G. Nicoletti 311

L’IMPATTO AMBIENTALE DEI COMBUSTIBILI GENERALMENTE IMPIEGATI PER IL RISCALDAMENTO URBANO DEGLI EDIFICI

Giovanni Nicoletti

Dipartimento di Meccanica - Università della Calabria - 87030 Arcavacata di Rende (CS)

SOMMARIO L’inquinamento urbano da riscaldamento è determinato principalmente dalle combustioni di gasolio, olio combustibile, gas di città e metano, che si realizzano, normalmente, negli impianti tecnici di edifici civili ed industriali o di quelli destinati ad attività terziarie. Esso porta, come acclarato da più tempo, a gravi conseguenze, che spinge, tra l’altro, le Amministrazioni Locali ed i Governi Nazionali a prendere adeguate misure per limitare e contenere i danni arrecati alle persone, cose ed ambiente vero e proprio. Tra queste strategie, si può immaginare, senza sbagliare di troppo, che un uso diversificato ed intelligente dei combustibili disponibili, riservando ampio spazio all’idrogeno solare, quale risorsa energetica nuova e più pulita, porterà, sicuramente, ad un abbassamento dell’inquinamento atmosferico nelle grandi città. Dunque, in questo lavoro, partendo da questa considerazione, si tenta di confrontare quantitativamente i combustibili soprammenzionati, mediante la definizione di alcuni indici adimensionali, varianti tra 0 ed 1, onde desumerne l’impatto ambientale complessivo. 1. INTRODUZIONE E GENERALITA’ Da alcuni anni il problema dell’inquinamento, nelle sue molteplici forme, è al centro dell’interesse scientifico, sociale e politico di ogni Paese. Nelle aree urbane esso riguarda principalmente quello dell’aria, raggiungendo limiti di notevole pericolosità per i cittadini e le persone che operano in siffatti contesto. Un tale problema discende sostanzialmente dalle emissioni prodotte nei processi di combustione fissi e mobili attivi nelle realtà urbane. Le sorgenti fisse riguardano i forni, le caldaie industriali, gli inceneritori ed i sistemi di riscaldamento; mentre quelle mobili considerano gli autoveicoli e gli altri mezzi di trasporto. In questo articolo l’attenzione viene posta sull’inquinamento urbano da riscaldamento provocato solo da sorgenti fisse di riscaldamento, che, peraltro, incidono sensibilmente sulla qualità dell’aria nelle città. Il riscaldamento urbano, qualora si escludano gli inceneritori di RSU, si rifà generalmente alle combustioni dei classici combustibili fossili: metano, gas di città, gasolio, olio combustibile e carbone. E’ stato preso in considerazione l’idrogeno, quale combustibile alternativo a quelli convenzionali fossili, per dare nel campo del riscaldamento urbano una soluzione ai gravi problemi energetici ed ambientali che attanagliano da più lustri le città. Come noto, nei processi di combustione si producono, oltre al vapor d’acqua, una gamma estremamente vasta di inquinanti, che possono ricondursi in modo sommario ai seguenti 5 gruppi:

- ossidi di carbonio; - ossidi di azoto; - ossidi di zolfo; - composti organici volatili (COV); - particolato solido (PS).

312 56° Congresso Nazionale ATI

A queste emissioni si aggiungono solitamente negli inceneritori altri composti (metalli pesanti, diossina, sostanze radioattive, etc.) che, pur essendo presenti in modestissime quantità nei prodotti della combustione , provocano un impatto ambientale tutt’altro che modesto dal punto di vista sanitario ed ecologico. Partendo dalle proprietà termofisiche dei diversi combustibili presi in considerazione unitamente alle concentrazioni dei classici microinquinanti prodotti durante la loro combustione, sono stati definiti alcuni indici di qualità tecnica-ecologica. Essi quantificano, dunque, gli aspetti di inquinamento chimico da combustione, di infiammabilità e pericolosità dei combustibili nonché le caratteristiche connesse all’espansività e potenzialità esplosiva delle diverse fonti energetiche a disposizione. Da questi indici, peraltro varianti tra 0 ed 1, viene dedotto l’impatto ambientale dei combustibili generalmente impiegati per il riscaldamento urbano degli edifici, onde avere un dato chiaro e certo sul danno ambientale complessivamente provocato da queste combustioni. Nel lavoro, altresì, vengono evidenziati alcune interessanti iniziative che potrebbero essere messe in campo dalle Amministrazioni locali allo scopo di abbattere, nelle zone urbane, l’inquinamento da riscaldamento. Esse vanno in direzione opposta alle iniziative odierne delle isole pedonali o delle città “a piedi”, nelle quali in molti casi si attendono fortuite folate di vento che possano spazzare via l’aria inquinata. Invece le misure antinquinamento proposte nel lavoro si basano sull’uso diversificato ed oculato dei combustibili, sull’impiego mirato del riscaldamento elettrico, sul controllo ed adeguamento degli impianti di riscaldamento e su una diversa politica urbanistica della città, che veda la creazione di parchi ed isole verdi capaci di assorbire gli inquinanti presenti nell’aria. 2. L’INQUINAMENTO URBANO DA RISCALDAMENTO Il degrado ambientale dell’aria nelle città è provocato, principalmente, come detto nell’introduzione, dai diversi processi di combustione. In particolare il riscaldamento urbano a metano, gas di città, gasolio, olio combustibile e carbone gioca un ruolo significativo sull’inquinamento generalizzato dell’aria. Infatti tali combustibili, bruciando, producono i classici microinquinanti, che, a loro volta, scaricandosi nell’atmosfera, arrecano gravi danni alle persone, alle cose ed all’ambiente circostante nonché globale del pianeta. Queste combustioni determinano un elevato livello di concentrazione di CO2 nell’aria , che porta, come conseguenza generale e diffusa, ad un innalzamento della temperatura terrestre (effetto serra). Tale effetto comporta, necessariamente, un aumento del livello dei mari a causa dello scioglimento parziali dei grandi ghiacciai polari. Recenti studi prevedono, in questo nuovo secolo, aumenti possibili del livello dei mari di circa 0,5÷1,5 m e nei prossimi 200÷300 anni aumenti probabili di circa 5÷6 m. Le stime delle emissioni dei principali inquinanti dell’aria da processi di combustione per l’Italia sono riportate, distinguendo i diversi settori di attività, nella tabella 1. Da questo quadro sintetico di cifre e dati si evince, perciò, la necessità impellente di abbattere, per il bene di tutta la comunità, l’inquinamento atmosferico urbano, cominciando da subito a controllare quello del riscaldamento con strategie e misure efficaci.

La prima e più ovvia arma contro l’inquinamento atmosferico delle grandi città è la graduale sostituzione dei combustibili impiegati nel riscaldamento urbano. Il consumo di combustibile per tale riscaldamento è suddiviso tra metano e gasolio od assimilati, con netta prevalenza di quest’ultimo combustibile liquido. A parte le necessarie indagini di approfondimento inerenti la questione della trasformazione dei combustibili, e soltanto da un punto di vista d’assieme, una prima considerazione preliminare che si può fare è la seguente: se si convertisse il metano disponibile all’impiego prioritario del riscaldamento domestico ed industriale nelle aree metropolitane, si darebbe un primo, duro colpo all’inquinamento da SO2.

Una seconda arma, peraltro oggi di uso non consueto, ma auspicabile in un prossimo futuro, è l’impiego dell’idrogeno come combustibile.

G. Nicoletti 313

L’idrogeno, come evidenziato, rappresenta il combustibile più pulito, dà come prodotto di combustione solo l’acqua, più pochi ossidanti fotochimici ed ossido di azoto, peraltro assenti in condizioni di combustione catalitica. Gli studi finora eseguiti sull’impiego dell’idrogeno come combustibile, recentemente illustrati dal prof. Rubbia in una intervista su “Repubblica”, convergono in linea di massima sui seguenti punti.

a. La tossicità dei prodotti di combustione è ridotta praticamente a zero.

b. Il trasporto potrà essere realizzato a pressioni di 70-100 ate, come già in uso per il metano. Ciò consentirebbe, tra l’altro, di utilizzare le stesse tubazioni nelle quali viene addotto il metano, giacché le perdite di carico risultano essere confrontabili.

c. La produzione dell’idrogeno ha dei costi sicuramente maggiori rispetto a quella degli altri combustibili. Una sua economicità di produzione è legata alla possibilità di ottenere idrogeno dalla dissociazione dell’acqua, mediante l’impiego di energia solare con celle ad elevato rendimento.

d. La pericolosità d’impiego non costituisce un grande problema, considerata l’esperienza acquisita nel campo aerospaziale.

Da questi punti, sia pure sommari, può dedursi una seconda considerazione preliminare: quando in un agglomerato residenziale vengono raggiunti condizioni di inquinamento intollerabili, v’è sempre la possibilità teorica di utilizzare reti esistenti per la distribuzione del metano, allo scopo di distribuire un combustibile pulitissimo come l’idrogeno.

Una terza arma consiste nell’impiego dell’energia elettrica per il riscaldamento civile in tutti quei casi in cui l’emergenza per tossicità lo richieda. Tale misura può attuarsi nelle città in cui l’eventuale centrale termoelettrica presente è ubicata al di fuori della cinta urbana. A grandi linee, il costo di produzione del riscaldamento per effetto joule risulta maggiore rispetto all’impiego dei combustibili tradizionali. Però, una riduzione del costo del riscaldamento elettrico potrebbe realizzarsi innanzitutto mediante una politica di ridimensionamento degli utili delle grandi società produttrici ed, in secondo luogo, mediante un’accurata ottimizzazione dei costi di produzione. Si può, così, formulare una terza considerazione preliminare: per particolari utenze speciali di pubblica utilità (ad esempio gli ospedali), il riscaldamento potrebbe essere convertito all’impiego dell’energia elettrica.

Una quarta arma importante per l’abbattimento dell’inquinamento atmosferico da riscaldamento urbano rimane la depurazione e depolverazione preventiva dei fumi da parte dell’utente. Nasce da questa un’ulteriore considerazione preliminare: le grandi caldaie industriali dovrebbero tassativamente fare ricorso a sistemi di depurazione e depolverazione servocomandati da organi di rilevamento modulare dei fumi, per abbattere sensibilmente il particolato solido immesso nell’atmosfera. Sempre limitandoci al caso dell’inquinamento atmosferico diffuso nelle grandi città, accenniamo a un metodo di abbattimento dell’inquinamento connesso con la pianificazione urbanistica. Al riguardo menzioniamo il lavoro, in cui si evidenzia un calcolo teorico della diffusione di SO2 per una città come Milano. Le conclusioni di tale lavoro portano a dire che un parco centrale non abitato e, naturalmente, che non sia fonte di emissioni inquinanti, ha un effetto positivo sull’abbattimento dell’inquinamento e crescente sino a che il lato di tale parco raggiunge dimensione pari a 0,577 il lato dell’intera città. L’effetto rimane pressoché costante, o addirittura è meno positivo, allorquando il lato superi la dimensione citata. In ogni caso, comunque, l’effetto di un parco posto in agglomerato urbano sull’abbattimento dell’inquinamento, risulta essere abbastanza modesto. Un effetto assai più benefico sembra avere, per contro, la disposizione urbanistica della città, a stella o radiale con parco centrale. Ne consegue un’ultima considerazione preliminare: una saggia politica amministrativa a lungo termine di una città afflitta da inquinamento potrebbe portare a grossi risultati.

314 56° Congresso Nazionale ATI

Tab. 1 - Stima delle emissioni dei processi di combustione in Italia

INQUINANTI Trasporti Industria Domestico

e Terziario Centrali

Enel Totale

tonn. x103

Ossidi di zolfo (SO2 +SO3) SOx

1980 1986

164,42 96,20

1222,79 768,97

583,51 142,16

1225,79 975,70

3196,50 1983,06

Ossidi di azoto (NO2+NO) NOx

1980 1986

759,14 804,21

296,91 217,72

88,59 65,77

348,52 385,59

1493,16 1473,29

Particelle sospese

1980 1986

180,99 262,51

83,76 54,16

55.00 53,16

54,14 52,21

373,89 422,06

Monossido di carbonio CO

1980 1986

5039,42 5153,19

22,08 16,68

268,32 300,12

17,33 18,04

5347,15 5488,03

Composti organici volatili (idrocarburi)

1980 1986

621,87 711,60

5,60 5,16

46,44 46,49

3,65 3,50

677,56 769,95

Piombo

1980 1986

6,522 6,363

3. L’IMPATTO AMBIENTALE NELLE COMBUSTIONI L’impatto ambientale nelle combustioni da riscaldamento, in questo lavoro, viene valutato attraverso una procedura quantitativa che considera, globalmente, i seguenti aspetti:

a) inquinamento connesso alle reazioni chimiche di combustioni;

b) infiammabilità correlata alla pericolosità dei diversi combustibili in esame;

c) espansività legata alla potenzialità esplosiva degli stessi combustibili. Poiché è stato ipotizzato, in questo contesto, l’uso dell’idrogeno, quale misura urgente ed efficace per dare un duro colpo all’inquinamento, il confronto tecnico-ecologico tra i diversi combustibili è operato mediante indici di merito che includono, anche, questa nuova fonte energetica per il riscaldamento urbano. Tali indici discendono sia dalle proprietà termofisiche dei combustibili sia dal contenuto di inquinanti prodotti nelle loro combustioni standars. Precisamente, la Tabella 2 riporta le diverse proprietà fisiche-chimiche di gasolio, gas di città, olio combustibile, metano, carbone ed idrogeno; mentre, in Tabella 3, sono state collazionate gli ossidi di azoto, di zolfo e di carbonio nonché i composti organici, il particolato solido e l’acqua presente nei fumi delle diverse combustioni.

G. Nicoletti 315

Tab. 2 - Proprietà termofisiche dei combustibili

COMBUSTIBILE CALORE

SPECIFICO c

P

(kcal/kg°C)

VOLUME SPECIFICO

v (m3/kg)

POTERE CALORIFICO Pci (kcal/kg)

TEMPERATURA COMBUSTIONE

Tc (°C)

TEMPERATURA INFIAMMABILITA’

T0 (°C)

Metano 0,53 v”’ = 1,40

v” = 0,00625 11.900 1750 632

Gas di città 0,30 v”’ = 1,30

v” = 0,009 6.200 1800 650

Gasolio 2,45 v”’ = 1,25

v” = 0,016 10.600 2300 750

Olio

Combustibile 2,20

v”’ = 1,20

v” = 0,015 10.200 2200 800

Carbone 0,30 v”’ = 0,8

v” = 0,006 7.600 2000 600

Idrogeno 3,41 v”’ = 11,2

v” = 0,0325 25.000 2400 571

Tab. 3 - Percentuali ponderali di inquinanti nei fumi di combustione

CONTENUTO DI INQUINANTE NEI FUMI (kg/kgcombustibile) COMBUSTIBILE

SOx NOx COx PSx COV H2O

Metano a 0.03 0.0075 2.75 0.00 0.0030 2.154

Gas di città b 0.00 0.0060 1.95 0.45 0.0025 1.54

Gasolio c 0.09 0.0090 2.125 0.35 0.0030 0.95

Olio combustibile d 0.28 0.0080 2.080 0.30 0.0030 0.85

Carbone e 0.012 0.0080 1.893 0.75 0.100 0.633

Idrogeno f 0.00 0.0160 0.00 0.00 0.00 7.00

1 2 3 4 5 6

Definiamo dunque:

indici di inquinamento

oTpcciPjkx

1jki −= [j = tipo di combustibile, a→f]; [k = tipo di inquinante, 1→6]

dove: xjk = concentrazione in massa delle sostanze inquinanti prodotte dalla singola combustione, espressa

in kgfumi/kgcombustibile;

316 56° Congresso Nazionale ATI

Pci = potere calorifico inferiore del combustibile j-esimo, espresso in kcal/kg; cP = calore specifico del combustibile j-esimo, espresso in kcal/kg°C; To = temperatura di infiammabilità del combustibile, espressa in °C. Si possono calcolare, così, 36 indici (6x6) di inquinamento, nei quali le concentrazioni ponderali sono rapportate al contenuto energetico di ciascuno dei sei combustibili. Tali indici sono resi adimensionali, mediante l’introduzione del rapporto Pci/ cP To. Possiamo, perciò, definire, per ogni combustibile un indice globale di inquinamento come

ijC = ∏ *jki .

indici di infiammabilità

c

ocjT T

TT1i

−−= [j = tipo di combustibile, a→f]

dove: Tc = temperatura di combustione, espressa in °C.

indici di espansività

vvv

1i jV ′′′′′−′′′

−= [j = tipo di combustibile, a→f]

dove: v”’, v” = volume specifico rispettivamente del combustibile liquido e gassoso o del suo vapore,

espresso in m3/kg.. Si osservi che gli indici sopradefiniti, assumono sempre un valore inferiore ad 1; a tale valore corrisponde una totale assenza di agenti inquinanti o di infiammabilità o di esplosività del combustibile. Per tutti gli indici calcolati si è stabilita una graduatoria di qualità, rapportando il valore calcolato per ciascun combustibile al valore massimo. E’ stato, cioè, determinato l’indice relativo

maxii

*i =

I risultati di questi indici normalizzati sono riportati, in modo esemplificativo, nelle figure 1, 2 e 3. Gli indici d’inquinamento sono stati calcolati con e senza acqua. Alla luce di questo quadro quantitativo, si può definire l’impatto ambientale complessivo, provocato dall’uso di un certo combustibile nel cosiddetto riscaldamento urbano, attraverso la seguente formula:

!pp

n

1j

*jT

*jV

*jCamb. iiii

= ∏

=

Nel caso specifico i valori dell’impatto ambientale per i combustibili generalmente impiegati per il riscaldamento urbano ed elencati in precedenza sono stati collazionati nella tabella 4.

G. Nicoletti 317

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

metano gas di città gasolio olio comb. carbone idrogeno

no acqua

si acqua

Fig. 1 - Indici di inquinamento

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

metano gas di città gasolio olio comb. carbone idrogeno

Fig. 2 - Indici di infiammabilità

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

metano gas di città gasolio olio comb. carbone idrogeno

Fig. 3 - Indici di espansività

*jCi

*jTi

*jVi

318 56° Congresso Nazionale ATI

Tab. 4 - Impatto ambientale dei diversi combustibili

COMBUSTIBILE IMPATTO AMBIENTALE iamb

Metano 0,90

0,80

(no H2O)

Gas di città 0,87

0,79

(no H2O)

Gasolio 0,75

0,70

(no H2O)

Olio

Combustibile

0,76

0,73

(no H2O)

Carbone 0,82

0,78

(no H2O)

Idrogeno 0,95

0,45

(no H2O) 4. CONCLUSIONI E COMMENTI L’arma più appropriata, per contenere ed abbattere l’inquinamento urbano da riscaldamento, sembra essere, senza ombra di dubbi, l’impiego, come combustibile alternativo a quelli fossili, dell’idrogeno. Infatti un uso a larga scala di una simile fonte energetica nel riscaldamento delle aree urbane, darebbe, senz’altro, un duro colpo all’inquinamento generalizzato da CO2, risolvendo, così, il grave problema del riscaldamento terrestre (effetto serra). Nel lavoro sono state prese in considerazione altre misure che le Amministrazioni Locali possono attuare subito, affinché si migliori la qualità ambientale nelle città. La presente proposta di valutazione dell’impatto ambientale dei diversi combustibili utilizzati nel riscaldamento urbano, rappresenta a nostro avviso uno strumento di calcolo semplice per il tecnico e facilmente intelligibile per il cittadino. Esso, variando tra 0 ed 1, può divenire utile per le Amministrazioni Pubbliche nel controllo e bonifica dell’inquinamento da riscaldamento. La sensibilità dell’indice globale di impatto è espressa dall’esponente p/p! che ne amplifica, di fatto, la variazione tra i diversi fattori ambientali in considerazione, nella fattispecie inquinamento, infiammabilità ed espansività dei diversi combustibili. Dal punto di vista quantitativo, l’impatto ambientale dei diversi combustibili considerati nel riscaldamento urbano, mostra una netta superiorità dell’idrogeno qualora si escluda dal computo il vapor d’acqua quale prodotto di combustione. Questo, d’altronde, può venir parzialmente riciclato per condensazione. Per quanto attiene agli altri combustibili convenzionali da riscaldamento, si segnala la buona posizione del metano e del carbone. accettabile rimane l’impatto degli altri classici combustibili da riscaldamento (gas di città, gasolio ed olio combustibile) quando si ricorre a fonti energetiche con basso tenore di zolfo. La specifica variabile dell’espansività nell’impatto globale rimane penalizzante per l’idrogeno, quando essa viene calcolata, come abbiamo fatto prudenzialmente a partire dal gas liquefatto alla temperatura Tcritic. = -240 °C. In realtà questa condizione non andrebbe considerata in un corretto uso di stoccaggio dell’idrogeno. Sul fronte dei costi il lavoro non ha evidenziato alcun tipo di confronto ed analisi , però ci sembra doveroso ribadire, in questa sede, che i combustibili fossili risultano più convenienti dell’idrogeno nel riscaldamento urbano. Tuttavia tale gap economico si assottiglia notevolmente qualora si ricorra all’uso dell’idrogeno solare.

G. Nicoletti 319

Occorre, quindi, in questo terzo millennio che la comunità mondiale manifesti chiaramente una volontà a risolvere tale annoso problema del riscaldamento planetario, al di là degli interessi economici, in modo da consegnare alle generazioni future città più pulite e vivibili, dove si possa respirare a pieni polmoni. Bibliografia 1 E. Midena, G. De Vecchi. Dall’America nuove misure per un’aria migliore – L’impresa ambiente, Sole 24 Ore, n. 1 1991. 2 G. C. Pinchera. Il progetto VESE dell’Enea. Valutazione dei rischi ambientali con combustibili fossili – Energia ed innovazione, Notiziario Enea, 1987. 3 Ministero dell’Ambiente. Relazione sullo stato dell’ambiente – 1989. 4 R. Arienti, L. Cassetto. L’inquinamento urbano da riscaldamento: alternative pulite agli attuali combustibili e proposte per una efficace prevenzione – Rapporto non pubblicato, 1984. 5 R. Arienti, G. Nicoletti. L’idrogeno per una economia energetica non convenzionale – I Congresso Internazionale su Energia, Ambiente ed Innovazione Tecnologica, Caracas, Venezuela, 1989. 6 H. Scheer. Die gespeicherte sonne. Wassrstoff Als losung des energie und um welt problems – R. Piper GmbH, Munchen, Germany, 1987. 7 G. Nicoletti. Inquinamento urbano da riscaldamento: indici di qualità dei combustibili – 45° Congresso ATI, Cagliari, 1990. 8 G. Bozza. Inquinamento atmosferico provocato da sorgenti estese – Ricerche della Termotecnica n.14, 1964. 9 R. W. Mires. Storing hydrogen and a accidental explosion – VIII Congress on alternative Energy sources, Miami, 1987. 10 M. Cirillo. L’inquinamento dell’aria in Italia – L’impresa ambiente, n. 1 Il Sole 24 Ore, 1991. 11 S. Brini, M. Cirillo, W. Bocola, G. C. Pinchera. L’inquinamento dell’aria in Italia: emissioni e concentrazioni – Ingegneria ambientale, n. 7/8, 1990. 12 G. C. Pinchera. Valutazione d’impatto fra quantità e qualità. n. 99, Il Sole 24 Ore, 1991.

320 56° Congresso Nazionale ATI