A. Mattucci D. Palamara
ROMA ANPA 14-GIU-2001
I problemi nascosti nelle correlazioni COPERT:
 Resistenze al moto.
 Cicli adottati diversi da quelli reali.
 Stile di guida.
 Parco veicolare preso in considerazione
 Età dei veicoli
 Composizione dei carburanti.
 Necessità di integrare metodologia per veicoli futuri
Resistenze al moto
Difficile caratterizzazione attraverso le misure a banco, (dipendenza dalla velocità dei veicoli, ecc.)
Le resistenze al moto sono tipicamente funzione di rotolamento, caratteristiche inerziali, pendenza,
aerodinamica, tipo di pavimentazione stradale, ecc..
La resistenza inerziale è importante specialmente in ambito urbano dove frequenti sono le
accelerazioni (è direttamente proporzionale alla massa del veicolo).
In ambito extraurbano e autostradale invece i contributi dipendenti dall’aerodinamica incidono
maggiormente in quanto dipendenti fortemente dalla velocità (a questi contributi devono essere
aggiunti anche quelli dipendenti dalle condizioni atmosferiche).
La resistenza al rotolamento è notevolmente influenzata dalla pressione di gonfiaggio dei pneumatici
(causa di un aumento dei consumi e, spesso, delle emissioni di sostanze inquinanti, poiché esiste
generalmente una certa proporzionalità tra consumi ed emissioni, almeno per alcuni inquinanti).
L’effetto della massa può assumere una certa rilevanza, considerando che i veicoli possono viaggiare
in diverse condizioni di carico.
Cicli adottati diversi da quelli reali.
É da ricordare che la schematizzazione COPERT, che prevede correlazioni in cui le emissioni sono dipendenti dalla
velocità media, contiene notevoli semplificazioni, in quanto in condizioni reali di esercizio di un veicolo raramente
si avrà un regime di marcia a velocità costante. Ciò è importante in special modo, in ambito urbano, dove anche
nelle ore di morbida sono frequenti le situazioni di “stop and go”. Basti pensare a situazioni provocate dalla
presenza dei pedoni, dei semafori, degli incroci in genere, dei veicoli in manovra per ricerca parcheggio o
quant'altro che richiedono continue modifiche della velocità dei mezzi.
Un’altra assunzione, alquanto importante per un uso attento della metodologia, è quella legata alla lunghezza
dell’itinerario medio dei veicoli. Ciò nasce dalla necessità di tener conto nei calcoli che le caratteristiche emissive,
specialmente per i veicoli catalizzati, variano notevolmente in dipendenza della temperatura cui lavora la marmitta.
Perciò, fin tanto che non si è riscaldato il convertitore, si hanno emissioni inquinanti generalmente più alte, che si
riducono fortemente allorché la marmitta è a regime. Nella metodologia COPERT, pertanto, viene imposto un
valore per la lunghezza degli spostamenti, ottenuto evidentemente attraverso una serie di considerazioni. In
sostanza si fa l’ipotesi che, per un dato veicolo, ciascuno degli spostamenti sia di tipo sistematico e che possa essere
rappresentato attraverso un’unica lunghezza. Nella realtà le condizioni sono ben diverse. Uno dei maggiori pregi
dell’auto (almeno di quelle a combustione interna) è proprio la sua capacità di essere un mezzo estremamente
flessibile, garantendo un tipo di uso che si adatta facilmente a diversi tipi di esigenza (non a caso alcune delle nuove
tecnologie stentano a decollare in quanto non hanno gli stessi standard di flessibilità). È quindi possibile far uso di
un’autovettura sia per gli spostamenti sistematici casa-studio e casa lavoro, che si verificano maggiormente in
ambito urbano, sia per viaggi più o meno lunghi, prevalentemente afferenti al tempo libero e a scopo di piacere.
Imporre quindi per tutti gli spostamenti un’unica lunghezza può determinare scostamenti consistenti sul calcolo
delle emissioni. Si può quindi prevedere che difficilmente l’adozione di una velocità media nelle correlazioni possa
fornire risultati simili a quelli ottenibili nei percorsi reali, dove si hanno, per come si è visto, almeno due gradi di
libertà in più e cioè il tipo di ciclo e la lunghezza di ciascun percorso. Ad esempio, analizzando questo ultimo
elemento, a parità di tutti gli altri elementi, è facile verificare che COPERT tratta uno spostamento sistematico ed
uno a scopo di piacere come due spostamenti di lunghezza costante e pari alla lunghezza media, mentre nella realtà
possono esistere grosse differenze di lunghezza tra i due tipi di viaggio. Si può anche intuire come questa posizione
possa produrre deviazioni sulla valutazione delle emissioni più o meno marcate a seconda delle condizioni
operative di calcolo (velocità, durata, ecc.).
Stile di guida
In questo caso ad essere sotto esame è l'uso non ottimale dei cambi di marcia da parte del
guidatore; una guida "calma" ed una "nervosa" possono portare a differenze di parecchi punti
percentuali soprattutto in termini di consumi e conseguentemente di emissioni, oltre che
impattare negativamente sulla sicurezza degli spostamenti (aumentando la probabilità di
incidenti) e sull’invecchiamento del veicolo nel lungo termine, con un degrado significativo
delle prestazioni e delle caratteristiche emissive.
Parco veicolare preso in considerazione
Sono state effettuate più di 9000 prove attraverso l’uso di circa 2500 veicoli, nell’ambito del
Progetto MEET.
L’esigenza di acquisire il più possibile informazioni sperimentali ha fatto sì che i risultati
provenienti dai diversi laboratori sono stati comunque presi in considerazione, anche se alcune
esperienze non erano state condotte secondo modalità e condizioni di misura sufficientemente simili
tra loro.
Per certe classi e categorie veicolari, il numero sia di prove sia di veicoli risulta essere molto scarso,
con statistiche del tutto insufficienti a garantire stime attendibili.
Anche nel caso in cui si ha a che fare con parecchie misure, può accadere che per una certa velocità
la dispersione di risultati di emissione copra un intervallo alquanto esteso, il che rende comunque
poco attendibile l’operazione di media. In quest’ultimo caso l’analisi statistica può evidenziare il
verificarsi di questa condizione attraverso l’indicazione del parametro R2, il cui valore, quanto più si
avvicina a zero, tanto più indica che la correlazione statistica è affetta da imprecisione. Occorre
ricordare che comunque ciascuna delle correlazioni presentate in COPERT è caratterizzata dal
relativo R2, ma ciò non sempre è sufficiente a definire la qualità dei calcoli, poiché nella gran parte
di casi interessa determinare il contributo di emissione complessiva, che risulta essere la somma dei
contributi di tutte le classi veicolari.
Non è detto che ad una certa classe veicolare, la cui statistica in termini di veicoli testati sia
insufficiente, corrisponda necessariamente una modesta incidenza sull’emissione complessiva della
flotta dei veicoli. In tal caso, ove si avesse la concomitanza di un contributo alle emissioni
consistente e caratterizzato da un ampio margine di incertezza, l’indeterminazione sulla valutazione
relativa all’intera flotta potrebbe essere alquanto elevata.
Età dei veicoli
Un altro punto importante è rappresentato dai veicoli non nuovi, presi in considerazione per le
misurazioni sperimentali.
In COPERT si tiene conto della vetustà dei veicoli considerando come parametro il chilometraggio,
che si assume ridotto rispetto ai veicoli appena immatricolati.
L’invecchiamento non produce necessariamente un peggioramento drammatico delle prestazioni,
se il veicolo viene comunque assoggettato a periodiche revisioni e messe a punto; purtroppo ciò
non sempre accade nella realtà.
In particolare, per un veicolo poco manutenuto, non solo si assiste ad un notevole logorio delle
parti meccaniche (ad esempio la tenuta delle fasce elastiche), ma a ciò viene spesso associato l'uso
di carburanti più inquinanti (in Italia questo è un fenomeno abbastanza diffuso) perché in genere
più economici, per cui i tassi di emissione di sostanze nocive possono risultare fortemente
maggiorati, come descritto al punto seguente.
Composizione dei carburanti.
In COPERT viene data una giusta attenzione alla composizione dei carburanti in relazione alle quantità
ad al tipo delle sostanze componenti. Un’approssimazione del modello, probabilmente dipendente
dall’attuale diffusione limitata in ambito europeo (ma non in Italia), è rappresentata dai veicoli a gas, per
i quali si assume lo stesso comportamento sia per i veicoli a GPL sia per quelli a metano. Per inciso, per
i veicoli a gas deve anche essere considerato che la composizione e le caratteristiche chimico-fisiche dei
combustibili variano significativamente in relazione alla località di produzione degli stessi.
Un altro tipo di differenza importante dell’Italia rispetto alla media europea, è identificabile nel fatto che
nel nostro paese si è scelto di produrre un unico tipo di benzina pur esistendo sia la benzina verde che la
super (ottenuta dalla benzina verde con l’aggiunta del piombo come additivo antidetonante). Tuttavia la
possibilità di utilizzare senza problemi particolari la benzina verde anche da parte dei veicoli a benzina
più vecchi non dotati di catalizzatore fa sì che parecchi automobilisti si riforniscano con tale benzina, in
quanto consente un risparmio sensibile. Ciò, se da un lato contribuisce positivamente ad abbassare la
presenza del piombo nell'aria che respiriamo, dall'altro può contribuire ad inquinare maggiormente ove
non sia stata effettuata un’adeguata regolazione dell'anticipo dell'accensione. Inoltre, allorquando sarà
definitivamente bandita la super, per i motocicli non sarà sufficiente la regolazione dell’anticipo quale
misura per poter utilizzare la benzina verde.
COPERT permette di tenere in considerazione che il consumo di benzina verde può essere maggiore di
quello preventivabile, sulla base del numero di veicoli catalizzati presente nella flotta. Tuttavia questa
operazione, che viene fatta confrontando i consumi rilevati dai bollettini petroliferi con quelli stimati dal
modello, non riflette in maniera del tutto corretta quello che succede nella realtà. Infatti lo strumento
assegna l’eventuale eccesso di consumo di benzina verde solo ad alcune categorie di veicoli non
catalizzati, mentre è presumibile che, nella realtà, il fenomeno vada ad interessare tutte le categorie dei
veicoli.
Necessità di integrare metodologia per veicoli futuri
Per come è stato concepito, COPERT non contiene correlazioni che possano essere impiegate per valutare le
emissioni dei veicoli di futura generazione. Tale limitazione non investe tutti i campi d’impiego dello strumento, ma
uno dei possibili utilizzi più importanti, ovvero quello di valutare l’efficacia di politiche di intervento sui trasporti
stradali, in termini di emissioni e consumi. Ciò può effettuarsi accoppiando lo strumento con opportuni modelli di
previsione degli effetti di tali provvedimenti sul traffico, determinandone i nuovi assetti. A puro scopo informativo
si può indicare che esistono già oggi degli strumenti, come il codice TREMOVE capaci di tenere conto di questi
aspetti.
Ritornando al problema iniziale, ci si accorge che, per i veicoli futuri, mancano le informazioni di base per predirne
il comportamento. Il voler surrogare tale veicoli con le correlazioni disponibili porterà inevitabilmente a stime che,
rispetto ai veicoli attuali, saranno presumibilmente tanto più incerte quanto più sarà lontano l’orizzonte temporale
della proiezione da effettuare. Per avere valutazioni non del tutto inadeguate occorrerebbe quindi integrare
l’insieme delle correlazioni con nuove formule, capaci di predire il comportamento dei veicoli futuri e dei relativi
carburanti. La difficoltà di identificare tali formulazioni è chiaramente alta, anche se esistono già indicazioni di
carattere sia normativo, sia tecnico e tecnologico che possono aiutare per questo compito. È evidente comunque che
il livello di incertezza sulle stime non può essere individuato in alcun modo. In realtà, si è cercato di tener conto di
questa problematica generale nello sviluppo di COPERT, per i veicoli EURO III ed EURO IV, che caratterizzano le
autovetture che compariranno sul mercato europeo a partire rispettivamente dal 2001 e dal 2005. Per tali veicoli
possono essere calcolate le emissioni adottando dei coefficienti di riduzione, che si applicano ai valori di emissione
corrispondenti ai veicoli EURO I. È chiaro però che, per questi veicoli, nulla si potrà dire sulla qualità della
correlazione, mancando del tutto riscontri sperimentali. Occorre anche osservare che si è cercato di determinare i
coefficienti di riduzione adottando un criterio conservativo; pertanto, allorché i nuovi veicoli saranno realmente
immessi sul mercato, si dovrebbero misurare valori di emissione minori o uguali a quelli calcolati. L’estensione
della metodologia ai veicoli EURO III e IV ha comunque il pregio di far mantenere la stessa schematizzazione a
tutti gli utenti della metodologia. Viceversa, ove si avesse la necessità di considerare veicoli che non possono essere
catalogati in questo modo (ad esempio veicoli ibridi, a celle a combustibile, ecc.), fatalmente l’utente dovrebbe
costruirsi delle sue specifiche correlazioni. L’introduzione delle nuove correlazioni avrà però come conseguenza
che i risultati delle elaborazioni non saranno più direttamente confrontabili con quelli ottenibili da altri utenti in
situazioni analoghe.
Tra le possibili situazioni che possono indurre modifiche importanti sui
risultati sono state esaminate quantitativamente:
 La diversità del ciclo di velocità a parità di velocità media
 L’incertezza sulla determinazione della velocità media
 La temperatura ambiente
 La composizione del parco veicolare
La diversità del ciclo a parità di velocità media
Questo effetto può essere valutato ipotizzando i due cicli riportati in figura 4 di uguale lunghezza e velocità media pari
a 30 km/h, di cui uno a velocità costante.
Per questi due cicli si possono calcolare facilmente i consumi e le emissioni complessive al compimento dei percorsi.
Per i consumi, espressi in kg, si ottengono i valori riportati nella figura 5. Come si può facilmente notare esistono delle
differenze sensibili che si manifestano soprattutto nel caso delle autovetture diesel dove lo scostamento tra ciclo
costante e variabile è di –5%. Simili effetti si manifestano sulle emissioni e, ciò che è più grave, le differenze variano a
seconda sia delle velocità, sia della tipologia di ciclo, sia della sostanza inquinante considerata. Risulta perciò molto
difficile determinare una velocità equivalente che possa essere utilizzata senza problemi per tutti gli indicatori di
interesse.
Fig. 4
Esempio di cicli di velocità a uguale valore medio
Km/h
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Tempi (min)
20’
40’
60’
Incertezza sulla determinazione della velocità media
Come si è già visto al punto precedente, considerare due cicli di uguale velocità media non implica
necessariamente che si ottengano emissioni medie uguali per ciascuna delle sostanze considerate. Pertanto, quando
si vogliono calcolare grandezze integrate, come per gli inventari annuali delle emissioni, non si possono utilizzare
meccanicamente i valori di velocità che derivano da modelli di calcolo, perché potrebbero essere non adeguati per
fornire stime corrette. A questo proposito si deve anche ricordare che il traffico è condizionato da elevati livelli di
aleatorietà per cui, in due diversi giorni e con un ciclo di velocità simile, il valore della velocità media può variare
sensibilmente.
Per verificare l’effetto di velocità si è fornito un diverso valore di velocità a TREMOVE, agendo sulla funzione di
congestione ed ottenendo l’istogramma in figura 6. Lo scostamento imposto é di circa 4 km/h ed è facile
immaginare come le variazioni stocastiche da sole possano produrre variazioni di questa entità.
Figura 6
Variazione velocità media
35
30
25
Vel
oci
tà
(k 20
m/
h)
riferimentp
esempio
15
10
5
0
2000
2005
2010
Anni
2015
2020
Gli effetti indotti sulle emissioni ed i consumi sono alquanto consistenti; come si può desumere dagli istogrammi in
figura 7 e 8, che rappresentano rispettivamente le variazioni di consumi ed emissioni rispetto al caso di riferimento.
Fig. 7 - Variazione dei consumi
2000
2005
2010
2015
Si può quindi facilmente intuire come variazioni di
velocità producono valori sensibilmente diversi da quelli
calcolabili utilizzando un valore di velocità costante.
2020
0.00%
-1.00%
-2.00%
co
ns
u
mi
-3.00%
benzina
GPL
gasolio
-4.00%
-5.00%
-6.00%
-7.00%
Anni
Fig. 8 - Variazione delle emissioni
0.00%
-1.00%
-2.00%
-3.00%
emi
ssio
ni
CO2
-4.00%
CO
NOx
-5.00%
PM
VOC
-6.00%
C6H6
-7.00%
-8.00%
-9.00%
-10.00%
2000
2005
2010
anni
2015
2020
L’errore sulle emissioni si manifesta in particolar modo nei
casi in cui si devono calcolare i valori assoluti degli
inventari. Per fortuna in parecchie applicazioni è
importante acquisire indicazioni solo di carattere relativo e
ciò concorre a ridurre l’indeterminazione sui risultati,
anche allorquando la velocità media viene calcolata da
modelli di traffico. Tali modelli sono spesso utilizzati per
valutare l’efficacia di interventi di pianificazione, fornendo
come parametro critico la velocità media. Ad esempio, un
aumento della velocità media può essere ottenuto sia
regolando e coordinando in modo integrato le
temporizzazioni delle intersezioni semaforizzate, sia
rendendo più attrattivo il trasporto pubblico, cosa che
equivale a ridurre il numero di veicoli presenti
contemporaneamente sulla rete stradale e quindi a
diminuire le interferenze subite dai veicoli nei loro
spostamenti. Per questo tipo di analisi si procede ad un uso
dei risultati di tipo relativo, confrontando gli effetti dei
provvedimenti con uno scenario di riferimento. Ciò tende a
ridurre l’errore complessivo, perché molti errori
sistematici possono a compensarsi, in virtù del confronto.
Infatti le curve di COPERT hanno andamenti simili, per
cui eventuali imprecisioni di carattere sistematico
comportano generalmente traslazioni delle curve. Si
perviene in sostanza ad un miglioramento della qualità dei
risultati.
Condizioni di esercizio
Sono molteplici i fattori che potrebbero avere influenze significative sulle prestazioni. Non tutti vengono
considerati nella metodologia COPERT.
Per esempio, l’effetto della temperatura ambiente sulle emissioni viene tenuto in conto solamente per le
emissioni “a freddo” ed “evaporative”. Non viene invece considerato alcun contributo sui fattori di
emissione “a caldo”. Ciò non è del tutto corretto in quanto il rendimento del motore dipende dalle
temperature di esercizio.
Un ulteriore elemento da non trascurare è costituito dall’uso di accessori quali ad es. il climatizzatore,
che ormai è largamente diffuso anche sulle vetture di serie. L’uso di tali accessori, giustificato nei paesi
con climi caldi quali l’Italia e quelli Mediterranei in generale, comporta un aggravio sui consumi (in
genere per il loro funzionamento è necessario qualche kW di potenza) e di riflesso sulle emissioni.
Per le emissioni “a freddo” il calcolo viene effettuato solo per i veicoli dotati di catalizzatore, fornendo
un incremento alle emissioni a caldo, che dipende dal rapporto delle emissioni specifiche nelle due
condizioni (freddo/caldo) per la frazione di percorso in cui il catalizzatore opera a temperatura minore di
quella di esercizio (300-400 °C). Nessuna ipotesi viene fatta circa l’efficienza del catalizzatore stesso,
che è in particolare ridotta dai fenomeni di vetrificazione che si verificano quando il catalizzatore supera
temperature di 800-900 °C.
Le emissioni evaporative sono a loro volta suddivise in diurne, del carburatore (“hot soak”) e di marcia.
Le emissioni diurne sono dovute a variazioni della temperatura ambiente che producono variazioni di
pressione dei vapori di benzina, che comportano sfiati degli stessi in aria. Le emissioni da carburatore
avvengono allorché il veicolo si arresta e il carburante nella vaschetta del carburatore per effetto di
elevata temperatura ambiente evapora. Infine, le emissioni in marcia sono il risultato delle sollecitazioni
del serbatoio del carburante che comportano evaporazione della benzina, specialmente se la temperatura
ambiente è elevata.
Di seguito viene riportato il calcolo dell’effetto dell’aumento di temperatura ambiente media mensile di 5°C, che si
suppone rimanga costante per tutto l’intervallo della proiezione.
Fig. 9 - Effetto temperatura sulle emissioni
40%
35%
Incrementi
30%
CO2
CO
NOx
PM
VOC
C6H6
25%
20%
15%
10%
5%
L’incremento
adottato
è
certamente
sostanzioso, ma non è del tutto inverosimile
alla luce delle variazioni degli ultimi anni.
Come si può notare in Fig. 9 gli effetti sulle
emissioni appaiono estremamente marcati,
soprattutto per quanto riguarda il CO che
aumenta di alcune decine di punti
percentuali, ma anche gli altri inquinanti
variano in modo considerevole.
0%
2000
2005
2010
2015
2020
Fig. 10 Variazione dei consumi
Anni
2000
2005
2010
2015
2020
2.5%
I consumi aumentano a loro volta, sebbene
solo di pochi punti percentuali. In particolare
la benzina ha un incremento maggiore in
quanto è più volatile rispetto al gasolio.
Consumi
2.0%
1.5%
benzina
1.0%
GPL
gasolio
0.5%
0.0%
Anni
La composizione del parco veicolare
Le misure effettuate per ottenere le correlazioni vengono ottenute prendendo in esame un gran
numero di veicoli rappresentanti una media del parco veicolare circolante europeo.
Tale criterio può però portare a delle distorsioni dei risultati, poiché è molto difficile che il parco
veicolare di un singolo Paese coincida con quello medio europeo.
Si pensi alle nazioni in cui sono presenti delle grosse case automobilistiche dove, oltre ad un
prevedibile più rapido rinnovo del parco veicolare stesso, si verifica nel mercato interno una
maggiore presenza di alcuni tipi di veicoli, chiaramente prodotti dalla casa di cui sopra. Tali modelli
di veicoli potrebbero anche non essere del tutto paragonabili con quelli utilizzati nelle prove
sperimentali per individuare le correlazioni COPERT.
In ogni caso, il parco veicolare considerato nel modello deve essere visto come distribuito
omogeneamente in tutto il contesto territoriale nazionale, cioè non è possibile particolarizzarlo per
specifici ambiti regionali o urbani all’interno della nazione in considerazione.
Questo potrebbe condurre a notevoli imprecisioni. Ad esempio, se si considera una regione con
un’economia florida si avrà tipicamente una prevalenza di vetture nuove di media–grossa cilindrata,
mentre in un contesto meno ricco il parco veicolare sarà costituito prevalentemente da autovetture di
media–piccola cilindrata e con un’età più elevata.
La presenza marcata sul territorio di attività industriali può incrementare significativamente la quota
di mezzi pesanti rispetto ad una zona in cui siano prevalenti attività del terziario.
Fig. 11 - Variazione dei consumi
2000
2005
2010
2015
2020
10.0%
5.0%
benzina
GPL
gasolio
Totale
-5.0%
-10.0%
-15.0%
-20.0%
-25.0%
Anni
Fig. 12 - Variazione delle emissioni
12.0%
10.0%
Dagli istogrammi si può vedere che oltre a
spostamenti significativi delle quote di
combustibile, che però a livello complessivo
non producono effetti molto marcati, si hanno
variazioni importanti per gli inquinanti ed in
particolare per CO, VOC e C6H6 che
aumentano, mentre il PM diminuisce a causa
del minor uso di gasolio.
8.0%
6.0%
Incrementi
consumi
0.0%
Per
esemplificare
l’effetto
della
composizione del parco veicolare, rispetto
allo scenario di riferimento di TREMOVE, si
è effettuata una modifica della domanda di
mobilità, trasferendo una quota del 20% dalla
modalità delle autovetture di grossa
cilindrata a quelle di piccola. Ciò comporta
nel tempo un incremento del numero di
autovetture a benzina, rispetto a quelle
diesel, con gli effetti riportati in Fig. 11 e 12
rispettivamente per consumi ed emissioni.
CO2
CO
NOx
PM
VOC
C6H6
4.0%
2.0%
0.0%
2000
2005
2010
-2.0%
-4.0%
-6.0%
-8.0%
Anni
2015
2020