Analisi dell’inquinamento atmosferico prodotto dalle operazioni aeroportuali e impiego di soluzioni energetiche innovative secondo il paradigma del “Hydrogen Airport”
La costante crescita del trasporto aereo ha determinato sugli aeroporti a livello locale un incremento dell’impatto acustico e atmosferico prodotto dalle operazioni aeree. L’aumentata sensibilità sulle tematiche ambientali da parte delle comunità, che vivono in prossimità degli aeroporti, rappresenta oggi uno dei limiti più stringenti per i piani di sviluppo aeroportuali. Negli ultimi anni diversi piani di sviluppo aeroportuale (esempio Milano-Malpensa, Londra-Heathrow, Parigi-Beauvais, Amsterdam Schiphol) hanno subito ritardi, limitazioni e addirittura cancellazioni a causa dell’opposizione dei cittadini motivata da preoccupazione per l’impatto ambientale. E’ infatti opinione diffusa che nei paesi maggiormente sviluppati le esternalità sull’ambiente abbiano superato per importanza gli effetti positivi del trasporto aereo sulla crescita economica (Panetta, 2003). La futura espansione del trasporto aereo e, in particolare, degli aeroporti non sarà quindi condizionata solo da fattori economici, ma anche da considerazioni di carattere sociale ed ecologico. Le emissioni gassose e acustiche prodotte dagli aerei sono problemi ben noti dall’avvento dei motori a reazione e nel tempo hanno visto istituzioni, enti di ricerca e industria attivamente impegnati nella ricerca di nuove soluzioni tecniche. L’inquinamento atmosferico degli aeroporti non è prodotto solamente dagli aeromobili durante i cicli LTO (Landing and Take-Off), ma anche dai mezzi GSE (Ground Support Equipment) durante le attività di assistenza a terra. In questo quadro di riferimento, il presente lavoro vuole contribuire allo studio delle emissioni gassose prodotte da aeromobili e dai mezzi GSE durante le operazioni aeroportuali proponendo anche soluzioni tecnologiche innovative (uso dell’idrogeno gassoso) per ridurre l’inquinamento atmosferico su scala locale. Nella prima parte sono stati studiati i livelli di concentrazione delle emissioni prodotte dai velivoli sui piazzali aeromobili dove opera il personale addetto alle operazioni di assistenza a terra e dove avvengono le operazioni di imbarco e sbarco dei passeggeri. Il processo di dispersione degli inquinanti dietro un aeromobile in idle è stato studiato attraverso un analisi CFD (computational fluid dynamics). Obiettivo dello studio è la verifica della definizione di Jet-Blast data dall’ICAO, che indica come soglia per il comfort delle operazioni dietro un aereo una velocità dei gas di scarico pari a 56 km/h senza considerare i livelli di concentrazione degli inquinanti che possono essere raggiunti. Diversamente dagli studi presenti in bibliografia, che simulano la dispersione atmosferica degli inquinanti in aeroporto mediante modelli stazionari “Gaussiani” su macro scala ipotizzando una sorgente puntiforme, in questo lavoro il processo di dispersione degli inquinanti è stato valutato considerando le caratteristiche dei motori aeronautici su una scala comparabile alle dimensione del piazzale aeromobili con l’obiettivo di verificare i livelli di concentrazioni degli inquinanti a cui sono esposti il personale aeroportuale e i passeggeri. Il modello CFD ha permesso di calcolare i livelli di concentrazione di monossido di carbonio (CO), formaldeide (CH2O) e acroleina (C3H4O) dietro un Boeing 737-500 con motori in idle. Le curve isolivello di concentrazione ottenute sono state confrontate con le soglie di esposizione definite dalla comunità scientifica per garantire la salute umana. L’analisi dei livelli di concentrazione degli inquinanti è stata svolta per tre diversi casi di studio che corrispondono a tre configurazioni reali dei piazzali aeroportuali. Nella seconda parte dello studio, invece, per ridurre l’inquinamento ambientale prodotto dai mezzi GSE durante le operazioni di handling aeroportuale, è stato studiato il possibile impiego della tecnologia fuel cell a idrogeno. L’obiettivo dell’attività di ricerca è duplice: • valutare il beneficio ambientale ottenibile mediante l’impiego della tecnologia fuel cell come sistema propulsivo per i mezzi GSE; • eseguire uno studio di fattibilità di una GPU a idrogeno con sistema fuel cell. Nonostante in letteratura siano presenti studi inerenti l’impiego dell’idrogeno in aeroporto e siano state svolte delle sperimentazioni presso alcuni scali internazionali, non sono disponibili dati inerenti il reale beneficio ambientale che si può ottenere usando l’idrogeno nella propulsione dei mezzi GSE. Per svolgere tale analisi è stato realizzato un modello che calcola l’inventario delle emissioni prodotte da una flotta mista composta da mezzi GSE convenzionali (ovvero motori alimentati con combustibili fossili) e da mezzi GSE convertiti a idrogeno, considerando sia le emissioni dirette prodotte durante la combustione del carburante, sia le emissioni indirette rilasciate per la produzione del carburante stesso. Il modello è stato sviluppato in modo parametrico per considerare vari scenari in termini di dimensioni aeroportuali, fleet mix di operazioni aeroportuali e tipologie di mezzi GSE convertiti a idrogeno. Inoltre il modello calcola il consumo di combustibile fossile e il fabbisogno di idrogeno richiesto per alimentare la flotta GSE convertita. Per la produzione dell’idrogeno in aeroporto sono state valutate due possibili tecniche: elettrolisi e methane steam reforming (SMR). Dato che l’elettrolisi è la tecnica di produzione meno inquinante tra le due, il modello calcola la potenza dell’impianto di produzione necessario per garantire il fabbisogno di idrogeno in funzione dello scenario considerato e la dimensione dell’impianto di stoccaggio. L’idea Hydrogen Airport è stata completata con uno studio di fattibilità per la conversione a idrogeno di un mezzo GPU (Ground Power Unit) che comprende: sviluppo di un modello CAD, scelta e dimensionamento dei sistemi, verifica della safety nell’impiego dell’idrogeno e analisi preliminare dei costi.
Airport, emission, pollution, GSE, Hydrogen, Jet blast, handling operations, Settore ING-IND/05 - Impianti e Sistemi Aerospaziali
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