Incidenza dei vettori navali Ro/Ro sulla qualità dell`aria

Incidenza dei vettori navali Ro/Ro sulla qualità dell’aria portuale e
verifica del rispetto del limite di emissione di NOx
Barbieri M., Campus S., Castiglioni F., Cavazzini S., Cogorno A.,
D’Acqui R.M., Parodi A., Vairo T.
Arpa Liguria, Via Bombrini 8, 16149 Genova, [email protected]
Riassunto
Nel corso dell’anno 2013, la Capitaneria di Porto di Genova ha chiesto supporto ad ARPAL per la progettazione e la
realizzazione di un’attività di monitoraggio dei prodotti di combustione originati dai propulsori delle unità navali Ro/Ro di
linea delle principali compagnie di navigazione italiane in servizio a Genova. Allo scopo, le Società armatrici Grandi Navi
Veloci S.p.A., Moby S.p.A. e Tirrenia S.p.A. hanno messo rispettivamente a disposizione le unità navali La Superba,
Otta, Nuraghes dotando di idonei bocchelli di prelievo due fumaioli fra i quattro presenti e connessi, ciascuno, ad un
propulsore.
Il monitoraggio delle emissioni gassose e polverulente è stato effettuato sia in fase di manovra negli specchi acquei
portuali, sia in fase di navigazione ed è stato volto alla determinazione delle concentrazioni di ossidi di Carbonio, di
Azoto, di Zolfo, delle concentrazioni e della morfologia delle polveri.
Secondo quanto previsto dall’allegato VI della norma Marpol 73/78, GNV – La Superba e Tirrenia – Nuraghes sono
soggette alla verifica del rispetto del limite di emissione di NOx essendo state varate successivamente all’anno 2000.
Sulla base dei dati monitorati, sono state condotte simulazioni fluidodinamiche al fine di determinare la dispersione in
atmosfera e la conseguente ricaduta degli inquinanti sul territorio circostante riferite al tempo necessario alle navi per
uscire dal Porto di Genova.
MATERIALI E METODI
Si elenca di seguito la tipologia di strumentazione e di materiali utilizzati per i campionamenti
delle specifiche sostanze da indagare, per la determinazione della velocità e della temperatura dei
gas di combustione:
 Sonde riscaldabili di prelievo campione, dotate di filtro a ditale in fibra di quarzo ed
equipaggiate con tubo di Pitot e sensore di temperatura
 Linee di prelievo riscaldabili
 Alimentatori linea riscaldabile Scatel 10 (potenza 390 W) e Scatel 30 (potenza 3.3 kW)
 Alimentatori sonde riscaldabili TCR Tecora Isoterm 4 (potenza 1.2 kW max)
 Gruppi frigoriferi Chilly
 Analizzatori gas di combustione Horiba PG250
 Analizzatori fid per rilevazione carbonio organico totale (COT) Ratfish RS 53T
 Campionatori TCR Tecora Isostack Basic
 Gruppi refrigeranti e condensanti per raccolta umidità fumi
 Bilancia per quantificazione umidità fumi raccolta
Per quanto riguarda la parte modellistica, è stato utilizzato il seguente software:
 ADMS 5, modello di dispersione gaussiano asimmetrico
DESCRIZIONE ATTIVITÀ DI CAMPIONAMENTO
Le sonde di prelievo sono state connesse alle rispettive linee di prelievo della lunghezza di 40
m; il tutto è stato mantenuto alla temperatura di 180°C. Si sono così veicolati i gas di combustione
sino al locale di installazione della strumentazione analitica ove, per mezzo di un raccordo a “T”, è
stato possibile l’impiego simultaneo dell’analizzatore di COT e dell’analizzatore dei gas di
combustione, previo utilizzo delle dedicate linee di prelievo (la linea di prelievo verso l’analizzatore
dei gas di combustione è stata mantenuta alla temperatura di 155°C; quella verso l’analizzatore di
COT alla temperatura di 180°C). La scelta di installare gli analizzatori presso la stazione di
condizionamento e non presso il pianerottolo di campionamento è stata dettata dalla necessità di
mantenere la strumentazione e gli operatori in una condizione climatica accettabile.
I prelievi delle polveri su filtro a ditale sono stato effettuati in condizioni non isocinetiche durante
le manovre in ambito portuale e in isocinetismo durante la navigazione (con ugello da 6 mm).
1
RISULTATI DELL’ATTIVITÀ DI CAMPIONAMENTO
Le successive figure visualizzano i profili temporali delle concentrazioni misurate a bordo di
Moby – Otta durante le manovre portuali e in mare aperto durante la prima ora di navigazione per il
motore n° 3 di sinistra e il motore n° 2 di dritta (propulsori utilizzati per la navigazione) di:
 Ossigeno, biossido di Carbonio, monossido di Carbonio, ossidi di Azoto, biossido di Zolfo e
COT (fig. 1)
 temperature e portata umida dei gas combusti (fig. 2)
Figura 1 – Andamento temporale delle concentrazioni di O2 e CO2 (immagine a sinistra) e di CO, NOx, SO2,
COT (immagine a destra) nella 1a ora di navigazione
Figura 2 – Andamento temporale delle temperature (immagine a sinistra) e delle portate umide dei gas
combusti (immagine a destra) nella 1a ora di navigazione
Il campionamento delle polveri in condizioni isocinetiche valutate in fase di navigazione “a
regime” a bordo di GNV – La Superba ha condotto a stabilire una concentrazione di polveri nei gas
combusti pari a 57.5 mg/Nm3, corrispondente ad una emissione massica, per singolo motore, di 2.4
kg/h. Per completezza si relaziona che l’unità navale G.N.V. – La Superba è stata dotata di
bocchelli di campionamento ai fumaioli derivanti dai motori n° 1 (asse di sinistra) e n° 3 (asse di
dritta) e che il diametro netto interno dei fumaioli alla sezione di campionamento è di 140 cm.
Figura 3 – Esempi di immagine SEM ottenute analizzando un campione di polvere
2
Le polveri raccolte in condizioni non isocinetiche sono state analizzate al microscopio a
scansione elettronica e sono state utilizzate per la determinazione qualitativa degli elementi
contenuti e rilevabili tramite analisi XRF. Due esempi di immagine SEM sono mostrati in figura 3.
Si è così evidenziata presenza di Carbonio, Zolfo, Calcio, Sodio, Ferro, Rame, Nichel, Cromo,
Vanadio, Potassio, Fosforo, Alluminio. Dati di letteratura individuano il Vanadio quale elemento
caratteristico delle emissioni gassose di origine navale.
VERIFICA DEL RISPETTO DELLA NORMA MARPOL 73/78 – Annex VI
L’allegato VI della norma Marpol 73/78 riporta i seguenti limiti di emissione per gli ossidi di
Azoto derivanti dai propulsori navali installati su navi costruite fra il 01/01/2000 e il 01/01/2011
g
per n  130 rpm
kWh
g
45  n0.2
per 130  n  2000rpm
kWh
g
9.8
per n  2000rpm
kWh
17.0
dove “n” è il numero di giri del motore a regime al minuto.
Figura 4 – Andamento del limite di emissione degli ossidi di Azoto
in funzione del numero di giri del motore a regime
L’andamento del limite in funzione del numero di giri del motore a regime è mostrato in figura 4.
Il Moby – Otta non è soggetto al rispetto di tale limite essendo stato varato anteriormente
all’anno 2000. Soggette invece le unità navali G.N.V. – La Superba e Tirrenia – Nuraghes che, da
un punto vista motoristico e architetturale, risultano fra loro alquanto simili.
Nel riportare di seguito la procedura di verifica del rispetto del limite di emissione di NO x si farà
riferimento all’unità navale G.N.V. – La Superba, le cui principali caratteristiche sono di seguito
elencate:
 Anno di varo - 2001
 Stazza lorda - 49257 tonn
 Propulsione - n° 4 motori Wartsila 16V46C diesel – n° 2 assi
 Potenza complessiva - 67200 kW
 Corsa pistone - 580 mm
 Alesaggio - 460 mm
 Numero cilindri (singolo motore) - 16
Per calcolare il valore di emissione di NO x, da confrontare con il limite di norma, si necessita dei
valori di
 concentrazione NOx [g/m3]
 portata gas di combustione [m3/h]
3
 portata fuel in massa [g/h]
 SFOC – Specific Fuel Oil Consumption [g/kWh]
valutati in condizioni di “regime”. Si ottiene così
 gNO x 
valore di emissionedi NOx 

 kWh 
NOx [
gNO x
N
m
3
]  gas[ N
fuel [
gfuel
]
h
m3
]
h
g 
 SFOC  fuel 
 kWh 
VALUTAZIONE DEL RISPETTO DELLA NORMA MARPOL 73/78 – Annex VI
Sulla base dei seguenti dati registrati durante l’attività di campionamento
 Temperatura fumi (°C) = 365
 Depressione fumi (mmH20) = 10
 Umidità fumi (%) = 12
 concentrazione NOx a regime [g/Nm3 secchi] = 2.91
 portata massima gas di combustione a regime [Nm3/h secchi] = 55000
(nota: si considera la portata massima, corrispondente alla pressione differenziale di 26 mmH2O
riscontrata al centro della sezione di campionamento)
e dei seguenti dati forniti dal Direttore di macchina
 portata fuel a regime [kg/h] = 2660 kg/h
riferito ad una potenza erogata pari al 69.6% della potenza massima (16800 kW);
 SFOC [g/kWh] = 187.6
trattasi di un dato riferito al 75% della potenza massima, come da Test Run EIAPP
 Numero giri motore a regime [rpm] = 465
si calcola il valore di emissione di NOx del motore n°1 in condizioni di regime che risulta non
superiore a 11 g/kWh, mediamente pari a 8 g/kWh, a fronte di un limite di emissione di NOx a 465
rpm pari a 13 g/kWh.
ATTIVITÀ MODELLISTICA
Utilizzando il modello di previsione ADMS 5 e i dati di campionamento sopra indicati, è stata
effettuata una simulazione delle emissioni di una nave in uscita dal Porto di Genova.
Per simulare il fenomeno dell'emissione dal fumaiolo di una nave in partenza, si è adottato un
modello “puff” con sorgente puntuale, discontinua e mobile, lungo il percorso di uscita dal porto.
Figura 5 – Percorso di uscita di una nave dal Porto di Genova
4
Si è impostata una velocità media di espulsione dei fumi pari a 1.8 m/s, in linea con quanto
misurato in fase di campionamento. Il tempo necessario alla nave per lasciare il porto è stato
stimato pari a 30 min; questo arco temporale è stato suddiviso in intervalli di 60 s. Per ogni
intervallo è stato simulato il puff emesso. Questo approccio si ritiene essere appropriato per tener
conto anche del transitorio necessario all'avvio dei motori.
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
I puff derivanti da ogni singolo intervallo sono stati combinati insieme per avere una simulazione
completa delle emissioni durante il tragitto includendo, in ogni istante, anche le emissioni degli
istanti precedenti.
Al fine di porsi nelle condizioni peggiori di ricaduta in relazione all’impatto sulla popolazione
prospiciente l’area portuale, la simulazione è stata condotta impostando condizioni di vento
proveniente da sud-est.
L’output di ADMS è visualizzato su una griglia di recettori avente superficie di 2900  2700
punti, corrispondenti a circa 1500  1200 m2. La risoluzione massima in ciascuna direzione è di
101 punti.
I risultati visualizzati sulla griglia sono sovrapposti ad un DEM (modello digitale del terreno).
Figura 6 – Valutazione emissioni di NOx – nave in uscita dal Porto di Genova (μg/m3)
T=60 sec – 20 m
T=240 sec – 20 m
T=480 sec – 20 m
T=720 sec – 20 m
T=1740 sec – 20 m
T=1740 sec – 10 m
I risultati della simulazione mostrano che la curva di iso-concentrazione massima per gli
inquinanti NOx e SO2 è posta a 20 m di quota rispetto al livello del mare.
5
Alla quota di 10 m, le concentrazioni di NOx e SO2 tendono a ridursi significativamente.
Nella fascia tra 20 m e 30 m di altezza, la simulazione restituisce i livelli di concentrazione di
NOx e SO2 più elevati con valori massimi dell’ordine di 1 mg/m3 per gli NOx e di 0,01 mg/m3 per
l’SO2.
Laddove le curve di iso-concentrazione intersecano il profilo del DEM, i suddetti valori sono
rappresentativi dell’esposizione al suolo.
CONCLUSIONI
L’attività svolta ha permesso di mettere a punto tutte le fasi di campionamento necessarie alla
verifica del rispetto del limite di emissione di NOx prodotto dall’esercizio dei propulsori navali,
secondo quanto previsto dall’allegato VI della norma Marpol 73/78.
L’attività di campionamento condotta, che ha pochissimi riscontri nella letteratura tecnica, ha
inoltre lo scopo di fornire, al di là della collaborazione richiesta dalla Capitaneria di Porto di
Genova, dati utili ad una migliore comprensione del meccanismo di emissione navale. Obiettivo
dell’attività, di carattere innovativo, è infatti quello di fornire un contributo tangibile con una base di
dati reali utile sia nella scelta delle migliori tecniche anti-inquinamento applicabili alla navigazione
sia nella definizione di una politica ambientale finalizzata alla mitigazione dell’impatto del sistema
portuale sulla qualità dell’aria degli ambiti urbani.
Sono previsti ulteriori campionamenti isocinetici finalizzati alla quantificazione delle polveri
emesse durante le fasi di manovra nello specchio acqueo portuale con successiva modellazione
del processo diffusivo e di ricaduta.
Bibliografia
[1] UNI 10169 – Determinazione della velocità e portata di flussi gassosi convogliati per mezzo di tubi di Pitot
[2] UNI EN 13284-1 – Determinazione della concentrazione in massa di polveri a basse concentrazioni
[3] UNI EN ISO 16911-1 – Determinazione manuale ed automatica della velocità e della portata dei flussi in condotti
[7] Convenzione Marpol 73/78 – Annex V, Annex VI
[9] Renato Della Volpe – Impianti motori per la propulsione navale – Liguori Editore
[12] Hulda Winnes – Air pollution from ships – thesis for the degree of doctor of philosophy – Chalmer University of
Technology
[13] Hulda Winnes, Erik Fridell – Emissions of NOx and particles from manoeuvring ships – Transportation Research
Part D 15 (2010) 204-211
[14] Vairo Tomaso et al. – An Approach to Risk Evaluation in Connection with Fire Scenarios from a Cruise Ship –
Chemical Engineering Transaction (2015)
6