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Prevedere le emissioni di anidride solforosa utilizzando i modelli di calcolo

Le piogge acide sono state un problema in Europa - lo sono ancora in Asia.

 Il problema delle piogge acide

Nella seconda metà del secolo scorso la popolazione di alcune regioni europee si rese conto che l'ambiente veniva danneggiato dalla forte acidità delle piogge o della nebbia. Le piogge sono di norma leggermente acide a causa dell'anidride carbonica che si dissolve nelle goccioline di pioggia sottoforma di acido carbonico, determinando un valore di pH pari a circa 5.6. Tuttavia nelle regioni in cui vengono immesse nell'aria ingenti quantità di anidride solforosa ed ossidi di azoto sono stati misurati valori di pH pari a 4 se non addirittura inferiori.

Ne è risultata un’acidificazione del terreno con conseguente mobilizzazione di alcuni composti chimici (come gli ioni Al3⁺), con il danneggiamento delle foreste come effetto finale. Il valore di pH dei laghi svedesi, ad esempio, è diminuito significativamente e molte specie dell'ecosistema lacustre sono scomparse.

Negli anni passati le piogge acide hanno danneggiato non solo l'ambiente naturale, ma anche edifici e monumenti artistici sensibili agli acidi. In particolare, le emissioni di anidride solforosa, che è il precursore dell’ acido solforico, sono state la conseguenza dell’utilizzo massiccio di combustibili fossili contenenti zolfo senza l'impiego di filtri: tra questi il carbone e gli oli combustibili utilizzati nelle centrali elettriche, nell'industria e in ambito domestico.

2. A sinistra: livelli di pH nello strato di humus in Svezia. L'animazione mostra i cambiamenti avvenuti dal 1963. Autore: Ake Nilsson, Swedish University of Agricultural Sciences. Fonte: Agenzia Svedese per la Protezione Ambientale

 Lo sviluppo in Europa ed Asia

Negli ultimi decenni, sono stati sviluppati filtri a tecnologia avanzata e sono state approvate leggi che ne hanno imposto l'uso alle industrie e ai fornitori di energia elettrica. Molti privati hanno scelto alternative al carbone per il riscaldamento e per gli altri usi domestici. Benché molti terreni e laghi siano interessati ancora dal fenomeno dell'acidificazione, in Europa le emissioni di zolfo si sono notevolmente ridotte ed il problema sembra essere risolto. 
 

3. Skyline del distretto di Pudong a Shanghai; © Foto di Shizhao, copyright garantito da GNU free documentation licence
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In paesi come la Cina sono disponibili ingenti quantità di carbone, spesso più economico delle altre fonti energetiche. Adottando le costose tecnologie di filtrazione, si perderebbero i benefici economici legati ai bassi costi di produzione. Tuttavia è necessario fin da oggi investire per la protezione dell'ambiente, anche se i risultati potranno essere visibili solamente sul lungo termine. Presso l'Istituto Internazionale per l'Analisi dei Sistemi Applicati (IIASA) di Laxenburg (Austria), partner ACCENT, è stato sviluppato un modello (chiamato RAINS) che stima lo stato attuale, il possibile sviluppo ed i costi di mitigazione dell'inquinamento atmosferico e delle piogge acide in Asia.

 Stime per l'Asia

È stato stimato che nel 2004 circa l'80% del fabbisogno energetico delle regioni asiatiche orientali è stato soddisfatto dalla combustione di carbone fossile . Benché si possa incrementare il ricorso a fonte energetiche alternative (petrolio, gas naturale), si prevede che in quella regione il fabbisogno energetico totale potrebbe raddoppiare o triplicare nei prossimi 30 anni. Pertanto, se la legislazione attuale non verrà modificata, le emissioni di zolfo continueranno ad aumentare. Tuttavia, l'esempio della Cina, dove si è verificata una diminuzione trascurabile delle emissioni, dimostra che una maggior consapevolezza del problema, e le conseguenti misure adottate in ambito politico ed economico, possono contribuire a ridurre il carico di zolfo, come è già successo in Europa. Pertanto, lo scenario che prevede l’utilizzo della "miglior tecnologia disponibile" prevede per il 2020 valori decisamente più bassi.

5. a - d) Emissioni di SO₂ in Asia suddivise per Nazione. Le stime per il 2020 sono state calcolate in base alla legislazione vigente (CLE). Nel grafico in alto a sinistra si può notare che la scala delle emissioni è 15 volte superiore nei paesi asiatici in forte crescita economica. Negli altri tre grafici si utilizza la stessa scala che raggiunge il valore massimo di 2000 chilo tonnellate di SO₂. Pakistan e Thailandia sono riportati anche nel grafico a) poiché le stime relative alle emissioni di SO₂ in questi paesi per il 2020 superano le 2000 chilo tonnellate.    
Fonte: Cofala et al., 2004
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 Costi per la riduzione delle emissioni

Le misure per controllare le emissioni, così come la modernizzazione degli impianti e l'integrazione di filtri sono notoriamente costose. Il modello RAINS permette di calcolarne i costi. Grazie ad investimenti nel settore delle tecnologie di controllo pari a circa 4,7 miliardi di dollari, si è calcolato che per l'anno 1995, ad esempio, la riduzione di emissioni di SO2 è stata pari a 3,9 milioni di tonnellate. 

In base alle modifiche normative apportate negli ultimi anni, si stima che entro il 2020 il 28% delle emissioni teoricamente fuori controllo saranno abbattute a fronte di un investimento di tredici miliardi di dollari. Tuttavia, per raggiungere la riduzione ideale di 11 milioni di tonnellate (v. grafico BAT), si prevedono costi pari a 78 miliardi di dollari.

Questi costi non rappresentano una vera perdita per l'economia degli stati : infatti lo sviluppo nel settore tecnologico per la filtrazione e la riduzione delle emissioni,nonché la loro installazione, offre ulteriori opportunità di lavoro ed è parte integrante dell'economia. Per una ogni singola società risulta, tuttavia, troppo oneroso sostenere investimenti di notevole entità imposti da una legislazione rigorosa. Le norme devono essere applicate con metodo per garantire un buon equilibrio tra interessi ambientali, economici e sociali, sia nel breve che nel lungo periodo.
 

7. Per alcune misure a forte impatto i costi possono essere ridotti, mentre risultano più elevati per altre misure caratterizzate da un impatto inferiore. Scienziati ed economisti cercano di valutare i modi e le aree in cui è possibile raggiungere la massima riduzione delle emissioni in maniera più efficiente e contenendo i costi. Il grafico mostra come l'utilizzo di carbone fossile a basso contenuto di zolfo, dell’olio pesante combustile e la desolforazione del gas combustibile (FGD-Fuel Gas Desulphurisation) possano contribuire a ridurre le emissioni e in quali parti del sistema energetico tali fattori possono essere applicati al minor costo col più alto rendimento possibile. Portare allo 0,2% il contenuto di zolfo nel diesel, ad esempio, comporta ha un certo impatto sulle emissioni ad un costo contenuto. Raggiungere un contenuto dello 0,01% di zolfo nel diesel non accresce notevolmente l'impatto, ma provoca un aumento dei costi ed è pertanto meno efficiente, ad esempio, del processo di desolforazione nelle centrali elettriche ad olio combustibile. Fonte: Cofala et al., 2004.

 Effetti negativi per la salute

Spesso, per ottenere ricadute positive sull’ambiente, è necessario effettuare investimenti economici con alcuni decenni di anticipo. Nel caso delle piogge acide, tuttavia, i danni sono più immediati, non solo per l'ambiente ma anche per la nostra salute. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità i limiti di accettabilità della qualità dell'aria consigliati sono compresi tra i 15 e i 20 µg/m3 (SO2), mentre le stime del modello RAINS per il 2020 mostrano che nelle grandi aree urbane i limiti potranno superare facilmente i valori di 80 µg/m3, con punte massime locali ancora più elevate. Si presume pertanto che gli costi aggiuntivi da sostenere per tutelare la nostra salute tenderanno ad aumentare vertiginosamente. 

 Conclusioni

Da tutto questo possiamo dedurre che reazioni chimiche relativamente semplici come la formazione dell'acido solforico a partire dall'anidride solforosa che è presente nell'atmosfera hanno un'enorme rilevanza in ambito economico, politico, ambientale e sanitario in vaste aree del mondo. Per scongiurare danni alla società e all'ambiente, il compito degli scienziati non si limita solo alla comprensione dei processi chimici che generano le emissioni e delle tecnologie necessarie ad eliminarle, ma richiede di sviluppare anche modelli economici per valutare quali tecnologie siano da privilegiare.

Autore: Elmar Uherek - Istituto di Chimica Max Planck, Mainz

Le illustrazioni Cofala et al., 2004 sono tratte dal seguente articolo:

Cofala, J., Amann, M., Gyarfas, F., Schöpp, W., Boudri, J.C., Hordijk, L., Kroeze, C., Li Junfeng, Dai Lin, Panwar, T.S., Gupta, S., 2004, Cost-effective Control of SO2 Emissions in Asia. Journal of Environmental Management 72 (2004), pp. 149-161.

Reviewer: Dr. Janusz Cofala, IIASA Laxenburg, Austria

Traduzione italiana: Michela Maione e Simonetta De Angelis, Università di Urbino