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Riduzione delle emissioni di black carbon: funzionano i filtri antiparticolato?

Una delle emissioni climalteranti che più contribuiscono al riscaldamento globale, seppur poco conosciuta, è quella di black carbon, piccole particelle carboniose derivanti dalla combustione incompleta di combustibili fossili e biomasse. Sono anche particelle molto pericolose per la salute, per cui la riduzione delle emissioni di black carbon rappresenta una delle azioni cosiddette “win & win”, ossia utili per affrontare il tema del riscaldamento globale e dell’inquinamento atmosferico. Diversi inventari delle emissioni hanno indicato fra le sorgenti principali la combustione della legna e quella nei motori dei veicoli diesel (qui uno studio sulla Lombardia). La tecnologia proposta e già utilizzata a livello europeo per ridurre le emissioni di black carbon dai mezzi diesel è quella dei filtri antiparticolato. Eppure in Italia diversi mezzi di informazione, due puntate di Report (qui e qui) e un recente articolo del Fatto Quotidiano (qui) hanno messo in discussione l’utilità di questi dispositivi. Utilizzando argomenti poco fondati e citando genericamente studi e letteratura scientifica secondo i quali “i filtri antiparticolato sono sostanzialmente inutili (se non dannosi) ai fini del contenimento delle “polveri sottili”” e addirittura “con l’installazione dei Fap i danni per la salute sono potenzialmente persino maggiori” senza riportarne i riferimenti precisi (autori, titolo, rivista, anno etc.).

Il filtro antiparticolato, il cui acronimo in inglese è DPF (Diesel Particulate Filter), è diventato un componente essenziale degli autoveicoli diesel per rispettare il limite di emissione imposto dalla normativa per l’omologazione Euro 5 ed Euro 6 [1,2] sul numero di particelle (6*1011 #/km, ovvero numero di particelle solide, con diametro aerodinamico nel range 23 nm ÷ 2,5 µm, emesse al chilometro) e per ridurre in maniera drastica le emissioni di particolato allo scarico dei mezzi pesanti e off-road.

l principio operativo del DPF si basa sulla separazione del materiale particolato dal flusso gassoso per deposizione su una superficie di raccolta [Figura 1]. Il DPF raccoglie tutte le particelle carboniose (nel settore delle emissioni autoveicolari definite “soot”, sostanzialmente assimilabile al black carbon) emesse dal motore diesel fino a che non raggiunge un limite massimo di filtrazione, segnalato alla centralina da sensori di contropressione allo scarico. A quel punto la centralina elettronica avvia il processo di rigenerazione del filtro antiparticolato, tramite delle post-iniezioni di gasolio che consentono la combustione ottimizzata e ben controllata dalla centralina elettronica del soot accumulato direttamente sul filtro [Figura 2].

Figura 2 Schema di funzionamento della linea di scarico di un autoveicolo diesel dotato di DPF

Durante il normale funzionamento di un autoveicolo diesel dotato di DPF, le emissioni di particelle vengono abbattute con un’efficacia molto elevata rispetto alle emissioni di un autoveicolo diesel privo di DPF: anche la frazione ultrafine (diametro aerodinamico delle particelle inferiore a 100 nm) e la frazione nanoparticolato (diametro aerodinamico inferiore ai 30÷50 nm, le cui dimensioni consentono a queste particelle – se respirate – di oltrepassare la barriera polmonare alveolare umana ed entrare direttamente nel sistema circolatorio) vengono drasticamente abbattute. Con le migliorie tecniche progressive degli ultimi anni questa tecnologia sta raggiungendo livelli elevatissimi di efficacia di abbattimento delle emissioni di particelle allo scarico [Figura 3].

Figura 3 Confronto delle emissioni di particelle totali (solide + volatili, [N/km] = numero al chilometro) nel range 7 nm ÷ 10 µm, allo scarico di tre autoveicoli diesel: un Euro 3 senza DPF (in verde), un Euro 4 con DPF (in arancione), un Euro 5 (con DPF). Odg = ordine di grandezza [3]

Durante la rigenerazione del DPF, rispetto al normale funzionamento dell’autoveicolo si rileva allo scarico un incremento dell’emissione di CO2 e H2O, di inquinanti gassosi e di particelle in tutto il range dimensionale e con caratteristiche composizionali tipiche dell’emissione da motori diesel, molto simili alle emissioni delle particelle da autoveicoli diesel privi di DPF.
La rigenerazione del DPF dura tuttavia pochi minuti ed ha una frequenza media di avvio ogni 500-1000 km in dipendenza delle condizioni di guida (carico del motore) e della strategia di rigenerazione adottata dal costruttore.
Solo durante la rigenerazione del DPF, quindi, il livello di emissione anche della frazione ultrafine e del nanoparticolato si approssima a quello rilevato con autoveicoli diesel di pari livello tecnologico non dotati di DPF, con lievi differenze di carattere morfologico (diametro aerodinamico medio delle particelle) e composizionale (particelle di natura volatile/semi-volatile/solida) che, ad oggi, non hanno dato riscontro positivo in termini di aggravamento dell’impatto sulla salute umana rispetto alle particelle emesse da un motore diesel senza DPF [Figure 4 e 5].

Figura 4 Confronto delle distribuzioni delle particelle totali emesse allo scarico di un autoveicolo Euro 4 con DPF in normale funzionamento (in blu) e durante la rigenerazione del DPF (in rosso), rispetto ad un Euro 4 senza DPF (in verde). PN = numero totale di particelle. Dp = diametro aerodinamico medio delle particelle [3].

Figura 5 Confronto delle emissioni di particelle totali allo scarico di un autoveicolo Euro 4 con DPF in normale funzionamento (in verde blu) e durante la rigenerazione del DPF (in rosso), rispetto ad un Euro 4 senza DPF (in blu verde). PN = numero totale di particelle. Dp = diametro aerodinamico medio delle particelle. A sinistra emissioni modali del numero totale di particelle, a destra dell’area superficiale totale di tutte le particelle sul ciclo NEDC [3].

La tecnologia del DPF ha riscontrato una tale efficacia nell’abbattimento delle emissioni di particolato allo scarico che è stata utilizzata dai ricercatori di settore per sviluppare i filtri antiparticolato anche per le autovetture a benzina, i cosiddetti GPF (Gasoline Particulate Filter). Con lo scopo di ridurre i consumi e le emissioni di CO2 i motori a benzina vengono realizzati sempre più spesso con la tecnologia a iniezione diretta in camera di combustione (motori GDI – Gasoline Direct Injection), la quale tuttavia ha come riscontro negativo un incremento delle emissioni allo scarico di particelle incombuste.
Da settembre 2014 è entrata in vigore la normativa Euro 6 che prevede per i veicoli a benzina GDI il rispetto del limite di emissione allo scarico di 6*1012 #/km, che verrà ridotto allo stesso valore del diesel (6*1011 #/km) a partire dal 2017. Sempre più costruttori stanno adottando la tecnologia GPF come unica soluzione tecnica in grado di consentire il rispetto di questi limiti [4] e contemporaneamente ottemperare agli obblighi di riduzione delle emissioni di CO2.
La tecnologia dei filtri antiparticolato sta diventando sempre più matura e l’impatto sulla qualità dell’aria determinato da un parco circolante costituito da autoveicoli dotati di questi dispositivi può ritenersi quindi estremamente ridotto rispetto a flotte autoveicolari che ne siano prive.

Qualsiasi nuovo dispositivo antinquinamento di cui si voglia valutare l’efficacia nell’abbattimento di emissioni e/o consumi va testato secondo molteplici, rigidi e referenziati protocolli scientifici, come è stato fatto e viene realizzato continuamente da Università e autorevoli Centri di ricerca di settore in tutto il mondo per i dispositivi antiparticolato sopra descritti.
E, in generale, i media italiani prima di inneggiare al dispositivo rivoluzionario o di gridare al complotto ambiental/tecnologico dovrebbero richiedere molteplici pareri alle Università e/o ai Centri di ricerca di cui sopra, per evitare di passare dall’informazione alla disinformazione, dallo scoop a tutti i costi alla… figuraccia.

 

[1] Regulation (EC) No 715/2007 of the European Parliament and of the Council of 20 June 2007 on type approval of motor vehicles with respect to emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on access to vehicle repair and maintenance information (Text with EEA relevance)

[2] UNECE Regulation N. 83, Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the emission of pollutants according to engine fuel requirements, Revision 5, 22 January 2015.

[3] Emissioni di nanoparticolato da autovetture diesel in fase di rigenerazione del DPF [S. Casadei, D. Faedo, F. Avella]. PM2012 – 5° Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico

16-18 maggio 2012, Perugia – http://www.pm2012.it/sitoweb/programma.asp

[4] Il nanoparticolato: emissioni da fonti mobili e tecniche di valutazione dell’esposizione [S. Casadei, S. Moroni]. La Rivista dei Combustibili e dell’Industria Chimica. 2013 – Volume 67 – n.4 ISSN 1972-0122

 

Testo di Simone Casadei, con il contributo di Stefano Caserini

12 responses so far

12 Responses to “Riduzione delle emissioni di black carbon: funzionano i filtri antiparticolato?”

  1. Guido Lanzanion Apr 20th 2015 at 11:14

    Complimenti, davvero un post interessante che contribuisce a fare chiarezza su un tema spesso distorto dai media

  2. Robertoon Apr 21st 2015 at 18:23

    Segnalo un piccolo refuso nella didascalia della figura 5, dove in blu si riferisce (come correttamente riportato in legenda) al EUR 4 senza DPF e il verde a EUR 5 con DPF.
    Se lo correggete è meglio.
    Grazie
    Roberto

  3. adminon Apr 22nd 2015 at 07:29

    @ Roberto
    corretto, grazie!

  4. Simone Casadeion Apr 23rd 2015 at 17:01

    Grazie Guido e Roberto, mi date rispettivamente stimolo e assist per alcune integrazioni.

    A proposito delle didascalie, gli andamenti delle distribuzioni delle particelle delle Figure 3 e 4 sono compresi tra i punti di ascissa 18 nm e 6 µm, che sono i valori medi dei diametri aerodinamici delle particelle rilevate dagli stadi estremi dell’impattore elettrostatico a cascata, con cui sono state svolte le misure.
    In didascalia in Figura 3 ho invece riportato i valori minimo e massimo rilevabili dai due stadi estremi (7 nm ÷ 10 µm) per sottolineare il fatto che le distribuzioni nei grafici coprono di fatto tutto il range del “celebre” PM10, nanoparticelle in moda nuclei (~10 nm di diametro aerodinamico) e particelle grossolane comprese.

    Per quanto concerne la Figura 5, invece, gli andamenti dell’EURO 4 con DPF sono simil-sinusoidali perchè per quei test è stata usata un’aria di diluizione ottenuta da una linea di rete di aria compressa il cui compressore era in pre-manutenzione (ovvero in condizioni non perfette). I reali andamenti (che abbiamo determinato in prove successive) sono simili come “disegno” a quello blu, ma ancora inferiori rispetto a quelli sinusoidali verdi e rossi.
    In pratica ad esclusione dei pochi minuti di rigenerazione del filtro (parte destra del grafico, andamento in rosso), per tutto il ciclo di guida l’emissione delle particelle da EURO 4 con DPF è inferiore alla concentrazione di fondo rilevata!

    E sono dati di emissione di un Euro 4 con DPF: le emissioni di particelle di un Euro 5 (Figura 3) o di un EURO 6 diesel sono ulteriormente ridotte.

  5. stefanoon Apr 30th 2015 at 19:56

    credo che uno dei grossi problemi sia il prevalente utilizzo, di tale motorizzazione, in ambito urbano..
    infatti, anche se il DPF rigenera ogni qualche centinaia di km lo fa, molto probabilmente, per un numero notevole di auto, in città.
    Tra l’alltro, quello che molte persone pensano è che, sostanzialmente, il motore endotermico funzioni un pò come quello elettrico..in cui performance e consumi sono allineati sull’unità temporale con funzione costante..
    sappiamo tutti invece che il motore endotermico, qualsiasi sia il carburante, ha una temperatura ottimale d’esercizio che non può essere raggiuntà né in breve tempo (in particolar modo nella stagione invernale), né per un chilometraggio breve..
    e lo stop&go della città è ottimo per non far raggiungere in breve tempo consumi e prestazioni ottimali al motore..
    ecco che il PM torinese Guariniello, a seguito di un incendio, ha preso la palla al balzo anche per indagare sulla effettiva utilità di tali dispositivi (di filtri quantomeno dalla dubbia utilità, da quelli dell’acqua a quelli più complessi, ne sono uscite di cotte e di crude..).
    Non risulta tra l’altro che l’aria cittadina sia migliore di qualche anno fa..l’ultimo report Ispra, se l’ho letto bene, parla di aumento degli inquinanti nelle città medie e medio-piccole in particolar modo del centro e del centro-sud Italia.
    E anche vero che, probabilmente, tutto dipenda dall’aumento di traffico (sorprendente per certi versi visto la crisi costante); considerando comunque l’aspetto che quella diesel è, ancora oggi, la prima motorizzazione in Italia.
    Grazie.
    Saluti.
    stefano

  6. stefanoon Apr 30th 2015 at 20:42

    ecco che il PM torinese Guariniello, a seguito di un incendio, ha preso la palla al balzo anche per indagare -giustamente- sulla effettiva utilità di tali dispositivi..
    La frase voleva essere questa..
    grazie ancora per l’ottimo report :).
    Stefano

  7. Simone Casadeion Mag 1st 2015 at 19:38

    In effetti, Stefano, problemi si sono rilevati con i primi diesel dotati di FAP o DPF (Euro 3 / Euro 4) per i quali una prolungata guida urbana poteva generare problemi di intasamento essendo la centralina elettronica del veicolo impostata per far avviare la rigenerazione del filtro in corrispondenza con una guida più favorevole all’ottimizzazione del processo di rigenerazione, ovvero quella extraurbana.
    Con i diesel più recenti questi inconvenienti si sono notevolmente ridotti.

    L’alimentazione elettrica pura comincia oggi ad essere competitiva proprio (e solo, per ora) in ambito urbano, ma l’argomento è off topic rispetto al post e lo abbiamo già trattato in parte qui
    http://www.climalteranti.it/2014/02/21/il-ruolo-della-mobilita-elettrica-nella-riduzione-delle-emissioni-di-gas-climalteranti/

    La tecnologia del filtro antiparticolato è utile ed efficiente: contribuisce a ridurre in maniera significativa le emissioni di particolato e nanoparticelle, come riportato nel post. Per quanto concerne il filtroantiparticolato l’elemento su cui ha più senso porre l’attenzione è la qualità e la durabilità dei diversi prodotti “filtro antiparticolato”. Se il filtro si rompe o si buca, infatti, la rigenerazione non si avvia o si avvia in maniera irregolare, col rischio di rendere l’Euro 5 / 6 assimilabile ad un diesel senza filtro in termini di emissione di particolato.

    Per l’alimentazione diesel il vero problema su cui concentrarsi sono le emissioni di NO2 in guida reale su strada, ma la Commissione Europea sta correndo ai ripari con l’introduzione del nuovo ciclo di guida WLTC
    http://en.wikipedia.org/wiki/Worldwide_harmonized_Light_vehicles_Test_Procedures
    e l’adozione dei PEMS
    http://iet.jrc.ec.europa.eu/pems/portable-emissions-measurement-systems-pems

    Sulla qualità dell’aria vedi qui (pag. 406-409)
    http://www.isprambiente.gov.it/files/pubblicazioni/statoambiente/aree-urbane-2014/CAP_6_Emissioniequalitdellaria_corretto.pdf
    ove si
    “evidenza l’esistenza di una tendenza statisticamente significativa alla riduzione dei livelli di PM10 e NO2 negli ultimi 10-12 anni, estesa alla maggioranza dei punti di misura utilizzati per le analisi” in buona parte, aggiungo io, grazie al miglioramento del livello tecnologico del parco circolante e al suo ricambio.
    “D’altro canto il perdurare in Italia e nelle aree urbane di diffuse e intense situazioni di mancato rispetto dei limiti di legge, rende conto della difficoltà e della lentezza con cui le misure di risanamento attuate si traducono in effettivi miglioramenti della qualità dell’aria”.
    …dobbiamo ancora lavorarci, comunque, tenendo d’occhio gli effetti dei cambiamenti climatici che potrebbero aggravare il problema a livello locale.

    La motorizzazione diesel (rif. autovetture) non è mai stata la prima in Italia, vedi qui tab 3 pag. 8
    http://www.aci.it/fileadmin/documenti/studi_e_ricerche/dati_statistiche/autoritratto2013/Nota_metodologica_e_considerazioni.pdf

  8. stefanoon Mag 1st 2015 at 20:04

    Grazie Simone per l’ampia, cortese e precisa risposta.
    Sono solo un appassionato in tema ‘inquinamento’ e si vede :)..
    devo dire di aver confuso ed espresso male, tra l’altro, i dati ‘vendite’ col ‘circolante diesel’..sempre che non mi sbagli ancora :).
    un saluto.
    stefano

  9. gigieffeon Mag 14th 2015 at 14:51

    https://www.avl.com/web/headquarters-avl-italia-s.r.l./particulate-emissions-forum-2012

    Per chi è interessato alla tematica, della informazione di prima mano da parte di uno dei più importanti attori nel settore della strumentazione per motori.

    Gigi

  10. CCCon Giu 15th 2015 at 09:55

    sul fronte disinformazione segnalo su RAI3 due puntate disinformative di Ambiente Italia (Copia & Incolla delle 2 puntate di REPORT linkate nel post):

    7 Marzo 2015

    http://www.ufficiostampa.rai.it/comunicati_tv/20150306/rai3__ambiente_italia__l_aria_malata_cronica.html

    con la partecipazione Cristina Pronello che fa un intervento molto ambiguo (dato che dopo i filtri antiparticolato vengono presentati i dispositivi Dukic Day Dream) definendo i filtri antiparticolato ‘preistoria’, senza aggiungere alcuna precisazione.

    e 9 Maggio 2015

    http://www.ufficiostampa.rai.it/comunicati_tv/20150508/rai3__ambiente_italia__la_sfida_delle_rinnovabili.html

    in cui viene data ospitalità incondizionata ad Anna Dukic, titolare della Dukic Day Dream, che riesce a vendere anche allo Stato Italiano nonostante l’assenza di omologazione antiparticolato del prodotto.

  11. […] approfondimenti su: http://www.climalteranti.it/2015/04/18/riduzione-delle-emissioni-di-black-carbon-funzionano-i-filtri… Share this:TwitterFacebookMi piace:Mi piace […]

  12. Inquinamento sostenibile | iMilleon Nov 2nd 2015 at 07:29

    […] Sul filtro antiparticolato si sono scatenate in Italia violente polemiche, ben sintetizzate in questo articolo. In generale si fa spesso confusione tra i sistemi applicati in serie sulle auto per rispettare le […]