.6 Influenza dinamica rispetto alle emissioni di CO2 e NOx

di un veicolo diesel e di uno a benzina 41

3.7 Metodo per il calcolo delle emissioni generate dal

trasporto stradale fonte: Emission Guide Book 44

3.8 Schema concettuale del modello COPERT 52

3.9 Schema logico del modulo EMFAC-SG 57

3.10 Curve di velocità – tempo dei cicli di guida R1, R2, R3,

R4 61

3.11 Curva di velocità-tempo dei cicli di guida S1, S2, S3, S4 62

4.1 Flow chart metodologico 73

4.2 Simulatore di guida (alto) e postazione di controllo (basso) installati all'interno dei laboratori CRISS presso

(11)

4.3 Modulo Componenti del motore a combustione fonte:

LMS Amesim User Guide 78

4.4 Modulo Dispositivi elettrici on board fonte: LMS Amesim

User Guide 78

4.5 Modulo Sistema di trasmissione e cambio fonte: LMS

Amesim User Guide 78

4.6 Modulo carico del veicolo fonte: LMS Amesim User

Guide 78

4.7 Modulo Scarico fonte: LMS Amesim User Guide 78

4.8 Schematizzazione del processo output-input dei modelli

STIsim Drive e LMS Amesim 79

4.9 Mappe tipologiche di emissione 80

4.10 Suddivisione percentuale tipologia di autoveicoli Benzina (sinistra) Diesel (destra) fonte: ACI –– Autoritratto 2013 82 4.11 Suddivisione percentuale per tipologia di alimentazione

degli autoveicoli fonte: ACI - – Autoritratto 2013 82 4.12 Classificazione emissiva del parco veicolare circolante

fonte: ACI - Autoritratto 2013 83

4.13 Grafico di correlazione Coppia-RPM 84

4.14 Schematizzazione grafica del tracciato di prova per la

verifica dell'effetto delle motorizzazioni sugli stili di guida 85 4.15 Profilo di velocità degli utenti con veicolo a benzina nel

tracciato di prova 86

4.16 Profilo di velocità degli utenti con veicolo a diesel nel

tracciato di prova 86

(12)

4.18 Ambiente di simulazione veicolo diesel in Amesim 89 4.19 Mappe tipologiche di emissione veicolo diesel A (NOx) B

(PM) C (consumi) D (coppia) 90

4.20 Mappe tipologiche di emissione per veicolo benzina A1

(CO) A2(NOx) A3(HC) A4(consumi) B(coppia) 90

4.21 Efficienza di conversione di un “three way catalitic

converter” 93

4.22 Ciclo NEDC simulato in Amesim 96

4.23 Diagramma delle curvature caso Autostradale 100

4.24 esemplificazione del metodo della convergenza delle

medie 105

5.1 Variazione della velocità media in funzione del rapporto

N/C 108

5.2 Variazione dei consumi medi in funzione del rapporto

N/C 109

5.3 Fattori di emissione medi per veicolo benzina al variare

del rapporto N/C 110

5.4 Fattori di emissione medi per veicolo diesel al variare del

rapporto N/C 111

5.5 Esemplificazione del rapporto velocità fattore di

emissione istantaneo 112

5.6 Esemplificazione dell'aumento delle condizioni di accelerazione e decelerazione all'aumentare dei flussi

veicolari 113

5.7 Fattori di emissione istantanei in relazione alla velocità

(13)

5.8 Fattori di emissione istantanei in relazione alla velocità

istantanea veicolo diesel 114

5.9 Grafico tasso aria/combustibile ed emissioni cumulate di

NO 115

5.10 Grafico tasso aria/combustibile, apertura della valvola a

farfalla ed emissioni cumulate di NO 117

5.11 Correlazione tra fattori di emissione e deviazione

standard della velocità - benzina 118

5.12 Correlazione tra fattori di emissione e deviazione

standard della velocità – diesel 119

5.13 Variazione della velocità media in funzione del CS 120 5.14 Variazione dei consumi medi in funzione del CS 121 5.15 Fattori di emissione medi per veicolo benzina al variare

del CS 122

CS 123

5.17 Correlazione tra fattori di emissione NOx e deviazione

5.18 Correlazione tra fattori di emissione CO e deviazione

standard della velocità - diesel 125

5.20 Correlazione tra fattori di emissione PM e deviazione

standard della velocità - diesel 125

5.21 Variazione della velocità media in funzione della

(14)

N/C con CS 0,6 127

del rapporto N/C con CS 0,6 128

rapporto N/C 129

5.25 Variazione della velocità media in funzione del CS –

scenari supplementari 130

5.26 Variazione dei consumi medi in funzione del CS – scenari

supplementari 131

del CS – scenari supplementari 132

CS – scenari supplementari 132

standard della velocità – benzina scenari supplementari 133 5.30 Correlazione tra fattori di emissione CO e deviazione

standard della velocità – benzina scenari supplementari 133 6.1 Fattori di emissione medi misurati attraverso

sperimentazioni PEMS 145

6.2 Fattori di emissione al variare delle velocità calcolati da

dati sperimentali con strumentazione PEMS 145

7.1 Esemplificazione degli ambiti costituenti il sistema

stradale 146

7.2 Confronto dei punti di funzionamento del motore tra il ciclo NEDC ed un ciclo determinato attraverso Real

(15)

7.3 Schematizzazione della previsione delle nuove normative

(16)

Elenco delle tabelle

1.1 Trend emissivo NOx dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory 1990 – 2011 Informative Inventory

Report 2013 4

1.2 Trend emissivo CO dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory 1990 – 2011 Informative Inventory

Report 2013 4

1.3 Trend emissivo PM10 dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory 1990 – 2011 Informative Inventory

Report 2013 5

1.4 Andamenti % di inquinanti NOx anni 1990 e 2011 6

1.5 Andamenti % di inquinanti CO anni 1990 e 2011 7

1.6 Andamenti % di inquinanti PM10 anni 1990 e 2011 8 3.1 Classificazione sorgenti emissive SNAP-Settore 42

3.2 Riepilogo dei cicli di guida del HBEFA 60

3.3 Schema degli scenari di traffico del modello HBEFA 63 3.4 Matrice dei fattori di emissione: emissioni di CO [g/h] da

veicoli a benzina catalitici 65

3.5 Riepilogo dei cicli guida del modello Modem 66

4.1 Veicoli scelti per l’analisi emissiva 83

4.2 Confronto stili di guida campione Diesel e Benzina 86 4.3 Valori di emissione da ciclo NEDC desunti da ciclo

NEDC 97

(17)

4.5 Interferenze veicolari calcolate come N/C simulate in

realtà virtuale 101

4.6 Indicatore di sintesi per la definizione dei tracciati di

simulazione 103

4.7 Definizione delle caratteristiche degli scenari di analisi

integrata 103

4.8 Definizione delle caratteristiche degli scenari

supplementari 104

5.1 Velocità media e deviazione standard in funzione della

densità veicolare – caso autostradale 108

N/C 109

5.3 Velocità media e deviazione standard in funzione del

livello di CS 120

5.4 Variazione dei consumi medi in funzione del livello di CS 121 5.5 Velocità media e deviazione standard in funzione della

densità veicolare con CS 0,6 127

5.6 Velocità media e deviazione standard in funzione della

densità veicolare con CS 0,6 127

5.7 Velocità media e deviazione standard in funzione del

livello di CS 130

5.8 Variazione dei consumi medi in funzione del livello di CS 131 5.9 Tabella riassuntiva dati aggregati Emissioni in relazione

alle interferenze - caso autostradale 135

5.10 Tabella riassuntiva dati aggregati Emissioni in relazione

(18)

5.11 Tabella riassuntiva dati aggregati Emissioni analisi

integrata - – caso extraurbano 137

5.12 Tabella riassuntiva dati aggregati Emissioni in relazione

alle geometrie – caso extraurbano 138

6.1 Risultati del Test ANOVA variazioni delle emissioni in

relazione alla variazione dei flussi - caso autostradale 141 6.2 Risultati del Test ANOVA variazioni delle emissioni in

relazione alla variazione delle interferenze con tracciato

disomogeneo - caso extraurbano 142

6.3 Risultati del Test ANOVA variazioni delle emissioni in relazione alla variazione delle interferenze con tracciato

disomogeneo - caso extraurbano 142

6.4 Risultati del Test ANOVA variazioni delle emissioni in relazione alla variazione delle interferenze con tracciato

(19)

Elenco dei simboli

Nell’elenco che segue sono riportati i principali simboli che compaiono nei capitoli della tesi.

𝑀_𝑗,𝑘 distanza media annuale persorsa

< 𝑀_𝑗,𝑘 > distanza totale annua percorsa

𝛽_𝑖,𝑘 frazione di km percorsi con motore a freddo E Emissioni

𝐸_𝐻𝑂𝑇 Emissioni a caldo

𝐸_{𝐶𝑂𝐿𝐷} Emissioni a freddo

𝐸_{𝑏𝑎𝑠𝑒}𝑖,𝑔 Emissioni di base

𝛿𝐸_𝑇𝑖,𝑔 Rateo emissivo dovuto alla livelletta

𝛿𝐸_𝑀𝑖,𝑔 Rateo emissivo dovuto allo stato della meccanica

𝛿𝐸_𝐸𝑉𝐻𝐶,𝑔 Rateo emissivo dovuto alle emissioni evaporative

𝑒𝐻𝑂𝑇;𝑖,𝑘 Fattore di emissione a caldo

𝑒𝐶𝑂𝐿𝐷 Fattore di emissione a freddo

𝑣_𝑚 Velocità media

P Pendenza della livelletta

𝐹𝐶_𝑗,𝑚 Consumo di combustibile

𝐸𝐹𝑖,𝑗,𝑚 Fattore di emissione

(20)

𝐸𝐹𝐶𝑂 Fattore di emissione di CO

𝐸𝐹𝑃𝑀 Fattore di emissione di PM

NOx Ossidi di Azoto

CO Monossido di Carbonio

PM Particolato

PM10 Particolato fino

PM2,5 Particolato ultrafino

VOC Composti organici volatili

NMVOC Composti organici volatili non metanici

HC Idrocarburi

PC Autoveicoli

LDVs Veicoli commerciali leggeri

HDVs Veicoli Pesanti

LOS Livello di servizio

VSP Potenza specifica di un veicolo

3WC Three way catalytic converter

DOC Diesel Oxidation Catalyst

NEDC New European Driving Cycle

RDE Real Driving Emissions

N/C Rapporto flusso capacità

(21)

Dev.st Deviazione standard

ANOVA Analisi della varianza

𝐺𝑑𝐿𝑡𝑜𝑡 Gradi di libertà totali

𝐺𝑑𝐿𝑖𝑛𝑡 Gradi di libertà interni ai campioni

𝐺𝑑𝐿𝑓𝑟𝑎 Gradi di libertà fra i campioni

𝑑𝑒𝑣. 𝑞_𝑡𝑜𝑡 Deviazione quadratica totale

𝑑𝑒𝑣. 𝑞_𝑖𝑛𝑡 Deviazione quadratica interna ai campioni

𝑑𝑒𝑣. 𝑞_𝑓𝑟𝑎 Deviazione quadratica fra i campioni

(22)

(23)

1.1 L’inquinamento atmosferico ed i cambiamenti

climatici

Il rapporto tra i cambiamenti climatici cui siamo soggetti e gli effetti che questi avranno sull’ambiente è stato oggetto di numerosi studi svolti dalle comunità scientifiche.

Da oltre un ventennio il concetto dei cambiamenti climatici ed i loro effetti sono orami radicati nella coscienza collettiva e, nello specifico, sono state analizzate le correlazioni tra tali cambiamenti e le principali componenti ambientali e sociali (Houghton, et al., 1995). Gli effetti di tali cambiamenti stanno portando a numerose modifiche su tutti i sistemi naturali al punto tale da spingere molti ricercatori a cercare di determinare delle correlazioni sistematiche tra tali cambiamenti e le cause che li provocano (Parmesan & Yohe, 2003) (Gian-Reto, et al., 2002).

I risultati delle molteplici indagini e studi ventennali hanno messo in luce come l’aumento esponenziale dell’impatto antropico sulla biosfera ha di fatto mostrato la limitatezza e la vulnerabilità delle risorse ambientali, (Coscarelli, et al., 2007) con il conseguente delinearsi di un quadro sicuramente preoccupante; basti pensare che il riscaldamento a cui è soggetta la Terra determinerà un aumento dell'evaporazione, con conseguente riduzione dei corsi d’acqua che porterebbe ad un’insufficienza idrica che coinvolgerà nel 2020 tra i 374 e i 1664 milioni di persone; la maggiore velocità di evaporazione e la minore disponibilità di precipitazioni farebbero aumentare anche la domanda per l’irrigazione, aggravando la precaria disponibilità idrica già esistente, andando a focalizzare il problema sulla gestione delle risorse idriche negli anni a venire (Arnell, 1999).

Inoltre l’aumento di 1°C e 2°C della temperatura media globale prevista nei prossimi anni accelererà la riduzione della biodiversità e porterà danni irreversibili agli ecosistemi, dovuti alla difficoltà nella capacità di adattamento alle nuove temperature delle specie animali e vegetali presenti in natura (Leemans & Bas, 2004) così come alla salute umana (McMichael, et al., 2006).

(24)

È quindi facile intuire la gravità delle conseguenze economiche, sociali e politiche che possono scaturire da tutti questi effetti diretti del mutamento climatico, che non investe più unicamente la sola componente ambientale, nella sua accezione di componente naturale, ma diviene parte integrante di un’analisi più ampia che investe anche gli ambiti economici e sociali. Per meglio definire tale concetto è possibile richiamare, a titolo di esempio, i numerosi studi effettuati in relazione alla produzione mondiale di cibo. In tale campo, infatti, sono molteplici gli studi che tentano, da un lato, di definire le cause e le possibili contromisure e, dall’altro, di stimare il surplus economico correlato a tale aspetto. (Parrya, et al., 2004).

E’ dunque ben chiara la presenza di una problematica e la necessità di effettuare analisi sempre più accurate che permettano pertanto di determinare le cause che ed, al tempo stesso, di attuare contromisure volte a limitare il cambiamento stesso.

Appare inoltre opportuno evidenziare come, parallelamente a tali studi di ricerca delle cause del cambiamento climatico, si siano sviluppate correnti di analisi che invece ricercano le strategie per adattarsi al cambiamento climatico (Lim, et al., 2004).

In tale articolato quadro di analisi ed individuazione delle cause e di definizione delle strategie per l’adattamento l’attenzione si è posta sempre più alle tematiche dell’inquinamento atmosferico, concentrandosi sul controllo dei livelli di qualità dell’aria.

E’ infatti ben noto come vi sia una specifica correlazione tra l’inquinamento atmosferico ed i cambiamenti climatici e come l’interazione tra essi sia reciproca. Recenti studi hanno fornito stime di tali correlazioni attraverso l’analisi integrata dei livelli di qualità dell’aria con le variabili meteorologiche attraverso modelli previsionali di trasporto chimico dell’inquinamento.

Da tali studi (Jacob & Winner, 2009) è emerso come l’inquinamento atmosferico determinerà nel futuro a medio – lungo termine una condizione di minor circolazione atmosferica, provocando una stagnazione delle condizioni di inquinamento locale. Tale aspetto renderà maggiormente

(25)

critica la condizione correlata alla salute umana, determinando livelli di concentrazione degli inquinanti in atmosfera ancora maggiori.

A fronte di ciò in Italia, come anche in molte altre parti del mondo, è stato posto l’obiettivo di migliorare la qualità dell’aria attraverso l’adozione di una serie di provvedimenti ed il perseguimento di alcune strategie.

Le responsabilità delle attività antropiche nei cambiamenti climatici assumono un ruolo di primaria importanza, sia in negativo, sia in positivo. E’ infatti responsabilità dell’uomo bilanciare la propria pressione, ovvero lo sfruttamento delle risorse, al fine di contenere, quanto più possibile gli effetti dei cambiamenti climatici.

In questo senso, non si può negare che si stia cercando di trovare delle misure di contenimento, sempre più affinate, per cercare di “limitare i danni”, iniziando a promuovere interventi che vadano nell’ottica della sostenibilità ambientale.

1.2 Analisi delle sorgenti emissive

Tra le principali cause di emissioni di inquinanti in atmosfera vi è ai primi posti il traffico veicolare. Le ragioni di tale fenomeno è da ricercarsi principalmente nel fatto che, il settore dei trasporti su strada, negli ultimi cinquanta anni, ha subito un aumento esponenziale.

Tutto ciò ha determinato una crescita dei livelli di concentrazione di sostanze inquinanti correlate alle emissioni dei veicoli, compromettendo la qualità dell’aria e mettendo a rischio la salute umana.

Entrando nel merito di tale problematica è possibile definire come il trasporto su gomma giochi un ruolo di prim’ordine in termini di emissioni di “gas serra” nel contesto nazionale. Nonostante negli ultimi anni il paese abbia attraversato una profonda crisi economica che ha portato ad una contrazione dei volumi di traffico di autovetture circolanti, il trasporto su gomma resta la forma di spostamento maggiormente utilizzata, con percentuali di spostamento delle merci su gomma che si attestano nell’intorno dell’85% (Automobile Club d'Italia, 2013) .

(26)

Dai dati registrati sui movimenti è possibile effettuare le relative analisi circa il quantitativo di emissioni prodotte. Dall’analisi degli inventari delle emissioni è possibile quindi valutare il trend che, negli ultimi venti anni, hanno avuto tutte le diverse sorgenti emissive, in relazione ai principali inquinanti prodotti nei processi di combustione (ISPRA, 2013).

Tabella 1.1 Trend emissivo NOx dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory

1990 – 2011 Informative Inventory Report 2013

NOx Ossidi di Azoto 1990 [Gg] 2011 [Gg]

Combustion in energy and transformation

industries 457 75

Non industrial combustion plants 62 83

Combustion - Industry 249 99

Production processes 30 11

Road transport 949 482

Other mobile sources and machinery 270 176

Waste treatment and disposal 4 4

Agriculture 0 0

Tabella 1.2 Trend emissivo CO dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory 1990 – 2011 Informative Inventory Report 2013

CO Monossido di Carbonio 1990 [Gg] 2011 [Gg]

industries 59 32

(27)

Tabella 1.3 Trend emissivo PM10 dal 1990 al 2011 fonte: Italian Emission Inventory 1990 – 2011 Informative Inventory Report 2013

PM10 – Particolato fino 1990 [Gg] 2011 [Gg]

industries 45 2

Agriculture 18 19

Dall’analisi di tali dati è possibile effettuare, in via preliminare, una duplice considerazione: in termini assoluti è possibile notare come, il trasporto su gomma, rappresenti, come precedentemente accennato, la fonte principale di inquinamento antropico; parallelamente, tuttavia è possibile notare gli sforzi effettuati al fine di contenere il fenomeno, ed il notevole trend riduttivo (soprattutto con riferimento alla CO) dal 1990 al 2011.

Al fine di poter quantificare, in termini percentuali, l’apporto del settore stradale e come tale apporto sia cambiato rispetto alle altre sorgenti nell’ultimo ventennio, è possibile fare riferimento ai grafici sottostanti.

(28)

Tabella 1.4 Andamenti % di inquinanti NOx anni 1990 e 2011

Ossidi di Azoto NOx

1990

2011

Nonostante la riduzione, in termini di emissioni totali di NOx, vista nelle tabelle precedenti, è possibile notare come, in termini percentuali, la maggiore responsabilità delle emissioni è correlata al trasporto stradale.

(29)

Tabella 1.5 Andamenti % di inquinanti CO anni 1990 e 2011

Monossido di Carbonio

1990

2011

Differentemente dagli ossidi di azoto, per il monossido di carbonio è possibile notare una riduzione in termini percentuali della quota parte di contributo al totale, pur rimanendo la fonte principale.

(30)

Tabella 1.6 Andamenti % di inquinanti PM10 anni 1990 e 2011

Particolato PM10

1990

2011

Con riferimento al Particolato inferiore ai 10 micrometri si registra una netta riduzione del contributo percentuale in relazione al totale. Risultato che tuttavia è dato solo in parte dal miglioramento delle tecnologie correlate al traffico veicolare in quanto le sorgenti non industriali (contrariamente a tutte le altre sorgenti) in tale arco temporale di riferimento sono aumentate, diventando così la sorgente primaria di produzione di tale inquinante.

(31)

Oltre all’entità sopraesposta, il settore stradale ha poi una seconda caratteristica che lo rende particolarmente critico sia dal lato dei cambiamenti climatici, sia dal punto di vista della salute umana, ovvero la “capillarità” della sorgente.

A differenza di altri settori, quali ad esempio quello industriale in cui la sorgente è spesso statica e collocata in determinati punti specifici (scelti ad hoc in funzione del livello di criticità) che la rendono più facilmente controllabile; il settore stradale è invece caratterizzato da una vicinanza con i ricettori (ovvero l’uomo) molto maggiore.

La strada, infatti, per sua natura vocazionale, nasce con l’obiettivo di raggiungere e collegare i principali punti di interesse degli spostamenti e, pertanto, le abitazioni, i centri commerciali e tutti i punti di interesse, interferendo così in maniera “capillare” con la salute umana.

Per tali ragioni, la sorgente stradale rappresenta uno dei principali elementi su cui la comunità scientifica ha cercato di intervenire e convogliare le attenzioni, al fine di poter trovare e migliorare tecnologie costruttive, strategie e politiche che ne riducessero il più possibile la pressione e l’interferenza ambientale.

(32)

1.3 Principali inquinanti: organici e inorganici

L’inquinamento atmosferico è quella situazione per la quale in atmosfera sono presenti alcune sostanze (gas di vario genere, particelle di diversa granulometria ecc.) a concentrazioni tali da essere superiori a quelle naturalmente presenti in aria e soprattutto tali da poter produrre potenziali effetti nocivi sulla salute umana, sulla qualità della vita, sulla flora, sulla fauna, sul paesaggio, sui materiali, sui manufatti e sulle opere d’arte. Gli inquinanti, pertanto, possono essere considerati come qualsiasi sostanza presente nell'aria ambiente che può avere effetti dannosi sulla salute umana o sull'ambiente nel suo complesso (D.Lgs 155/2010, s.d.) .

I fenomeni di inquinamento atmosferico però non sono riconducibili ad un unico evento, bensì sono il risultato di una complessa competizione tra fattori che, da una parte determinano un accumulo di queste sostanze nell’aria e dall’altra invece ne determinano la loro rimozione e diluizione in atmosfera.

L’entità e le modalità di emissione (sorgenti puntiformi, lineari, altezze di emissione ecc.), i tempi di persistenza degli inquinanti, il grado di mescolamento dell’aria, sono solo alcuni di quei fattori che producono variazioni spazio-temporali della composizione dell’aria.

E’ inoltre importante definire i principali inquinanti prodotti dal traffico veicolare e valutarne i principali effetti sul clima e, non secondariamente, sull’uomo.

(33)

Monossido di carbonio (CO):

E’ un gas inodore, insapore e altamente tossico a causa della sua capacità di interferire con il normale trasporto di ossigeno presente nel sangue. E’ prodotto dalla combustione di sostanze organiche, come ad esempio i derivati del petrolio che alimentano i mezzi di trasporto. Il monossido di carbonio presenta anche una forte variabilità spaziale: in una strada isolata la sua concentrazione mostra di solito valori massimi nell’intorno dell’asse stradale, mentre decresce molto rapidamente allontanandosi da esso via via diventando sempre più trascurabile.

Anidrite carbonica (CO2):

E’ un gas incolore ed inodore, più pesante dell’aria. Si tratta di un gas velenoso solo alle alte concentrazioni (circa il 30%), rappresenta il principale prodotto dell’attività respiratoria dei vegetali ed è uno dei responsabili dell’effetto serra (causa dell’aumento della temperatura media del pianeta). Per quanto riguarda invece le cause antropiche di emissione di CO2 nell’atmosfera vi possiamo trovare tutti i processi di combustione,

tra cui quelli che avvengono all’interno dei motori dei veicoli stradali; Idrocarburi (HC):

Composti organici costituiti da atomi di carbonio e di idrogeno, che si classificano in base alla loro composizione, cioè alla percentuale di questi due elementi. I principali problemi che scaturiscono da essi sono essenzialmente due, il primo connesso alla partecipazione ai processi di formazione di smog fotochimico (particolare inquinamento dell’aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione) e il secondo legato alle proprietà degli idrocarburi stessi, che possono essere causa di danni all’uomo e alle altre forme viventi poiché cancerogeni;

Particolato (PM):

Può essere costituito da varie sostanze, quali sabbia, ceneri, polveri, fuliggine, sostanze silicee di diversa natura, sostanze vegetali, composti metallici, fibre tessili naturali ed artificiali, sali, elementi come il carbonio o il piombo ecc.

(34)

Le particelle primarie sono quelle che vengono emesse come tali dalle sorgenti naturali ed antropiche, mentre le secondarie si originano da una serie di reazioni chimiche e fisiche in atmosfera. Le polveri PM10 rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 10 micron, mentre le PM2,5 (che costituiscono circa il 60% delle PM10), rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 2,5 micron. L’origine del particolato va ricercata sia nelle fonti naturali (come ad esempio i fenomeni di eruzione vulcaniche, gli incendi boschivi, l’erosione e la disgregazione delle rocce ecc.) che in quelle antropiche (come l’utilizzo dei combustibili fossili per il riscaldamento domestico, le emissioni degli autoveicoli, l’usura degli pneumatici, dei freni e del manto stradale). Le polveri sottili rimangono sospese nell’aria più a lungo e generano effetti irritativi nell’apparato respiratorio. Per quanto riguarda invece gli effetti del particolato sul clima e sui materiali, essi si manifestano con formazione di nebbie e piogge acide, che a loro volta comportano fenomeni di erosione e corrosione.

Ossidi di azoto (NOX ):

Generati da processi di combustione per reazione diretta tra l’azoto e l’ossigeno dell’aria ad alta temperatura (superiore a 1200°C).

I fumi di scarico degli autoveicoli contribuiscono enormemente all’inquinamento da NO, in cui la quantità di emissioni dipende dalle caratteristiche del motore e dalla modalità del suo utilizzo (velocità, accelerazione ecc.); in generale la presenza di NO aumenta quando il motore lavora ad elevato numero di giri.

Si possono inoltre considerare tra gli inquinanti atmosferici più critici, non solo perché il biossido di azoto in particolare presenta effetti negativi sulla salute, ma anche perché, in condizioni di irraggiamento solare, provocano delle reazioni fotochimiche secondarie che creano sostanze inquinanti (come lo smog fotochimico);

(35)

Ozono (O3):

E’ un gas tossico di colore bluastro e dall’odore pungente, che fa parte dei normali costituenti dell’aria. Una notevole quantità di questa sostanza viene prodotta nel corso delle ossidazioni degli idrocarburi presenti nell’aria, perciò le cause dell’inquinamento da ozono sono le stesse che provocano l’esistenza dello smog fotochimico, ovvero l’emissione degli idrocarburi e degli ossidi di azoto dovuti in buona parte ai mezzi di trasporto.

Nelle aree urbane i livelli massimi di concentrazione si verificano in genere verso mezzogiorno e sono preceduti, nelle prime ore del mattino, da concentrazioni massime di ossidi di azoto e idrocarburi rilasciati dal forte traffico dei veicoli all’inizio della giornata (composti che ne costituiscono i precursori);

Piombo (Pb):

Si tratta di un metallo pesante dagli effetti tossici per l’uomo, i più frequenti dei quali sono i danni al sistema nervoso e l’inibizione della sintesi dell’emoglobina.

La principale causa della presenza di composti di piombo nell’atmosfera è di tipo antropico e consiste in alcune attività industriali e nella combustione, nei mezzi di trasporto, di benzine contenenti alcuni composti del piombo con funzioni antidetonanti.

(36)

1.4 Il fenomeno fisico

1.4.1 Definizione delle fasi

Il presente paragrafo è volto a definire da un punto di vista fisico quelle che sono le caratteristiche del fenomeno “Inquinamento atmosferico”.

In senso generale è possibile distinguere l’inquinamento atmosferico composto da due macro fasi:

 la fase di emissione;  la fase di diffusione.

Queste due fasi sono due step consequenziali del fenomeno che ne caratterizzano l’evoluzione temporale e spaziale, definendone, in via indiretta, l’entità e la frequenza.

Nel descrivere e quantificare l’inquinamento atmosferico, pertanto, risulta fondamentale riuscire a distinguere la fase di emissione dalla fase di diffusione, non solo perché processi differenti di uno stesso fenomeno (pertanto per un’analisi completa si necessita la definizione completa di entrambi) ma poiché essendo regolati da variabili differenti necessitano di modelli di analisi, concettualmente e matematicamente molto differenti. Tale differenza risulta ancor più importante nel trasporto stradale, dove, il fattore “uomo”, come poi meglio esplicitato in seguito, assume un ruolo centrale nella determinazione e nella generazione del rateo emissivo del singolo veicolo.

Nei paragrafi successivi verrà brevemente illustrata la differenza tra le due fasi.

(37)

1.4.2 La fase di emissione

Le emissioni rappresentano il primo “step” dell’inquinamento atmosferico portando alla definizione del quantitativo (grammi, chilogrammi, tonnellate ecc.) di inquinanti prodotti dal singolo autoveicolo o dal complesso di autoveicoli che si muovono su un’infrastruttura o su di un territorio.

Le emissioni da traffico stradale possono essere distinti in tre macro categorie (European Environment Agency, 2009):

 Exhaust emissions: rappresentano le emissioni derivanti dai processi di combustione interna del motore;

 Non - Exhaust emissions: rappresentano le emissioni derivanti dai processi di usura di parti meccaniche (freni, pneumatici, ecc.);  Evaporative emissions: rappresentano le emissioni derivanti da

perdite evaporative che si verificano durante la marcia del veicolo. Dal punto di vista concettuale, le emissioni rappresentano l’introduzione delle sostanze inquinanti nell’aria a partire da una certa sorgente. La potenza emissiva di tale sorgente è definita attraverso la massa di sostanza inquinante emessa per unità di tempo (ad esempio esprimibile in grammi/secondo, grammi/ora o facendo specifico riferimento al trasporto stradale grammi/chilometro).

Il controllo delle emissioni in atmosfera permette di individuare le cause che portano al fenomeno dell’inquinamento e quindi consente di andare ad agire direttamente sulla sorgente (quale che sia) attraverso lo sviluppo di nuove tecnologie o prima ancora tramite l’emanazione di norme che regolano le quantità di sostanze che è possibile emettere nell’aria.

Come precedentemente accennato, e come meglio dimostrato nel proseguo della presente trattazione, per quanto concerne il traffico stradale, il fattore “uomo” rappresenta una variabile molto importante. Il trasporto stradale infatti, a differenza di altri sistemi di trasporto, non è caratterizzato da un sistema di guida vincolata, (esistono regole generali all’interno delle quali tutti gli utenti possono muoversi più o meno liberamente e scegliere lo stile

di guida che preferiscono) risulta pertanto difficile avere il controllo su

tutte le sorgenti stradali e, conseguentemente, avere un controllo sulle emissioni della sorgente stradale.

(38)

Lo stile di guida infatti determina la modalità di utilizzo del motore dell’autoveicolo, che conseguentemente, da un punto di vista ambientale, determina la quantità di emissioni generate dal singolo veicolo.

Pur rimanendo nei limiti previsti dal Codice della Strada, stili di guida differenti possono portare a notevoli cambiamenti nel rateo emissivo; risulta pertanto fondamentale riuscire a definire gli elementi che caratterizzano gli stili di guida al fine di poter stimare la fase di emissione dei veicoli stradali.

1.4.3 La fase di diffusione

Il secondo “step” relativo all’inquinamento atmosferico è rappresentato dalla diffusione delle emissioni in atmosfera. La diffusione, dal punto di vista concettuale, rappresenta la propagazione dell’emissione in atmosfera e porta alla determinazione di concentrazioni di inquinanti.

in tal caso quindi non si parlerà più di quantità di inquinante in relazione al tempo, come nel caso dei fattori di emissione; bensì si parlerà di quantità di inquinante in relazione allo spazio. In altre parole, in tale fase, si potrà stimare la quantità di inquinanti in un determinato volume (un esempio ne sono i limiti normativi dettati dal D.Lgs. 155/2010 che esprime per ogni inquinante un limite µg/m3).

Il fenomeno della diffusione degli inquinanti dipende da tre fattori principali:

 emissioni: come detto in precedenza, lo step logico-procedurale precedente alla diffusione è l’emissione. L’emissione rappresenta la quantità di inquinante che verrà diffusa nell’atmosfera, e pertanto, rappresenta un elemento chiave della diffusione stessa senza il quale non è possibile definire la concentrazione di inquinanti.

 condizioni meteorologiche: rappresentano il “vettore” con il quale si diffondono le emissioni, rappresentando, al pari delle emissioni, uno dei fattori principali nel processo diffusivo. In tale ottica le caratteristiche meteorologiche di un’area sono

(39)

molto importanti, tra le principali si possono distinguere: il vento (entità e direzione), la temperatura, la pressione atmosferica, ecc.

 caratteristiche orografiche: influenzano in via indiretta le due variabili precedenti, determinando una variazione del rateo emissivo della sorgente (in caso di pendenze elevate i consumi e conseguentemente le emissioni potranno essere molto maggiori) nonché, in casi di orografia particolarmente complessa, determinare delle variazioni o comunque influenzare i campi di vento e pertanto una delle variabili principali delle caratteristiche meteorologiche.

Le concentrazioni, come detto, sono rappresentate dal processo di diffusione delle sostanze inquinanti che comprende l’evoluzione temporale di queste dal momento in cui vengono immesse in atmosfera fino a quello in cui vengono rimosse da essa. Il fenomeno della dispersione, oltre ad essere fortemente legato alle condizioni meteorologiche in cui avviene, è anche fortemente legato alla reattività chimica delle specie emesse e alle reazioni chimiche e fotochimiche che avvengono nell’atmosfera stessa.

(40)

1.5 Analisi normativa

L’adozione di regolamenti, accordi e politiche, tarati su scala globale, è finalizzata a fornire risposta ai rapidi mutamenti che la pressione antropica stava e sta tutt’ora esercitando sull’ambiente e sull’uomo stesso.

In tale ottica, un passaggio indubbiamente significativo, nella risposta ai cambiamenti climatici è rappresentato dall’adozione dell’ormai noto Protocollo di Kyoto, adottato formalmente nel 1997 ed entrato in vigore nel 2005, che prevede una riduzione di emissioni di CO2 del 5%. Perché il trattato potesse entrare in vigore, si richiedeva che fosse ratificato da non meno di 55 nazioni firmatarie e che le nazioni che lo avessero ratificato producessero almeno il 55% delle emissioni inquinanti; quest'ultima condizione è stata raggiunta solo nel novembre del 2004, quando anche la Russia ha perfezionato la sua adesione.

Al fine di implementare il Protocollo di Kyoto, l’U.E. nel 2000 ha avviato, attraverso il Programma europeo per il cambiamento climatico (ECCP), un pacchetto di misure politiche atte a ridurre le emissioni di gas a effetto serra:

1. riforma del sistema UE di scambio delle quote di emissione (ETS) (Direttiva 19 novembre 2008);

2. obiettivi nazionali per le emissioni ETS non UE; 3. obiettivi nazionali di energia rinnovabile;

4. cattura e stoccaggio del carbonio.

L’espletamento di tali misure servono al conseguimento degli obiettivi noti come “20-20-20” (Direttiva n. 29/2009/CE, s.d.) che riguardano sostanzialmente:

 la riduzione del 20% delle emissioni di gas a effetto serra ai livelli del 1990;

 aumentare la quota di consumo energetico dell'UE prodotta da fonti rinnovabili al 20%;

 un miglioramento del 20% dell'efficienza energetica dell'UE. Tali obiettivi rappresentano un approccio integrato alla politica climatica ed energetica che mira a combattere il cambiamento climatico, aumentare la sicurezza energetica dell'UE e rafforzare la propria competitività.

(41)

Un esempio concreto di approccio alle problematiche relative ai cambiamenti climatici, applicato al settore specifico dei trasporti, è rappresentato dalla pubblicazione del libro bianco “Roadmap to a Single European Transoprt Area – Towards a competitive and resource efficient transport system” con il quale è stato fissato, da parte della commissione europea, il target di riduzione delle emissioni di anidride carbonica, nell’arco temporale dal 1990 al 2050, pari ad un decremento del 60% (European Environmental Agency, 2011).

Tale obiettivo fornisce un chiaro segnale del ruolo dei trasporti nel quadro generale del risanamento della qualità dell’aria e della riduzione dei gas climalteranti.

I succitati indirizzi di pianificazione hanno portato all’emanazione di norme atte a controllare e limitare l’emissione di sostanze climalteranti in molti settori dell’ingegneria, da quello industriale a quello civile e parimenti a quello trasportistico;

Tali norme intervengono sulla capacità emissiva della singola sorgente, limitando il quantitativo di gas climalteranti prodotti dalle singole sorgenti in prefissate condizioni di esercizio.

Facendo specifico riferimento al settore trasportistico è possibile richiamare le numerose norme che dal 1990 sono state emanate circa l’omologazione dei veicoli (Euro 1, Euro 2 ecc.) con cui ci si relaziona, indirettamente, nell’utilizzo quotidiano dell’autoveicolo.

Tali famiglie di norme sono finalizzate a ridurre la produzione di gas nocivi e climalteranti direttamente sulla singola sorgente e, di conseguenza, costituiscono dei veri e propri vincoli di carattere progettuale, e non consentono un controllo su scala territoriale.

Per quanto riguarda il panorama italiano, la prima legge organica sull’inquinamento atmosferico, che individua l’aria come un bene giuridico da proteggere, è la Legge del 13 luglio 1966, n. 615 “Provvedimenti contro l’inquinamento atmosferico”. Il successivo DPR 203/88 (DPR 203/1988, s.d.) può essere considerato la base della normativa italiana in materia di inquinamento atmosferico fino al recepimento nel 1999 della direttiva quadro europea sulla “Valutazione e gestione della qualità dell’aria”.

(42)

Il DPR ha introdotto il concetto di protezione dell’ambiente accanto a quello della salute umana, assenti nella precedente normativa.

In recepimento alla “Direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell'aria ambiente e per un'aria più pulita in Europa” è stato infine emanato il Decreto Legislativo 13 agosto 2010, n. 155 che riorganizza ed abroga alcune normative precedenti che disciplinavano la materia in modo frammentario e istituisce un quadro normativo unitario in materia di valutazione e di gestione della qualità dell'aria ambiente.

Il presente Decreto risulta incentrato sulla determinazione dei limiti per la salvaguardia della salute pubblica; vengono infatti definite le concentrazioni limite, valori obiettivo e i valori soglia, per la tutela della salute umana attraverso la valutazione di numerosi inquinanti primari e secondari (tra cui biossido di zolfo, biossido di azoto, particolato ecc.) Se da un lato appare fondamentale fornire un ruolo centrale alla salvaguardia della salute umana dall’altro sarebbe opportuno dare un ruolo di primo piano anche alle tematiche legate ai cambiamenti climatici, realizzando parimenti un impianto normativo in cui vengono tenuti in considerazione sia le sorgenti sia gli indicatori (emissivi e territoriali) atti a perseguire l’obiettivo di fornire la centralità a tali tematiche.

In ultimo, come strumento normativo territoriale, un ruolo di primaria importanza ricoprono i Piani Regionali di risanamento della qualità dell’aria. Proprio a tali piani è demandato il compito di valutare le sorgenti emissive territoriali e fornire limiti, obiettivi e strategie per il miglioramento della qualità dell’aria a livello locale (ad esempio limitando le emissioni in zone già critiche e favorendo il mantenimento dei livelli di qualità dell’aria nelle zone poco antropizzate).

(43)

2 Scopo ed obiettivi della presente ricerca

Come ampiamente trattato nei paragrafi precedenti, negli ultimi anni è stata posta particolare attenzione all’inquinamento ambientale, con particolare riferimento ai livelli di qualità dell’aria e alla presenza in atmosfera di gas climalteranti.

E’ stato evidenziato come il problema investa tutti i paesi, portandosi ad una scala di importanza globale, così come testimoniato dai numerosi tentativi di trovare strategie comuni per la ricerca di uno sviluppo ambientalmente sostenibile.

A partire dagli strumenti citati quali il Protocollo di Kyoto (2002/358/CE, s.d.), il quale pone importanti obiettivi a livello mondiale di riduzione dei “Gas Serra”, alla direttiva (Direttiva n. 29/2009/CE, s.d.) che pone l’ambizioso obiettivo di ridurre i gas serra del 20% entro il 2020 si è cercato di porre in essere numerose strategie per il miglioramento della qualità dell’aria sia a livello nazionale che a livello regionale con l’introduzione dei piani di risanamento della qualità dell’aria (Bonanni, 2006).

In tale ambito il ruolo delle infrastrutture viarie ricopre un posto di primordine, rappresentando, come dimostrato dai dati emissivi, una fonte di inquinamento atmosferico molto spesso non trascurabile.

Il problema pertanto si sposta sulla definizione di strategie e metodi per la riduzione di tale contributo. In tale campo le azioni possono riguardare tutte gli ambiti del sistema stradale:

 Veicolo: attraverso il miglioramento delle tecnologie di abbattimento delle emissioni alla fonte;

 Strada: attraverso l’utilizzo di strumenti di mitigazione volti a ridurre e/o controllare il fenomeno della diffusione degli inquinanti;  Uomo: attraverso l’utilizzo dell’autoveicolo nel rispetto dei punti ottimali di funzionamento dal punto di vista ambientale

(44)

Appare pertanto evidente come tali sistemi stradali, ampiamente analizzati in ambito di sicurezza stradale (Benedetto, 2002), siano, allo stesso modo, interconnessi.

Ad oggi l’attenzione dei normatori e della ricerca in genere si è focalizzato principalmente sul sistema veicolo, andando a ricercare tecnologie sempre più performanti, come testimoniato dalle numerose normative in ambito di omologazione dei veicoli.

Ad oggi tuttavia si è arrivati ad un punto tale che le attuali tecnologie non riescono a rispondere in maniera efficace ai continui aggiornamenti normativi (Walker & Vitale, 2015).

Appare pertanto evidente come, in questo momento sia fondamentale unire ed interconnettere i diversi sistemi al fine di poter rendere efficiente l’intero sistema, andando quindi a migliorare le prestazioni ambientali non solo del veicolo ma del sistema globale Strada-Uomo-Veicolo.

Per poter quindi implementare strategie integrate, sia a breve sia a medio-lungo termine, occorre però dotarsi di strumenti di analisi previsionali che siano in grado di tenere in considerazione l’interazione tra i diversi sistemi e che abbiano, al tempo stesso, un elevato livello di affidabilità e precisione. L’attenzione si sposta quindi sugli attuali strumenti previsionali di inquinamento atmosferico; strumenti che permettono di guidare i tecnici del settore ad effettuare pianificazioni che permettano di raggiungere gli obiettivi prefissati, attraverso un’elevata affidabilità e una rispondenza tra gli scenari teorici simulati e i dati di controllo derivanti dalle centraline di controllo della qualità dell’aria.

Nel panorama nazionale ed internazionale sono ormai affermati a tale scopo diversi modelli (che verranno meglio definiti nei capitoli successivi) di tipo “statici” che fanno riferimento a parametri medi e costanti, sia nel tempo che nello spazio. In tali modelli, le emissioni sono principalmente funzione della velocità media tenuta lungo la tratta analizzata. Se tale assunto può essere ritenuto valido in alcuni casi (flussi veicolari bassi e velocità costanti),in molti altri, soprattutto a causa dell’aumento dei traffici veicolari, tale condizione risulta non rispondente ai reali livelli emissivi.

(45)

Occorre pertanto superare tali limitazioni per valutare in maniera globale il fenomeno emissivo estendendo l’affidabilità delle valutazioni a tutte le condizioni di deflusso possibili sulle infrastrutture.

La presente ricerca si pone l’obiettivo di abbinare modelli di calcolo emissivo basati su parametri di valutazione istantanei, ovvero che tengano conto della variazione dei parametri emissivi al variare del tempo, con uno strumento che permetta la valutazione del reale comportamento di guida degli utenti sull’infrastruttura, partendo così da cicli di guida reali e non meramente teorici quali velocità di progetto o, nella migliore delle ipotesi, la velocità di esercizio.

(46)

3 I modelli previsionali per le emissioni

3.1 Tipologie e campi di applicazione

Per la prevenzione e il controllo di un qualsiasi fenomeno è necessario conoscere le cause e valutarne gli effetti sia in termini qualitativi, sia quantitativi, esaminando gli strumenti metodologici presenti in letteratura e studiarne le applicazioni, allo scopo di individuarne limiti e potenzialità. In linea generale i modelli previsionali delle emissioni consistono in algoritmi matematici che correlano le emissioni di inquinanti degli autoveicoli con le variabili che le influenzano. Tra queste è possibile identificare:

 caratteristiche costruttive del veicolo (cilindrata, tipologia di motore, categoria di omologazione, ecc.)

 stato della meccanica;

 condizioni operative del veicolo, descritte a loro volta da:

o dinamica del motore: entità di rotazione del motore e entità del carico a esso fornito;

o stato termodinamico del fluido evolvente all’interno del cilindro (temperature del motore, umidità e densità dell’aria ecc.);

La dinamica di funzionamento del motore è influenzata in primo luogo dall’apparato di propulsione e pertanto è legata ai parametri cinematici del moto del veicolo nel suo complesso (come velocità ed accelerazione); punto e virgola; un ruolo primario, di conseguenza, viene attribuito al comportamento dell’utente, che può scegliere velocità e accelerazioni. Il comportamento dell’utente, è a sua volta influenzato dai parametri progettuali principali dell’infrastruttura, e tra i principali si citano:

 le condizioni di deflusso dell’infrastruttura ovvero interrelazioni veicolari;

 le condizioni geometriche dell’infrastruttura;

Volendo definire uno schema generale relativo al processo di funzionamento generale dei modelli di emissione è possibile fare riferimento allo schema semplificato di Figura 3.1.

(47)

Figura 3.1 Schema di processo di funzionamento di un modello previsionale delle emissioni

Definito il processo generale di un modello previsionale di analisi delle emissioni, è necessario entrare nel dettaglio e dividere i modelli in base al loro funzionamento e ai dati di input ed output che i modelli stessi sono in grado di processare.

Nel presente documento, l’analisi dei modelli parte da un’accurata ricerca sui metodi applicati nelle diverse esperienze con riferimento ai principali inquinanti, alle diverse condizioni di traffico veicolare e tipologia stradale.

Nello specifico è possibile individuare due grandi famiglie di modelli (Ajtay & Weilenmanm, 2004) a cui corrispondono diverse tipologie di funzionamento:

 modelli statici: sono modelli riferiti a condizioni di moto uniforme, oppure da un moto vario caratterizzato da un valore medio della velocità, risultante dall’esecuzione di un determinato ciclo di guida. Come meglio specificato nei paragrafi successivi, i più utilizzati in questo campo sono gli Average speed models;

(48)

 modelli dinamici: definiti usualmente modelli modali o modelli dinamici, consentono di calcolare le emissioni in funzione delle condizioni istantanee del moto, in particolare della velocità e dell’accelerazione istantanee. Tra i modelli dinamici distinguiamo i Traffic situation models e gli Instantaneous emission models; La tipologia di funzionamento, così come gli input necessari per stimare le emissioni utilizzati dai diversi modelli, implica, in linea generale, una scala di applicabilità del modello.

In altre parole ogni tipologia di modello ha delle caratteristiche “Ottimali” solo per alcune scale di analisi se pur generalmente applicabili a tutte le scale.

I modelli dinamici trovano applicazione quando si vuole analizzare la distribuzione delle emissioni lungo un tronco stradale, oppure in un punto nodale della rete.

Ad esempio, nel caso di un tronco delimitato da due intersezioni è possibile individuare un tratto iniziale nel quale i veicoli effettuano manovre di accelerazione, un tratto intermedio percorso a velocità costante, un tratto terminale percorso a velocità decrescente e, infine, un tratto in cui sostano i veicoli che si arrestano all’intersezione finale. Ci si può pertanto riferire alla Micro Scala o alla Meso Scala.

I modelli statici trovano applicazione quando non è richiesto il precedente livello di disaggregazione delle emissioni, ad esempio per valutare le condizioni di inquinamento medio di un’area urbana, oppure dei livelli di inquinamento prodotti da un tronco stradale in condizioni di flusso ininterrotto. In questo caso ci si può riferire alla Macro scala.

Figura 3.2 Scala di applicazione dei modelli previsionali per le emissioni da traffico veicolare

(49)

3.2 I modelli statici

3.2.1 Aspetti generali

I modelli statici si basano sull’ipotesi che i fattori di emissioni, in determinate condizioni come ad esempio in regime stazionario o quasi-stazionario, siano esprimibili in funzione del parametro della velocità media (Horowitz, 1982).

Tali modelli sono pertanto fondati sul principio per il quale i fattori di emissione medi di uno specifico inquinante e per una specifica tipologia di veicolo, una volta fissata la velocità media, restino costanti nel tratto di strada analizzato ed espressi in g/veic km.

I modelli statici sono largamente utilizzati nella compilazione di inventari nazionali e regionali, in coerenza al livello di scala ottimale identificato nel paragrafo precedente.

Tali modelli infatti presentano notevoli vantaggi per tale scala:  sono di facile utilizzo;

 sono caratterizzati da una corrispondenza tra i dati richiesti come input e quelli generalmente disponibili a tale scale;

 in linea di principio il dato di input fondamentale è la velocità media sul percorso effettuato dal veicolo, dato definibile se si considera il livello della macro-scala, con un ragionevole grado di approssimazione.

A fronte di tali vantaggi l’utilizzo di un modello statico è caratterizzato anche da alcune limitazioni, quali:

 non consentono una risoluzione spaziale dettagliata riguardante le previsioni delle emissioni e questo rappresenta un importante inconveniente per i modelli di dispersione (i quali necessitano dei loro risultati per determinare le concentrazioni di inquinanti in atmosfera);

 la forma della funzione di velocità media dipende dal tipo di ciclo utilizzato per lo sviluppo della funzione stessa, che

(50)

rappresenta condizioni di guida reali, ma la reale distribuzione non viene presa in considerazione;

 riguardo alle nuove generazioni di veicoli (caratterizzate da dispositivi di controllo delle emissioni molto più sofisticati) tali modelli forniscono un’impressione della realtà a volte sovradimensionata, poiché la velocità media non rappresenta un indicatore affidabile (Boulter, et al., 2007).

E’ possibile inoltre definire alcune formulazioni generali comuni a tali famiglie di modelli. Tali formulazioni esprimono le emissioni medie relative ad un determinato intervallo di tempo in funzione dei valori medi delle variabili indipendenti esplicative.

Una volta fissati i parametri riguardanti l’inquinante e la tipologia veicolare che si stanno considerando, la dipendenza più stretta è quella con la velocità media di spostamento (Leonardi, 2012).

L’algoritmo di calcolo che esprime questo legame è il seguente:

𝛿𝐸_{𝑏𝑎𝑠𝑒}𝑖,𝑔 (𝑣𝑚) (3.1)

Le emissioni medie sono caratterizzate da delle funzioni correttive e perciò incrementi di emissione, dovuti:

 al funzionamento del veicolo in transitorio termico corrispondente agli spostamenti con partenze a freddo (funzione della velocità media e di altre variabili come la temperatura ambiente, la lunghezza del percorso effettuato a freddo ecc.):

𝛿𝐸_𝑇𝑖,𝑔(𝑣𝑚, 𝑥1, … , 𝑥𝑛) (3.2)

 alle variazioni delle resistenza esterna al moto causate dalla pendenza longitudinale positiva della livelletta: