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Dispersione degli inquinanti atmosferici: analisi, modelli matematici e valutazione dell'impatto ambientale

La rapida crescita economica ed industriale avvenuta negli ultimi decenni in molti paesi Europei ed extra Europei ha portato fra le varie conseguenze, ad una espansione delle aree urbane e, cosa ancora più importante, ad una esponenziale crescita i domanda energetica. Tale consumo energetico ha come diretta conseguenza un aumento di emissione di inquinanti atmosferici. In virtù delle evidenti conseguenze sul piano socio-sanitario l’inquinamento atmosferico è diventato uno dei problemi più delicati affrontati sia dalla comunità scientifica che dagli organismi legiferanti.

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La Termotecnica, giugno 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 58 LA TERMOTECNICA GIUGNO 2017 Emissioni & Ambiente INTRODUZIONE
La rapida crescita economica ed industriale avvenuta negli ultimi de-
cenni in molti paesi Europei ed extra Europei ha portato, fra le varie
conseguenze, ad una espansione delle aree urbane e, cosa ancora
pi importante, ad una esponenziale crescita di domanda energetica.
Tale consumo energetico ha come diretta conseguenza un aumen-
to di emissione di inquinanti atmosferici [1]. In virt delle evidenti
conseguenze sul piano socio-sanitario l'inquinamento atmosferico
diventato uno dei problemi pi delicati affrontati sia dalla comunit
scientifica che dagli organismi legiferanti [1]. Diversi Paesi hanno
adottato, in tal senso, strategie a medio e lungo termine per la ridu-
zione ed il monitoraggio delle emissioni di inquinanti con particolare
attenzione per le aree urbane, laddove appunto vi una maggiore
densit abitativa. Una delle pi importanti sicuramente la Direttiva
Europea 2008/50/CE, relativa alla 'qualit dell'aria ambiente e per
un'aria pi pulita in Europa'. Tale direttiva mira al raggiungimento
di misure concrete per monitorare la purezza dell'aria ambiente ed
eliminare qualsiasi composto inquinante. Stabilisce, con orizzonte
2020, obiettivi della qualit dell'aria, ambiziosi ed economicamente
vantaggiosi, per migliorare la salute dell'uomo e la qualit dell'am-
biente; inoltre comprende i seguenti elementi chiave: soglie stabilite
per la valutazione di ogni inquinante indicato nella direttiva, assegna-
zione da parte delle Autorit nazionali ad organismi specifici della
responsabilit del monitoraggio continuo di tali inquinanti, previsione
di piani d'azione a breve termine per l'abbassamento dei livelli di
inquinamento ove vengono superate le soglie.
Fra tutti i possibili inquinanti atmosferici, quelli attualmente oggetto
di approfondimento scientifico e presenti nelle principali normative,
quale ad esempio la 2008/50/CE sono i seguenti: L'ozono (O 3), il biossido di azoto (NO 2), il monossido di azoto (NO), il benzene (C6H6) ed il particolato (PM 2.5, PM5, PM10, TSP). Le polveri sottili in genere sono composte da particelle solide di varia
grandezza sospese nell'aria. La formazione di queste polveri stretta-
mente correlata alle attivit antropiche quali i processi di combustione
di composti fossili da sorgenti stazionarie [2] o le emissioni emesse
dai veicoli equipaggiati con motore a combustione interna [3]. stato
inoltre dimostrato che vi una forte relazione con alcune specifiche
condizioni climatiche [4].
La presenza degli NO x e del Benzene, gas estremamente pericolosi per l'apparato respiratorio umano, generalmente associata alle alte
temperature, tipiche dei processi di combustione sia dei motori che
delle centrali termoelettriche. Come riportato dal rapporto dell'EEA
del 2012 [5], in 22 dei 27 Stati Membri della Comunit Europea sono
state rilevate delle persistenti eccedenze di concentrazione di questi
gas rispetto ai limiti consentiti, soprattutto nelle aree urbane. Inoltre,
negli ultimi anni, vi stato un aumento della concentrazione di NO x correlato all'utilizzo dei motori alimentati a gasolio [6].
L'Ozono, oggetto di studio soprattutto negli ultimi anni, strettamente
legato all'inquinamento fotochimico, caratterizzato da condizioni
climatiche di stabilit e con forte insolazione. stato anche dimostra-
to che la formazione di Ozono indotta da un sistema di reazioni
fotochimiche causate anche dagli ossidi di azoto [7].
La comunit scientifica internazionale si affacciata alla tematica
dell'inquinamento atmosferico secondo diversi livelli di approfon-
dimento. Un approccio riguarda lo studio delle conseguenze dirette
sulla salute umana, un altro l'impatto ambientale, un altro ancora
la definizione di metodologie matematiche per l'analisi diretta e/o
inversa della propagazione degli inquinanti per lo studio dell'impatto di R. Lanzafame, M. Messina, S. Brusca, F. Famoso, S. Mauro Dispersione degli inquinanti atmosferici: analisi, modelli
matematici e valutazione dell'impatto ambientale
In questo lavoro viene presentata un'analisi dello stato dell'arte della dispersione degli inquinanti atmosferici. Negli ultimi decenni la comunit scientifi-
ca internazionale ha mostrato una sempre maggiore attenzione a questa tematica soprattutto in virt delle chiare conseguenze sia da un punto di vista
dell'impatto ambientale che sulla salute. A dimostrazione di ci, sono stati finanziati diversi progetti di ricerca nel ramo del monitoraggio ambientale,
con particolare attenzione allo studio di metodologie e modelli matematici per l'analisi e la valutazione della dispersione degli inquinanti. Il Gruppo
di Ricerca dell'Universit degli Studi di Catania, coordinato dal Prof. Ing. Rosario Lanzafame, stato coinvolto in un progetto PON dal titolo 'Sensor
Network Infrastructure For Factors' (SNIFF) ed ha trattato questa tematica negli ultimi anni seguendo diversi approcci pratici. AIR POLLUTANTS DISPERSION: ANALYSIS, MATHEMATICAL MODELS AND ENVIRONMENTAL IMPACT EVALUATION
The present paper focuses on pollutants dispersion and some practical applications. In the last decades, the scientific community has turned his interest
to this issue because of both the consequent environmental impact and health matters. For all of these reasons, European Countries are financing
many scientific projects in order to investigate new technologies, new mathematical models for monitoring, evaluating and analyzing air pollution
dispersion. The team of research coordinated by Prof. Rosario Lanzafame was involved in the project 'Sensor Network Infrastructure For Factors'
(SNIFF) and have treated this issue during last years developing some practical applications. Rosario Lanzafame, Michele Messina, Sebastian Brusca, Fabio Famoso, Stefano Mauro
Universit di Catania Tecnica LA TERMOTECNICA GIUGNO 2017 59 Emissioni & Ambiente delle sorgenti sul territorio; infine va annoverato lo studio nel settore
della progettazione di sensori e tecnologie per la rilevazione degli
agenti inquinanti. Proprio riguardo questo ultimo punto il team di
ricerca coordinato da Rosario Lanzafame, stato coinvolto nel trien-
nio 2012/2015 nel progetto PON 'Sensor Network Infrastructure
For Factors' ' SNIFF. Questo progetto ha coinvolto una partnership
di circa una dozzina di Aziende industriali, come la Vitrociset S.p.A,
ed Enti di Ricerca Scientifica quali l'Universit degli Studi di Catania,
L'Universit di Roma Tor Vergata e l'Universit di Milano Bicocca.
L'obiettivo generale della proposta consistito nella progettazione,
realizzazione, sperimentazione e validazione di un sistema innova-
tivo, basato su un'infrastruttura sensoristica a basso costo, che, ana-
lizzando il livello complessivo dell'inquinamento atmosferico diffuso
nell'ambiente, fosse in grado di rappresentare, misurare e quantifi-
care le emissioni rilasciate delle singole sorgenti inquinanti presenti
sul territorio. L'Universit degli Studi di Catania stata coinvolta in
diverse attivit, tra le quali principalmente lo studio di modelli di pro-
pagazione diretta ed inversa degli inquinanti trattati. A tal proposito
le tematiche di ricerca che vengono appresso rappresentate, possono
essere sintetizzate in tre macrocategorie: -Analisi dati da reti di monitoraggio certificate esistenti; -Studio propagazione inquinanti in ambiente controllato; -Implementazione di modelli matematici per la dispersione degli inquinanti. ANALISI DATI DA RETI DI MONITORAGGIO
CERTIFICATE ESISTENTI
Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Direzione Ecologia
e Ambiente del Comune di Catania, responsabile del monitoraggio ambientale dei principali inquinanti del Comune stesso, stata avvia-
ta una attivit istituzionale di ricerca attraverso un'accurata analisi
dati degli inquinanti tracciati. Il Comune di Catania dotato di una
rete di monitoraggio dell'inquinamento atmosferico dal 1992. Tale
network costituito da 17 stazioni fisse di monitoraggio dislocate sul
territorio comunale, in linea con le pi recenti normative di riferimen-
to. Le stazioni sono quasi tutte collocate nei pressi di importanti nodi
di traffico e, pertanto, sono essenzialmente finalizzate alla misura
delle emissioni prodotte dai propulsori degli autoveicoli. Con la
nuova rete di monitoraggio sono stati 'accorpati' i punti di misura
dell'inquinamento da traffico e differenziate le stazioni di monito-
raggio includendo aree di 'fondo' e zone residenziali. Sono stati
analizzati i dati relativi a diversi anni, nell'intervallo temporale pre
e post anno 2012, rispetto ai seguenti inquinanti atmosferici: NO 2, CO, BTX, PM 10, O3, SO2. Attraverso l'utilizzo di tecniche statistiche e geostatistiche avanzate
(PCA analysis, Cluster analysis, metodo kriging, regressioni lineari
ed analisi multivariata), si sono trovate importanti relazioni fra i dati
climatici e gli inquinanti trattati nonch fra gli inquinanti stessi [4, 8,
9]. Inoltre applicando alcuni indici specifici si potuto evidenziare
l'incidenza di alcuni inquinanti nelle diverse stagioni o giorni tipo
(vedi fig.1). SET UP SPERIMENTALE IN AMBIENTE CONTROLLATO
L'utilizzo della galleria del vento, gi disponibile nei laboratori
dell'Universit degli Studi di Catania, si rivelato particolarmente
efficace nella validazione del processo di diffusione degli inquinanti,
effettuato in diverse campagne sperimentali. Ci ha permesso di
studiare le dinamiche di propagazione degli inquinanti in ambiente FIGURA 1 - Trend giornaliero della concentrazione di NO 2 nel 2013 in una stazione specifica di monitoraggio del Comune di Catania Tecnica 60 LA TERMOTECNICA GIUGNO 2017 Emissioni & Ambiente controllato. Sono stati testati, tarati ed analizzati degli emettitori di
polveri sottili ed attraverso una rete sensoristica portatile (strumenti
AEROCET 531) sono state analizzate le concentrazioni di PM 10 se- condo diversi scenari (fig. 2). L'analisi di questi dati stata effettuata
attraverso l'utilizzo di tecniche statistiche (ANOVA), considerando
diversi fattori in gioco quali: posizione dei sensori, velocit del
vento e portata massica delle polveri. Inoltre, utilizzando anche
degli ostacoli specifici e degli scenari diversi, si potuto indagare
anche sull'influenza che la presenza di ostacoli induce sul fenomeno
di propagazione della dispersione; per questo sono state utilizzate
tecniche di image processing [10]. Un esempio mostrato in fig. 3. IMPLEMENTAZIONE DI MODELLI MATEMATICI PER
LO STUDIO DELLA DISPERSIONE DI INQUINANTI
L'implementazione, la calibrazione e la valutazione di modelli di
dispersione diretta di inquinanti in ambiente controllato rappresenta
una tematica di grande interesse scientifico. Vi sono diverse tipologie
di modelli e le loro prestazioni in termini di predizione ed accura-
tezza dipendono dai diversi fattori da considerare come condizioni
al contorno. La classificazione di questi modelli dipende dalla geo- metria delle sorgenti (sorgenti puntuali, lineali, areali), dalla scala
del fenomeno considerato, dalla tipologia di input (modelli determi-
nistici o stocastici), dalle condizioni dinamiche (stazionarie o non
stazionarie), dal tipo di inquinante (gassoso o solido). Molti studiosi
hanno classificato questi modelli di simulazione del comportamento
della dispersione rispetto alle variabili appena citate. Fra tutte le
tipologie di modelli presenti in letteratura, nel presente lavoro ci si
focalizzati su modelli Gaussiani ed Euleriani-Lagrangiani. Entrambi
i modelli di calcolo sono capaci di stimare la concentrazione degli
inquinanti provenienti da diverse tipologie di sorgenti. Attraverso i
test effettuati, anche grazie ai set 'up sperimentali prima mostrati,
stato possibile riconoscere come il modello Euleriano- Lagrangiano
riprodotto in ambiente CFD 3D sia stato in grado di descrivere sia la
fase fluida che quella solida della dispersione del particolato, tanto
nella configurazione che contempla presenza di ostacoli che in loro
assenza (fig. 4). Questo proprio perch questa tipologia di modelli
in grado di adattarsi anche a fenomeni turbolenti e non stazionari,
ma necessita di un notevole tempo di calcolo computazionale e non
pu essere utilizzata in applicazioni real time [11]. stato anche im-
plementato un modello di tipo Gaussiano, calibrato, testato e validato
anch'esso attraverso i risultati ottenuti mediante i set up sperimentali
prima mostrati. Tale modello ha tempi computazionali irrisori rispetto
a quello Lagrangiano, ma opera in condizioni stazionarie; inoltre
stato possibile riscontrare buoni risultati anche per applicazioni su
piccola scala [12]. Il suo utilizzo si adatta facilmente per applicazioni
near real-time sotto opportune condizioni semplificative. CONCLUSIONI E SCENARI FUTURI
Nel presente lavoro sono state illustrate le attivit di studio sviluppate
dal team di ricerca coordinato da Rosario Lanzafame dell'Universit
degli Studi di Catania, nell'ambito del monitoraggio ambientale
e pi specificatamente riguardo al tema della dispersione degli
inquinanti atmosferici. Tali attivit sono state per lo pi finanziate
ed incentivate dal progetto PON SNIFF ed hanno avuto un riscontro
pratico nella progettazione realizzazione e validazione del proto- FIGURA 2 - Set up
sperimentale realizzato
all'interno della galleria
del vento a ciclo chiuso.
visibile l'emettitore
di particolato (cilindro
nero) e i sensori AEROCET
(cilindri grigi), con il flusso
del vento da sinistra a
destra
FIGURA 3 - Analisi immagine della dispersione del
plume con ostacolo (colore verde) e senza ostacolo
(colore rosso)
Tecnica LA TERMOTECNICA GIUGNO 2017 61 Emissioni & Ambiente tipo di rete sensoristica innovativa ideato dai partner del progetto.
La collaborazione con alcuni Enti pubblici, quali il Dipartimento di
Direzione Ecologia e Ambiente del Comune di Catania, ha portato
alla definizione di cluster numerici e correlazioni matematiche fra i
diversi inquinanti ed alcune variabili climatiche tipiche di un contesto
urbano mediterraneo.
Le attivit principali hanno riguardato lo studio di modelli matematici
numerici diretti di dispersione di inquinanti sviluppati e studiati in
ambiente controllato. Partendo da tali risultati ormai consolidati si
sta svolgendo un ulteriore approfondimento finalizzato ad ottenere
applicazioni di 'Reverse Engineering' con lo scopo di individuare
la 'allocazione delle sorgenti di inquinamento'.
Tali studi, i cui risultati sono in fase avanzata di validazione attraverso
l'implementazione del codice numerico reverse, testato e validato in
un ambiente controllato, ineriscono la descrizione del processo di
dispersione di molteplici specie inquinanti di interesse, e saranno
presto oggetto di pubblicazione, superata la fase di verifica finale sul
campo, anche attraverso il confronto della accuratezza dei risultati
ottenuti, comparati con misure reali provenienti da rilievi in ambito
urbano. BIBLIOGRAFIA
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of Gaussian Plume model in small scale system. 71st Conference
of the Italian Thermal Machines Engineering Association, 14-16
Settembre 2016, Torino. In corso di pubbucazione su Energy
Procedia. 12. Brusca S, Famoso Famoso F, Lanzafame R, Mauro S, Messina M, Strano S. PM10 Dispersion Modeling by means of CFD 3D
and Eulerian'Lagrangian models: Analysis and comparison with
experiments. 71st Conference of the Italian Thermal Machines
Engineering Association, 14-16 Settembre 2016, Torino. In corso
di pubbucazione su Energy Procedia. FIGURA 4 -
Streamlines della
velocit di flusso
dall'emettitore con
una velocit del
vento di 4 m/s


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