Metodologie teorico-sperimentali per la determinazione del comportamento emissivo dei motoveicoli e per la valutazione dell'impatto dei trasporti stradali sui valori di qualità dell'aria

Il fenomeno dell’inquinamento dell’aria, e in particolare quello dovuto al traffico stradale, costituisce uno dei problemi di maggiore rilevanza delle città di tutto il mondo industrializzato. Il fenomeno non è da considerarsi come nuovo; esistono testimonianze che consentono di affermare che già nei primi decenni del secolo alcune grandi città europee e degli Stati Uniti soffrivano di questo problema. Tuttavia solo in epoca relativamente recente si è cominciato a prendere coscienza delle conseguenze che l’inquinamento atmosferico dovuto al traffico stradale ha sulla salute dell’uomo e su tutte le varie componenti dell’ecosistema, attraverso l’emanazione di una serie di provvedimenti, dapprima negli Stati Uniti, successivamente in Giappone e in Europa, tendenti a mantenere entro limiti accettabili la presenza di sostanze inquinanti nell’aria. Tali disposizioni via via più restrittive, unitamente al progresso tecnologico che ha investito il settore automobilistico, hanno condotto ad un decisivo miglioramento delle prestazioni, dei consumi e delle emissioni dei veicoli, per cui si può senz’altro affermare che i veicoli attuali sono molto meno inquinanti di quelli del passato. Tuttavia i vantaggi in tal modo ottenuti sono stati in gran parte annullati dal progressivo aumento della circolazione stradale, per cui la concentrazione di sostanze inquinanti nell’aria delle zone urbane resta sempre preoccupante. In Italia, la crescita del parco veicolare, che ha accompagnato negli anni la crescita economica del paese, non è stata purtroppo accompagnata da un’adeguata crescita dell’offerta di infrastrutture di trasporto e di sistemi di trasporto pubblico, con particolare riferimento a molte realtà urbane. Questo fenomeno ha determinato il fatto che gran parte della domanda di mobilità venga attualmente soddisfatta dall’uso di mezzi privati con conseguenze negative sulla congestione stradale, sulla qualità dell’aria e quindi sulla salute e sulla qualità della vita dei cittadini stessi Per evitare che taluni provvedimenti urgenti adottati dalle amministrazioni competenti e tesi alla riduzione dell’avvenuto raggiungimento dei livelli di allarme delle concentrazioni inquinanti non siano finalizzati all’effettiva risoluzione del problema dell’inquinamento atmosferico, arrecando inoltre danni alla vita delle città, si è fatto strada, in anni recenti, il concetto di pianificazione della qualità dell’aria, che è alla base dei più recenti provvedimenti legislativi in materia di inquinamento. La pianificazione della qualità dell’aria, la quale rappresenta il modo corretto di affrontare tale problema, ha conseguenze notevoli sull’organizzazione della vita urbana, su alcune scelte urbanistiche ed ovviamente quelle in materia di trasporto. Una non superficiale conoscenza dei vari aspetti del complesso problema dell’inquinamento atmosferico si rende dunque necessaria, allo scopo di evitare che le disposizioni di pianificazione siano scarsamente efficaci per quanto riguarda il miglioramento della qualità dell’aria e quindi inutilmente repressive. L’acquisizione di una tale conoscenza però non è sempre facile, perchè i vari aspetti del problema dell’inquinamento sono generalmente trattati in modo non organico, ma separato in un insieme di testi e pubblicazioni scientifiche che difficilmente sono a portata di mano delle Pubbliche Amministrazioni a cui spetta il compito di pianificare. La programmazione e la pianificazione (nazionale e regionale) deve pertanto disporre di adeguati strumenti conoscitivi utili alla valutazione dello stato della qualità dell’aria e delle origini dell’inquinamento, e che siano realmente funzionali alla definizione delle conseguenti misure di prevenzione e di risanamento. Proprio tali esigenze hanno spinto gli indirizzi della ricerca scientifica (in campo ambientale, e non solo) nella direzione di dettagliate indagini finalizzate a valutare qualitativamente e quantitativamente le fonti di inquinamento atmosferico e il loro impatto sui valori della qualità dell’aria. La seguente attività di tesi si contestualizza nell’ambito delle tematiche esposte in questa breve premessa, inserendosi dunque negli specifici filoni di ricerche scientifiche a cui si faceva riferimento. Essa può tuttavia considerarsi suddivisa in due parti strettamente correlate, di seguito riassunte. La prima parte analizza la principali tematiche inerenti l’inquinamento atmosferico: dall’analisi e stima dell’inventario delle emissioni fino alla valutazione della qualità dell’aria ambiente. Vengono in primis esposte una serie di metodologie destinate all’individuazione delle sorgenti di inquinamento atmosferico (puntuali, lineari e diffuse) ed alla successiva stima delle emissioni che ne conseguono. Particolare attenzione verrà rivolta al settore dei trasporti stradali, sia per il rilevante peso specifico che esso assume nell’ambito delle problematiche ambientali (si vedrà nel corso di questa analisi che l’apporto percentuale alle emissioni totali proveniente da questo particolare settore risulta determinante nelle attuali realtà urbani e regionali), sia perché la simulazione del processo dell’emissione di sostanze inquinanti da parte dei veicoli stradali costituisce uno dei passi fondamentali per la valutazione degli effetti che conseguono al processo di inquinamento dell’aria atmosferica. Per l’analisi di questo settore è stato dunque utilizzato e ottimizzato un apposito modello predittivo di stima che consiste nella formulazione matematica delle relazioni esistenti tra le emissioni inquinanti dei veicoli e le variabili da cui tali emissioni sono influenzate (caratteristiche costruttive, stato della meccanica e condizioni di funzionamento dei veicoli, condizioni dell’ambiente esterno), caratterizzando opportunamente i fattori di emissione che da tali relazioni derivano. Nell’ambito di questa prima parte, un ulteriore fase di studio ha inoltre messo a punto un approccio metodologico finalizzato alla valutazione della qualità dell’aria attraverso la definizione delle concentrazione degli inquinanti in atmosfera. Viene quindi presentata una metodica per la valutazione preliminare della qualità dell’aria ambiente e valida per la conseguente classificazione del territorio regionale in zone (zonizzazione), così come prevista dalla legislazione. Tale tecnica di valutazione si basa sui risultati del monitoraggio della qualità dell’aria e sull’integrazione di questi ultimi con una metodologia innovativa che sulla base di elaborazioni statistiche e modellistiche porta ad una stima delle concentrazioni di inquinanti dell’aria su tutto il territorio della regione. L’insieme di queste metodologie hanno già trovato diretta applicazione nel “Piano Regionale di Risanamento e Mantenimento della Qualità dell’Aria” della Campania, redatto dal DIME (ai sensi del D.Lgs. 351 del 4 agosto 1999) nell’ambito di un’apposita Convenzione, ed infatti molte delle elaborazioni e dei risultati riportati in questo lavoro sono da esso stati desunti. Si sottolinea che, sebbene da Convenzione l’anno di riferimento per il suddetto Piano fosse il 2002, complicazioni burocratiche hanno fatto sì che il progetto fosse ufficialmente approvato in via definitiva dal Consiglio Regionale della Campania nella seduta del 27 giugno 2007, con un ulteriore verifica e collaudo finale da parte del DIME nel Luglio 2008. In questo intervallo di tempo lo stesso DIME ha comunque portato avanti, per proprio interesse e con proprie risorse, un continuo riesame di tali tecniche nonchè un aggiornamento degli stessi risultati del Piano, sebbene quest’ultima attività sia stata solo parziale per l’impossibilità di disporre di alcuni dati territoriali aggiornati. A testimoniaza di queste attività si citano sia l’inventario delle emissioni del settore dei trasporti stradale in Campania aggiornato al 2007, che la zonizzazione del territorio regionale parametrizzata rispetto ai valori limiti normativi del 2008. Entrambe le attività hanno trovato sintesi in questo lavoro di Tesi che potrebbe dunque configurarsi come un valido strumento conoscitivo, fondamentale per l’attività di pianificazione e, più in generale, per la gestione della qualità dell’aria in Campania, sebbene l’unico documento istituzionale di riferimento per la Regione continui ad essere il “Piano di Qualità” ufficiale a cui prima si faceva riferimento. La seconda parte di questo lavoro nasce e si sviluppa in diretta implicazione con la prima, come risposta all’esigenza di affinare i modelli di simulazione delle emissioni motoveicolari, attraverso un continuo processo di ricerca volto a perfezionare e aggiornare quanto più possibile i parametri e le relazioni funzionale che ne sono alla base. Dai risultati della prima fase del lavoro, come anticipato, il settore dei trasporti stradali tra tutti i settori di attività responsabili di emissioni inquinanti, è risultato assumere in Campania un ruolo pressoché determinate, così come accade d'altronde in molte parti dell’Europa tutta. I risultati dell’inventario delle emissioni da trasporto stradale hanno per di più evidenziato che il contributo alle emissioni totali di COV in Campania nel 2007 da parte dei veicoli a due ruote risulta pari a circa il 55 %, e rilevante è per di più la quota di emissioni di monossido di carbonio ascrivibile a tale categoria veicolare. Questa considerazione di fondo ha così spronato e legittimato l’ulteriore fase della presente ricerca, indirizzandola ancora verso lo studio delle emissioni motoveicolari, ma attraverso la pianificazione di una specifica attività sperimentale, “strategicamente” rivolta alla caratterizzazione del comportamento emissivo dei motoveicoli. L’uso dei ciclomotori e dei motocicli, infatti, è molto diffuso nel nostro Paese e in molte aree del sud Europa, per ragioni climatiche ma soprattutto come riflesso di una richiesta di mobilità che permetta di raggiungere la meta desiderata nel più breve tempo possibile svincolandosi in modo rapido e semplice dal traffico, soprattutto in ambito urbano. Secondo i dati ANCMA, nella relazione annuale del 2007, la densità dei motoveicoli per lunghezza della rete stradale in Italia, rispetto alle altre nazioni considerate, risulta la più elevata, e il numero dei veicoli a due ruote è stato stimato essere di circa 10 milioni di unità, delle quali meno del 40% è rappresentato da ciclomotori. Una buona parte della flotta dei motoveicoli che circolano nelle nostre città, inoltre, è ancora di vecchia concezione e contribuisce in misura non trascurabile ai fenomeni di inquinamento atmosferico. D’altro canto fino a pochi anni fa l’attenzione politica e scientifica era rivolta perlopiù agli autoveicoli, e in effetti l’introduzione di norme più severe e stringenti ha drasticamente ridotto il contributo di questi veicoli alle emissioni di CO, HC e NOx. Il risultato di tale processo è che negli anni l’apporto percentuale dei veicoli a due ruote sulle emissioni inquinati è divenuto sempre più rilevante, anche in considerazione del fatto che l’iter legislativo che ha normato le emissioni di tale classe veicolare ha seguito tempi di sviluppo e applicazione più lenti. Un recente studio sulle misure per ridurre l'inquinamento dei veicoli a due ruote elaborato dall'Università di Salonicco per conto della Commissione Europea indica che nel 2020 le emissioni di idrocarburi da parte di moto e motocicli saranno più importanti di quelli di tutte le altre categorie di veicoli nell'Unione Europea. Inoltre, secondo studi di mercato a lungo termine, commissionati dalla Acem (Associazione Costruttori Europei di Motocicli), il futuro della mobilità dovrebbe ancora passare per le due ruote motorizzate, con un incremento di vendite tra 35 e 37 milioni di motoveicoli nel 2020, rispetto agli attuali 33 circolanti in Europa. Con un parco delle due ruote (escluse le biciclette) di oltre 5 milioni e mezzo di motoveicoli, l'Italia (che detiene uno dei tassi di motorizzazione più elevati del mondo, secondo dietro agli Stati Uniti e, tra i Paesi Ue, primo davanti alla Germania) conta un numero di motocicli di appena 7 volte inferiore rispetto a quello delle autovetture. L’utilizzo cittadino caratteristico dei motoveicoli, in unione alla loro crescente diffusione, rende quindi necessario approfondire il comportamento emissivo di questa categoria veicolare al fine di valutarne l’impatto ambientale e di sostenere la definizione di efficienti politiche di risanamento della qualità dell’aria, soprattutto in ambito urbano. Alla luce di queste valutazioni, l’attività sperimentale svolta in collaborazione con l’Istituto Motori del CNR presso la sala motocicli E4 dello stesso Istituto, come detto, è stata finalizzata alla valutazione del comportamento emissivo di veicoli a due ruote di nuova concezione; i veicoli oggetto delle sperimentazioni sono stati un ciclomotore Vespa Piaggio, uno scooter Nexus della Gilera, e infine una moto Brutale dell’Augusta. Lo scopo è stato quello di studiare e quindi caratterizzare il comportamento emissivo di tali veicoli su cicli di guida che non siano solo quelli di omologazione ma anche su cicli di guida reali, attraverso anche l’analisi delle misure in continuo, al fine di parametrizzare i valori delle emissioni misurate ai valori cinematici dei cicli di guida che le hanno determinate. Dall’analisi dei risultati di una tale procedura sarà possibile, in ultima analisi, raffinare i fattori di emissione e gli algoritmi che sono alla base dei modelli predittivi delle emissioni, implementandone il relativo database, e rendendoli realmente fruibili per le categorie veicolari testate. I fattori di emissione dei veicoli a due ruote che generalmente vengono adoperati nei modelli di emissione, infatti, presentano spesso dei forti limiti di applicazione. Ciò è dovuto in primis al fatto che i veicoli sui quali sono state condotte le sperimentazioni appartengono a superate normative di omologazione e sono numericamente insufficienti o poco significativi ai fini dell’estensione degli stessi risultati a tutto il parco circolante europeo dei veicoli a due ruote. Inoltre, i cicli di guida sui quali sono stati testati i veicoli sono principalmente quelli di omologazione che non possono considerarsi come dei cicli di guida realmente rappresentativi delle condizioni di guida reali. Questi modelli, infine, (come ad esempio COPERT IV [13]) non si sono occupati del contributo delle partenze a freddo sul fenomeno emissivo globale di questi mezzi, avendolo analizzato nello specifico solo per gli autoveicoli. Queste stesse motivazioni hanno inoltre condotto la sezione Trasporto e Ambiente della Commissione Europea allo sviluppo del progetto di ricerca europeo ARTEMIS che, nello specifico task WP500 (descritto in questo lavoro), è finalizzato allo sviluppo di un modello di emissione valido per i veicoli a due ruote, coinvolgendo diversi centri di ricerca europei (tra cui lo stesso Istituto Motori). È evidente che grazie ai dati e alle relazioni sperimentali ottenute nel presente studio sarà possibile fornire un proficuo contributo all’aggiornamento di tale workpackage (talora esso fosse messo in atto), attraverso la possibilità di “irrobustire” il database del modello di emissione sviluppato in ARTEMIS WP500. Il lavoro si è occupato inoltre delle emissioni a freddo valutandone il contributo sul fenomeno emissivo globale, attraverso un modello di stima rivolto alla determinazione della durata del transitorio della fase a freddo, della quantità di sovraemissioni che in questa fase si sviluppano, e della legge di variazione di tali sovraemissioni durante il transitorio iniziale. Tale procedura è stata successivamente applicata e validata sui veicoli oggetto dell’attività sperimentale in question