Cosa sono NOx, CO e il Particolato, e Perché ci Danneggia?

NOx, CO e materiale particolato sono i tre principali gruppi di gas e sostanze inquinanti emessi dallo scarico dei veicoli con motore a combustione interna: gli ossidi di azoto nascono dalla reazione dell'ossigeno con l'azoto dell'aria alle alte temperature di combustione, il monossido di carbonio è il prodotto di una combustione incompleta dovuta alla mancanza di ossigeno, mentre il materiale particolato è composto da sottili particelle di fuliggine, tipiche soprattutto dei motori diesel. Tutti e tre danneggiano l'apparato respiratorio e circolatorio, ed è per questo che sono nel mirino degli standard sulle emissioni.

Cos'è il NOx e come lo produce il motore?

NOx è il nome collettivo degli ossidi di azoto. I suoi due componenti più comuni sono l'ossido di azoto (NO, un atomo di azoto e uno di ossigeno) e il biossido di azoto (NO2, un atomo di azoto e due di ossigeno). Nell'atmosfera il NO può trasformarsi in NO2 attraverso reazioni chimiche; nei rapporti sulla qualità dell'aria il NO2 viene usato come indicatore dell'intero gruppo dei NOx. Chiarisco qui anche un malinteso frequente: il protossido di azoto (N2O), un gas serra che influisce sul clima, è un inquinante diverso dai NOx.

Il meccanismo di formazione è una semplice questione di chimica. La temperatura all'interno del cilindro del motore è sufficiente perché le molecole di azoto (N2) e ossigeno (O2) presenti nell'aria reagiscano tra loro. Questo non è un obiettivo desiderato della combustione, ma un inevitabile sottoprodotto dell'alta temperatura. Più alte sono la temperatura e la pressione, maggiore è la quantità di NOx.

Per questo i motori diesel si distinguono. I diesel funzionano con aria in eccesso, cioè con una combustione "lean" ricca di ossigeno; l'ossigeno per unità di combustibile e i valori di temperatura-pressione del cilindro rendono la produzione di NOx più abbondante e intensa rispetto al motore a benzina. Per questo il controllo del NOx è sempre stato al centro del fronte diesel; inoltre le emissioni di NOx dei veicoli vengono regolamentate fin dagli anni Sessanta.

Monossido di carbonio: inodore, incolore, velenoso

Il monossido di carbonio è un gas velenoso che si forma quando il carbonio non brucia completamente, ed è privo di odore e di colore. La fisiologia alla base del suo pericolo è chiara: quando il CO entra nel sangue compromette il trasporto dell'ossigeno. Il risultato è stanchezza, mal di testa, vertigini e difficoltà di concentrazione causate da un apporto insufficiente di ossigeno al cervello. Tra i primi sintomi figurano mal di testa, sonnolenza e nausea; un'esposizione avanzata può portare fino a vomito e perdita di coscienza. Essendo inodore, un'esposizione grave può raggiungere livelli letali senza essere notata.

Anche la tabella dell'esposizione a lungo termine non è da sottovalutare: l'esposizione cronica al CO è associata più frequentemente a deficit di memoria, attenzione e concentrazione, oltre che a disturbi motori di tipo Parkinson. È noto inoltre che l'esposizione regolare ai gas di scarico predispone a problemi respiratori come bronchite, asma e cancro ai polmoni.

La buona notizia, dal punto di vista tecnico, è questa: il CO è un inquinante che può essere convertito in anidride carbonica innocua nel catalizzatore. Il rischio rimane nei gas che non raggiungono il catalizzatore; se c'è una perdita nel sistema di scarico, il CO può fuoriuscire senza essere trattato. Per questo l'integrità del sistema di scarico non è solo una questione di rumore, ma di sicurezza.

Perché il materiale particolato è pericoloso quanto il PM2.5?

Il materiale particolato è una miscela di piccole particelle solide e liquide presenti nell'aria; nel linguaggio comune è ciò che chiamiamo "fuliggine" o "nerofumo". L'entità del pericolo è direttamente legata alle dimensioni della particella. Le particelle PM2.5, con diametro inferiore a 2,5 micron, grazie alle loro piccole dimensioni penetrano in profondità fino agli apparati respiratorio e circolatorio. Le particelle ultrafini che costituiscono l'80-95% dell'inquinamento da fuliggine diesel sono così piccole da poter entrare nelle cellule polmonari.

Il PM è considerato il principale responsabile degli effetti negativi sulla salute associati all'esposizione ai gas di scarico diesel. Gli effetti elencati dalle autorità sanitarie sono i seguenti:

• Morte prematura in persone affette da malattie cardiache o polmonari
• Infarti non fatali e aritmie cardiache
• Aggravamento dell'asma, infiammazione respiratoria e difficoltà respiratorie
• Con l'aumento dell'esposizione a breve termine, incremento del rischio di morte acuta in persone con malattie cardiovascolari o disturbi respiratori preesistenti

L'impatto non si limita alla salute. L'inquinamento da particolato riduce la visibilità, influisce negativamente sul clima e sugli ecosistemi e provoca il deterioramento dei materiali. In other parole, la fuliggine che esce dallo scarico è tanto un problema respiratorio quanto un problema di ingegneria ambientale.

Idrocarburi incombusti (HC): Da dove provengono?

Nella tabella degli scarichi c'è un altro inquinante che compare meno frequentemente degli NOx ma sta nella stessa tabella: gli idrocarburi incombusti. Le loro fonti sono familiari: i gas di blow-by che fuoriescono dal carter e ritornano nella camera di combustione, la miscela aria-carburante intrappolata negli spazi delle scanalature dei segmenti, il carburante liquido nel collettore di aspirazione e il film d'olio sulla parete del cilindro sono i principali. Nel funzionamento a carico elevato, gli spazi delle scanalature dei segmenti sono la fonte principale delle emissioni di HC.

C'è poi una fonte esterna alla camera di combustione: l'evaporazione del carburante. Alle emissioni allo scarico si aggiungono le perdite dovute all'evaporazione del carburante dal serbatoio e dalle tubazioni. Ad esempio, le miscele di etanolo a bassa percentuale possono favorire l'evaporazione della benzina, aumentando le emissioni evaporative. La combustione incompleta, la carenza di ossigeno o le cattive condizioni di combustione sono i fattori legati alla combustione che aumentano direttamente gli HC.

Quale norma sulle emissioni mira a quale gas e perché?

Le normative Euro sulle emissioni sono un insieme di regole che definiscono la quantità massima di inquinanti che un veicolo può legalmente emettere; sono state introdotte nel 1992 insieme all'obbligo del convertitore catalitico. La logica è semplice: poiché il meccanismo di danno di ciascun inquinante è diverso, a ognuno viene assegnato un limite separato. Poiché il CO compromette il trasporto di ossigeno, il NO2 le vie aeree e il PM cuore e polmoni, le normative misurano i tre separatamente.

La storia delle normative riflette anche la logica della distinzione: dalla fase Euro 2 in poi, l'Europa stabilisce limiti diversi per i veicoli diesel e a benzina. I diesel sono soggetti a limiti CO più severi ma viene consentito un NOx più elevato; i veicoli a benzina, invece, erano esenti dallo standard sulle particelle fino all'Euro 4. L'Euro 6, entrato in vigore a settembre 2014, ha irrigidito notevolmente i limiti di NOx e PM dei veicoli diesel e ha introdotto un obbligo che limita non solo la massa ma anche il numero di particelle fini sia nei motori diesel sia in quelli a benzina a iniezione diretta (GDI). Sul fronte diesel, questo obbligo ha richiesto l'adozione diffusa del filtro antiparticolato diesel (DPF).

La differenza tra laboratorio e strada reale si è invece seduta al centro del dibattito dopo il Dieselgate. Da settembre 2017 i veicoli sono stati sottoposti ai test RDE, che effettuano misurazioni in condizioni di guida reali. Il risultato è misurabile: nel periodo coperto dalle norme Euro, le emissioni di NOx %84 sono diminuite dal 2001 al 2017. I limiti rigorosi hanno inoltre reso obbligatorio la diffusione dei sistemi SCR nei diesel.

Come Vengono Purificati Questi Gas Prima di Uscire dallo Scarico?

La moderna catena di trattamento post-scarico progetta una soluzione separata per ciascun inquinante. L'SCR (Riduzione Catalitica Selettiva) inietta nel flusso di scarico il liquido per scarichi diesel a base di urea - noto comunemente come AdBlue; nel catalizzatore il NOx viene ridotto ad azoto e acqua innocui. La riduzione del NOx può raggiungere il %90; nello stesso processo HC e CO diminuiscono del 50–90%, le PM del 30–50%. Il DPF invece intrappola fisicamente il fuliggine; la combinazione DPF + SCR + DEF trattiene sia il residuo carbonioso sia riduce i NOx, mentre l'SDPF, che unisce la funzione SCR al filtro, svolge lo stesso lavoro in un'unica unità. C'è una precauzione anche all'interno del cilindro: l'EGR (ricircolo dei gas di scarico) rimanda una parte dei gas di scarico al cilindro, riducendo la quantità di ossigeno e la temperatura di combustione; poiché la temperatura scende, i NOx formati diminuiscono.

Grazie a ciò, il profilo emissivo delle vetture nuove è cambiato in modo significativo. I nuovi modelli producono un po' più di CO2, ma riducono notevolmente la produzione di CO e NOx rispetto alle generazioni precedenti. Dal punto di vista ingegneristico si tratta di un compromesso accettabile: l'impatto climatico e l'impatto inquinante sono scale diverse e prima del 2015 la definizione di "veicolo a basse emissioni" si concentrava solo sul basso CO2; dopo il Dieselgate gli inquinanti come i NOx sono passati in primo piano.

Qual è il contesto del dibattito sui NOx in Europa?

Nel 2015 è emerso che Volkswagen aveva manipolato i sistemi di controllo delle emissioni dei suoi veicoli diesel per superare i test di laboratorio; su strada reale i veicoli producevano fino a 40 volte più ossidi di azoto rispetto a quanto dichiarato. Questo singolo evento non rimase un problema di un solo produttore: negli anni successivi emersero prove che quasi tutti i produttori diesel in Europa avevano utilizzato strategie legali o probabilmente illegali per scendere sotto i limiti dei test. Il fatto che i test di laboratorio non riflettano la guida reale spiega anche la persistenza del dibattito come problema di affidabilità degli standard.

I dati sul fronte sanitario mostrano la gravità del dibattito. È stato calcolato che le emissioni eccessive dei veicoli Volkswagen venduti in Germania porteranno probabilmente a 1.200 morti premature; le emissioni eccessive di NOx diesel del 2015 sono state attribuite a circa 38.000 morti premature a livello mondiale, con la maggior parte di questo carico in Europa. In Europa ogni anno circa 10.000 persone muoiono prematuramente a causa delle emissioni dei veicoli diesel che superano i limiti legali; si stima che l'esposizione al NO2 nelle città abbia contribuito a circa 75.000 morti premature nel continente europeo nel 2012. Si stima che il costo sanitario annuo dell'inquinamento atmosferico derivante dal trasporto stradale nell'UE sia di 67-80 miliardi di euro.

Gli studi sull'esposizione a lungo termine al NO2 riportano associazioni con la mortalità per tutte le cause, respiratoria e cardiovascolare, nonché con sintomi respiratori e funzione polmonare nei bambini.

Il quadro non progredisce però solo in una direzione. Tra il 2005 e il 2023 i decessi attribuiti al PM2.5 nell'UE sono diminuiti del 57% e nel 2023 è stato raggiunto l'obiettivo di riduzione del 55%. Cioè, quando regolamentazione, tecnologia e controlli lavorano insieme, un miglioramento misurabile è possibile. Anche le opinioni su dove cercare la soluzione divergono: un approccio si concentra sulle tecnologie di controllo delle emissioni e sull'applicazione degli standard, mentre un altro sostiene che la riduzione dei NOx più rapida passi dal passaggio dei utenti dei veicoli che consumano più carburante ai veicoli elettrici.

Domande frequenti su NOx, CO e Materiale Particolato

Perché il PM2.5 è più pericoloso del PM10?

La risposta è nella dimensione. Le particelle PM2.5, grazie al loro diametro inferiore a 2,5 micron, possono penetrare in profondità nell'apparato respiratorio e circolatorio; particelle più grandi come le PM10 non raggiungono questa profondità. Man mano che aumenta la profondità di penetrazione, crescono l'effetto a livello cellulare e il rischio di trasporto verso il sistema cardiovascolare.

Chi produce più NOx, il diesel o la benzina?

Il diesel. I motori diesel funzionano con combustione povera a temperature e pressioni più elevate, quindi producono un volume maggiore di NOx. Questo spiega anche perché il controllo del NOx nei motori diesel richiede sistemi aggiuntivi come SCR ed EGR.

Quali sono i sintomi dell'avvelenamento da CO?

I primi sintomi sono mal di testa, vertigini, sonnolenza e nausea; nelle fasi successive compaiono vomito e perdita di coscienza. Poiché la CO è inodore e incolore, l'esposizione non viene notata finché non compaiono i sintomi.

L'aria all'interno dell'auto può davvero essere più inquinata?

Sì, nel traffico intenso l'aria respirata all'interno dell'auto può essere peggiore di quella respirata da chi cammina sulla stessa strada; i gas di scarico possono entrare direttamente nell'abitacolo. È l'indicazione pratica di perché le impostazioni dei finestrini chiusi e della circolazione dell'aria sono così importanti.

In sintesi: ogni inquinante emesso dallo scarico ha un meccanismo di formazione, una via di danno e una soluzione progettata contro di esso. Il NOx è la firma dell'alta temperatura, la CO della combustione incompleta, le PM del fuliggine e gli HC del carburante incombusto; poiché gli standard misurano questi quattro separatamente, diventa più facile capire perché esiste ogni tecnologia.

Fonti

• Emissioni di NOx dei veicoli: le basi
• Ossidi di azoto (NOx)
• Informazioni di base sul NO2 | US EPA
• Che cos'è l'ossido di azoto e come lo producono le automobili?
• Ossidi di azoto | ToxFAQs™ | ATSDR
• Effetti sulla salute e sull'ambiente delle particelle (PM)
• Monossido di carbonio e salute | California Air Resources Board
• Esposizione degli agenti di frontiera al monossido di carbonio (CO)
• Materiale particolato inalabile e salute (PM2.5 e PM10)
• Una revisione sistematica degli effetti sulla salute associati ai gas di scarico diesel
• Standard europei sulle emissioni
• Fatti sull'SCR
• Impatto delle emissioni eccessive di NOx delle auto diesel sulla qualità dell'aria
• Le emissioni eccessive di VW e le morti premature
• Nuovo studio quantifica l'impatto delle emissioni di NOx dei veicoli diesel
• Inquinamento atmosferico | Agenzia Europea per l'Ambiente
• Meccanismi di emissione di idrocarburi incombusti nei motori di piccola cilindrata
• Inquinamento dell'aria nell'abitacolo