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Modelli per la stima delle emissioni di inquinanti da traffico

I modelli utilizzati nello studio delle emissioni di inquinanti da traffico veicolare per avere un orientamento nelle attività di pianificazione

Emissioni inquinanti da traffico

Il traffico veicolare costituisce una delle cause più rilevanti dell’inquinamento atmosferico, definito come ogni modificazione dell’aria atmosferica, dovuta all’introduzione nella stessa di una o di più sostanze (inquinanti) in quantità e con caratteristiche tali da ledere o da costituire un pericolo per la salute umana o per la qualità dell’ambiente oppure tali da ledere i beni materiali o compromettere gli usi legittimi dell’ambiente [1].

L’inquinamento atmosferico è al centro di strategie decisionali e di sfide importanti intraprese a livello internazionale, europeo e nazionale e rientra nel principale obiettivo di perseguire uno sviluppo equo-sostenibile.

L’ONU ha avviato un programma d’azione, denominato Agenda 2030 [2], per lo sviluppo sostenibile che prevede 17 obiettivi e 169 target in cui la smart mobility e le città sostenibili assumono un ruolo fondamentale. Infatti, l’obiettivo 11 mira a rendere le città e gli insediamenti umani inclusivi, sicuri, duraturi e sostenibili.

Per perseguire questo obiettivo è necessario garantire un sistema di trasporti sicuro, conveniente, accessibile e sostenibile; l’obiettivo 13 mira a promuovere azioni, a tutti i livelli, per combattere il cambiamento climatico.

Anche l’Unione Europea ha delineato prospettive per un sistema dei trasporti competitivo e sostenibile [3] e ha proposto una bozza di Legge sul clima [4] con l’obiettivo zero emissioni di gas serra entro il 2050.

Il paper vuole delineare un quadro sinottico di riferimento dei modelli utilizzati nello studio delle emissioni di inquinanti prodotti dal traffico veicolare per fornire un orientamento di riferimento per le attività di pianificazione.

Un processo di pianificazione del traffico segue, in linea di massima, lo schema in Figura 1: appare rilevante la valutazione delle prestazioni di rete in rapporto agli obiettivi prefissati. Tra le prestazioni rientra, quale attributo fondamentale, l’impatto delle emissioni di gas nocivi nell’ambiente.

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1. Il processo semplificato di pianificazione dei trasporti

La normativa e i parametri di riferimento

Per definire i livelli di inquinamento atmosferico si distinguono le concentrazioni di inquinanti dalle emissioni. Per concentrazione si intende la quantità di sostanza inquinante presente in atmosfera per unità di volume; per emissione si intende la quantità di sostanza inquinante introdotta in atmosfera, da una certa fonte inquinante e in un determinato arco di tempo.

Di seguito si riporta un approfondimento della Normativa in materia di inquinamento atmosferico in termini di concentrazione ed emissione.

Le concentrazioni di gas nocivi nell’atmosfera

In Italia, il D.Lgs. 155/2010 [5] introduce nel quadro normativo nuovi strumenti per contrastare l’inquinamento atmosferico: infatti, fornisce una metodologia di riferimento per la caratterizzazione delle zone e definisce i valori di riferimento che permettono una valutazione della qualità dell’aria, su base annuale, in relazione alle concentrazioni dei diversi inquinanti.

Sono fissati quattro livelli ammissibili di concentrazione:

  • limite di qualità dell’aria, valori superati i quali i rischi per la salute si ritengono intollerabili;
  • livelli di allarme, valori dannosi per la salute se registrati a lungo; richiedono interventi di mitigazione immediati per evitare il raggiungimento dei valori limite di qualità dell’aria;
  • livelli di attenzione, valori che a lungo porterebbero al raggiungimento dei livelli di allarme;
  • valori guida di qualità dell’aria che, se mantenuti, assicurano nel tempo la salvaguardia della salute e dell’ambiente.

Nella Figura 2 sono riportati, per i principali inquinanti, i valori limite e di riferimento.

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2. I valori limite dei principali inquinanti [5]
Le emissioni di gas nocivi da parte di veicoli stradali leggeri

La Normativa europea sulle emissioni ha imposto vincoli stringenti sulla circolazione dei veicoli più inquinanti. Sono state definite delle classi di emissione dei veicoli, denominate classi ambientali, che determinano il livello di emissioni degli inquinanti, in grammi/chilometro.

Queste classi sono individuate dalla sigla “Euro”, seguita da un numero e in alcuni casi anche da una lettera, e sono riportate in Figura 3 con i limiti di emissione imposti dalle Normative. 

I modelli in letteratura

I modelli di emissione costituiscono uno step fondamentale per il calcolo degli impatti ambientali derivanti dal traffico veicolare.

In generale, si ricorre alle simulazioni di traffico che consentono di determinare le caratteristiche del traffico nell’area di studio, necessarie per l’applicazione dei modelli di emissione che forniscono la quantità di inquinante emessa da ciascuna categoria di veicoli nell’unità di tempo (fattori emissivi); a partire dai fattori emissivi e dalle condizioni ambientali, è possibile ottenere la stima delle concentrazioni nell’aria.

Le misure convenzionali delle emissioni si basano su test i cui risultati sono applicabili solo a condizioni sperimentali; sono costosi e non possono essere utilizzati per il monitoraggio dinamico su più veicoli. Pertanto, sono stati sviluppati modelli matematici e di simulazione che consentono sia la stima delle emissioni che proiezioni nel futuro [7].

I modelli possono essere deterministici, se si basano sulle relazioni fra le variabili che descrivono i meccanismi fisici, chimici e/o biologici che vi sono durante il moto della sostanza nell’aria e stocastici se si basano sulle relazioni causa-effetto utilizzando tecniche statistiche [8].

I modelli sono definiti disaggregati, se si basano su una rappresentazione dei fenomeni fisici che determinano le emissioni e la diffusione delle sostanze inquinanti; essi richiedono molti dati di ingresso e consentono analisi puntuali. Sono definiti aggregati, se sono più approssimati, ma consentono di condurre analisi per un intero sistema di trasporto.

Un’ulteriore classificazione dei modelli di emissione può essere operata in base al livello di complessità e al tipo di applicazione [9 e 10]:

  • modelli di velocità media (COPERT, MOBILE), in cui i tassi di emissione sono una funzione della velocità di marcia media di una corrente di traffico;
  • modelli di contesto del traffico (HBEFA, ARTEMIS), dove i fattori di emissione corrispondono a particolari situazioni di traffico (stopand-go-driving, freeflow);
  • modelli modali (PHEM, CMEM, MOVES), in cui fattori di emissione corrispondono a specifiche condizioni operative del motore o del veicolo.

Le prime due classi di modelli si prestano per ambiti di rete stradale a livello nazionale/urbano; i modelli modali sono piuttosto finalizzati a valutazioni a scala locale.

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3. Le classi ambientali e i vincoli normativi [6] Fonte: https://www.repubblica.it/static/motori/info-utile/euro0-a-euro4/index.html
La classificazione dei modelli può essere ancora più articolata, distinguendoli in relazione ai dati di input, alla scala di applicazione e al tipo di inquinante [11 e 12]; si hanno modelli:

  • basati sul consumo di carburante (AGO, IPCC) applicabili solo su larga scala;
  • basati sui volumi di traffico medi (NAEI), usati su scala nazionale/regionale, che fanno riferimento ai valori medi dei fattori di emissione per rappresentare una determinata tipologia di veicolo per uno specifico ciclo di guida;
  • legati alla velocità media del traffico (COPERT, MOBILE, EMFAC, DMRB) che forniscono i fattori di emissione medi per una classe di veicolo su diversi cicli di guida; le emissioni globali sono somma delle emissioni di scarico (freddo, caldo) ed evaporative;
  • fondati sulla descrizione dettagliata della situazione di traffico (HBEFA, ARTEMIS), con fattori di emissione discreti per situazioni di traffico predefiniti (stop and go, flusso saturo, flusso libero);
  • che forniscono le emissioni in rapporto a variabili di traffico (TEE, Matzoros) come la velocità media, la densità, la lunghezza di coda;
  • rapportati ai cicli di guida (MESURE, VERSIT+) e caratterizzati da un gran numero di parametri descrittivi (velocità media, numero di fermate per chilometro, ecc.) che possono essere ottenuti da modelli di traffico microscopici;
  • legati alla velocità istantanea di transito dei veicoli, che forniscono l’andamento dei tassi di emissione in differenti intervalli temporali e durante le diverse fasi del moto.

Faris et al. [13] individuano cinque approcci alla classificazione in relazione a:

  • scala delle variabili di input: si differenziano modelli microscopici (singoli veicoli, istante per istante), macroscopici (flusso medio su un ramo, intervallo di tempo), mesoscopici (intermedi tra micro e macro, per esempio con riferimento a plotoni di veicoli);
  • approccio della formulazione: si hanno modelli analitici (formulazioni matematiche), empirici (basati su osservazioni) e grafici (strumenti e metodi grafici) per descrivere le relazioni tra emissioni e caratteristiche dei veicoli;
  • tipologia delle variabili esplicative: assumendo modelli a velocità media, istantanea e modelli di potenza, in relazione alla variabile di input indipendente utilizzata per la stima dei tassi di emissione;
  • valore delle variabili di stato: si considerano modelli basati su crank-angle, utili e precisi nella previsione delle prestazioni ma molto complessi e modelli più semplici, basati sul controllo e l’osservazione non lineare delle prestazioni medie del motore, del consumo di carburante e delle emissioni;
  • numero delle dimensioni: si hanno modelli zero/uno dimensionali (singola zona) che presuppongono una carica del cilindro uniforme sia nella composizione che nella temperatura altrimenti vi sono i modelli multidimensionali/multizonali i modelli intermedi sono detti “quasi dimensionali”.
Modelli di emissioni di CO
4. Modelli di emissioni di CO per i veicoli pesanti

Conclusioni

Il tema della mobilità sostenibile è centrale nelle strategie adottate a scala internazionale, europea e nazionale. C’è una marcata tendenza ad incentivare l’impiego di soluzioni innovative meno inquinanti in quanto le emissioni di gas nocivi costituiscono una variabile significativa da controllare per perseguire i target imposti dalle Autorità di Governo.

Il paper affronta la tematica delle emissioni e, nello specifico, viene proposta una rassegna di modelli statistico-matematici, attraverso un quadro sinottico di modelli aggregati suscettibili di essere adoperati efficacemente, a valle di simulazioni di scenario, in rapporto ai parametri di traffico. 

Bibliografia

[1]. Decreto Legislativo 3 Aprile 2006, n° 152 “Norme in materia ambientale”, Gazzetta Ufficiale Serie Generale n° 88 del 14 Aprile 2006, Suppl. Ordinario n° 96.

[2]. UN-United Nations – “Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development. https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/21252030%20Agenda%, 2015.

[3]. EC-European Commission – “White paper 2011. Roadmap to a Single European Transport Area – Towards a competitive and resource efficient transport system”, https://ec.europa.eu/transport/themes/strategies/2011_white_paper_en, 2011.

[4]. EC-European Commission – “Proposal for a regulation of the European Parliament and of the Council establishing the framework for achieving climate neutrality and amending Regulation (EU) 2018/1999 (European Climate Law), https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1588581905912&uri=CELEX:52020PC0080, 2021.

[5]. Decreto Legislativo 13 Agosto 2010, n° 155 “Attuazione della Direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell’aria ambiente e per un’aria più pulita in Europa”, Gazzetta Ufficiale Serie Generale n° 216 del 15 settembre 2010, Suppl. Ordinario n° 217.

[6]. La Repubblica u.a. – “Da Euro 0 a Euro 4 senza segreti, https://www.repubblica.it/static/motori/info-utile/euro0-a-euro4/index.html, 2021.

[7]. I. Makarova, P. Buyvol, K. Magdin, A. Pashkevich, A. Boyko, K. Shubenkova – “Usage of microscopic simulation to estimate the environmental impact of road transport”, LOGI 2019, Horizons of Autonomous Mobility in Europe, Transportation Research Procedia 44 (2020) 86-93, 2020.

[8]. J. Khan, M. Ketzel, K. Kakosimos, M. Sørensen, S.S. Jensen – “Road traffic air and noise pollution exposure assessment”, a review of tools and techniques, Science of the total environment 634, 661-676, 2018.

[9]. R. Smit – “Development and performance of a new vehicle emissions and fuel consumption software (PΔP) with a high resolution in time and space”, Atmospheric Pollution Research 4, 336-345, 2013.

[10]. R. Smit, L. Ntziachristos, P. Boulter – “Validation of road vehicle and traffic emission models – a review and meta-analysis”, Atmospheric Environment 44, 2943-2953, 2010.

[11]. M. Fallahshorshani, M. André, C. Bonhomme, C. Seigneur – “Coupling traffic, pollutant emission, air and water quality models: technical review and perspectives”, Procedia – Social and Behavioral Sciences, volume 48, pages 1794-1804, 2012.

[12]. K. Baškovič, M. Knez – “A review of vehicular emission models”, The International Conference on ì Logistics & Sustainable Transport, 13-15 June 2013 Celje, Slovenia, 2013.

[13]. W.F. Faris, H.A. Rakha, R.I. Kafafy, M. Idres, S. Elmoselhy – “Vehicle fuel consumption and emission modelling: an in-depth literature review”, Int. J. Vehicle Systems Modelling and Testing, vol. 6, nos. 3/4, 2011.

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