Optiska mätningar för studier av luftkvalitet samt kvantifiering av gas-och partikelutsläpp

Transkript

1 Optiska mätningar för studier av luftkvalitet samt kvantifiering av gas-och partikelutsläpp Johan Mellqvist Rymd-,geo-och miljövetenskap Luftkvalitet och emissionsstudier i megacities Vulkan nätverk (NOVAC) för svaveldioxidutsläpp för att förutsäga utbrott Övervakning av ozonlagret (NV) samt klimatgaser (94 ) Utsläpp av kolväten från industri Utsläpp från fartygssektorn

2 Hur kan man övervaka utsläpp samt tillståndet i miljön? Satellitmätning av globala koncentrationsfält: Bra för globala och regionala studier av koncentrationstrender för ett begränsat antal ämnen (NO2, SO2, HCHO, opacitet (partiklar). Flygövervakning eller RPV(drönare): Lokala och regional övervakning/kartering, ned till specifika källor. Fler ämnen kan mätas än för satelliter med bättre känslighet Mobil markbaserad mätning: Lokal övervakning/kartering ned till specifika källor. Fler ämnen kan mätas än flygövervakning och man kan lättare uppskatta emissioner Fasta mätstationer: Global/reg övervakning i nätverk samt punktmätning av enskilda fartyg/industrier

3 Hur påverkar gas och partikelutsläpp hälsa, klimat och miljö? Utsläpp Lokal luftkvalitet flyktiga kolväten, kväveoxid, partiklar, svaledioxid Regional luftkvalitet Klimat Ozonlagret ammoniak, metan, kolmonoxid, flyktiga kolväten, PM, PN koldioxid, kolmonoxid, metan,lustgas, ersättningsfreon, sotpartiklar, flyktiga kolväten Freoner, ersättningsfreoner, haloner, lustgas Ger upphov till ozon, partiklar, kvävedioxid, hälsofarliga kolväten ozon, partiklar-dis, Försurning Svaveldioxid, ammoniak, svavelsyra Kort och långlivade klimatgaser (koldixid, lustgas, metan, sotpartiklar) Klor, brom och kväve i stratosfären Övergödning Ammoniak, kväveoxider Ammonium, nitrater

4 Viktiga utsläppskällor Vägtransport Sjötransport Flyg Arbetsmaskiner Jordbruk Industri och kraftverk Hushållsprodukter Sopförbränning/deponering/hantering Reningsanläggningar och biogas Skogsproduktion

5 Infraröd solmätning av atmosfäriska gaser vid Harestua solobservatorium för Naturvårdsverket räkning (ozonlagret) och NDACC-nätverket. Här visas trender av etan och CO (5 årsmedelvärden. Varje punkt motsvarar ca 200 mätdagar Rel. intensity N 2 O O 3 O 3 O 3 O 3 N 2 O Wavenumber cm -1

6 Mätning av industriella utsläpp av flyktiga kolväten, metan och förbränningsgaser

7 Utsläpp av flyktiga kolväten (VOC) Industrier är de största punktkällorna av flyktiga kolväten (VOC). Detta inkluderar raffinaderier, petrokemisk/kemisk industri, oljedepåer samt oljeutvinning Utsläpp ofta underskattade i offentliga utsläppsdatabaser med en tiopotens på de flesta ställen i världen (USA, Europa, mellanöstern, Kina) Utsläppen är diffusa och man kan inte mäta dem på konventionellt sätt i en rökgaskanal, detta ställer krav på teknik och Chalmers har därför tagit fram några mobila optiska metoder som idag är bästa tillgängliga teknik (BAT) I Sverige och Norden används optisk teknik för årsvis kartering och skattning av kolväteutsläpp från de största utsläppskällorna. Vi har genomfört ett stort antal forskningskampanjer på olika ställen i världen och bygger nu system åt Kina och Kalifornien

8 Sol Ockultations Flux metoden (SOF). Olika kolväten absorberar solens infraröda ljus på ett specifikt sätt. Mätningen görs under körning och man mäter pss gasmängden tvärs över gasplymen. Multiciplicerar man med vindhastighet fås gasfluxet/emissionen Rel. intensity N 2 O O 3 O 3 O 3 O Wavenumber cm -1 N 2 O

9

10 SOF system Infraröd spektrometer, Medium resolution spectrometer (0.5 cm-1) based on Bruker IR cube and fast so lar optik, tracker solföljare, (home made), samt gps, wind dator Solföljare measurements, realtime spectral analysis a för realtidsutvärdering nd flux calculation

11 Mätning av alkankolumner (koncentration integrerad längs ljussträcka) runt ett raffinaderi i Los Angeles. Vinden indikeras också. Alkanhalterna längs mätsträckan summeras och multipliceras med vindhastigheten, detta ger gasfluxet tvärs mätsträckan. Alkanutsläppen inom mätboxen motsvaras av utfluxet (nedvinds) subtraherat med influxet (uppvinds). 11

12 Exempel på totalbudget av flyktiga kolväten i Los Angeles (kombination av California air resouces board kartering samt Chalmers för industri och oljeutvinning)

13 Alkane emissions from industrial complexes Source region SOF (kg/h)* Inventory (kg/h) % capacity Factor Göteborg refineries % 1 Antwerp 2010, 3 refin.+chem %*** 7.7 Le Havre 2008**** 2 refin %*** 4.2 Rotterdam 2008***** 6 refineries %*** 4.4 CA, Bay Area refineries % 4.6 CA, LA basin 2013/ Refineries Oil production Houston ship channel 2006/2009/ 2011/2012 multiple refin. + chem * % %*** 14 China 2 Tianjin Refineries Fushun refin Fushun Oil sand refin ** 1560** 0.1% 0.14% 5.6% *interpolated from 1800 kg/h, causes 70 % increase in the total projected VOC emissions for the SCAB ** Tianjin Academy of Environmental Planning: 0.18% of capacity *** 0.01% assumed for inventory **** Revisited

14 Om kolväteutsläpp är 5 gånger högre än rapporterat indikerar modellkörning (EMEP) att man får 170 extra dagar med dagsmedelväede över 120 µg/m3 vid 68 av 161 mätstationer. Till höger visas maximal skillnad i dagsmedelvärdet av ozon om man ändrar utsläpp med faktor 5 jämfört referens (20-30 µg/m3).

15 Kontroll av utsläpp från fartygssektorn CO 2 CO HC EC Ash BC OC OM NO NO 2 SO 2 SO 3 SO 4 2- Fartygssektorn har länge undvikit att genomföra reningsåtgärder Svaveldioxid orsakar partikel-formation och försurning med upptill förtida dödsfall I Europa Fartyg släpper också ut NOx, sot och organiska partiklar vilket orsakar negativa effekter på luftkvalitet (ozon, PM2.5) och klimat Nya lagstiftning reglerar svavelhalt I bränsle (<0.1%) och NOx Det är stor prisskillnad mellan låg och högsvavligt bränsle Chalmers har tagit fram en optiskoch en sniffersensor för kontroll av fartygens bränsle och rökgasutsläpp från fjärran. Dessa används i EU projekt och av Danska miljöstyrelsen. 15

16 Fartygsmätning Flugburen mätning med optisk sensor ger indikation om röken innehåller mycket svavel. Om detta är fallet flyger man ner på lägre höjd och analyserar svavel/kol innehåll med sniffer och från detta beräknas svavelhalt i fartygets bränsle Automatiska stationer analyserar fartygsröken och dess svavel/kol innehåll. Mha vindmätning 16 och AIS beräknas svavelhalt i fartygets bränsle vilket hamnar i databas

17 Här visas ett exempel från vår mätstation på Stora Bältbron. Man ser plymer av CO2, SO2 och NOx från 2 fartyg. Från kvoten mellan SO2 och och CO2 erhålls svavel-kol förhållandet i bränslet vilket är proportionellt mot bränslesvavelhalt ( 0.1 % och 0.5 % för de två fartygen nedan). Fartygen identifieras automatiskt och resultat skickas i realtid till en databas för vidare åtgärd av hamnkontrollmyndighet. 5% är höga och fusket verkar systematiskt CO2 SO2 0.1% bränslesvavelhalt 0.5% bränslesvavelhalt NOx

18 Flygburen övervakning från Roskilde med Navajo Piper. 6 h räckvidd, 6-10 fartygskontroller per timme.

19 Flygmätningarna visar att 10% av fartygen använder otillåtet bränsle på Östersjön. Vid Engelska kanalen nära gränsen är motsvarande siffra 15%, Systematiskt fusk hos visssa bolag. Scrubbrar har haft en hel del problem 700 fartyg

20 Berlingske tider om vår sniffer på Stora Bält bron Dags att släcka cigarreten nu passerar vi sniffern!!!

21 Ammoniakutsläpp I många jordbruksintensiva länder är utsläpp av ammoniak en stor källa till problem Utsläppen orsakar direkta hälsoeffekter, övergödning samt bakgrundshalter av ammonium partiklar Det är svårt att mäta utsläpp; ammoniak är klibbigt och fastnar gärna i instrumenten. Utsläppen är diffusa från åkrar, vattenbassänger och ventilationspipor. SOF metoden är mycket bra på att mäta diffusa läckage av ammoniak ned till 0.5 kg/h

22 NH3 emission from a fertilized field measured by SOF (extract from US patent 2004/ A1, Galle, Mellqvist) Vertical column of NH3 (path integrated concentration) A field was fertilized with pig manure in a Swedish farm. Here we demonstrate a SOF measurement past the field one day later (left). An absorbance spectrum when in the middle of the plume and a spectral fitting of ammonia is shown below Spectral fitting

23 SOF measurement of NH3 from several cattle farms in Chino. The total NH3 emission is 245±19.5 kg/h. The inferred CH4 flux is 540 kg/h. Amount of cows 36000, hence 7 g NH3/head/h and 15 g NH3/head/h 23

24 References Mellqvist et al., Emission Measurements of VOCs, NO2 and SO2 from the refineries in the South Coast Air Basin using Solar Occultation Flux and other Optical Remote Sensing Methods, SCAQMD report, May 2017, Mellqvist, J., J. Samuelsson, J. K. E. Johansson, C. Rivera, B. Lefer, S. Alvarez, and J. Jolly (2010b), JGR: Atmospheres, 115(D7), doi: /2008jd Johansson, J., Mellqvist, J., et al., 2013a, JGR Atmospheres, 2013JD020159R. Johansson, J. K. E., J. Mellqvist, J. Samuelsson, B. Offerle, B. Lefer, B. Rappenglück, J. Flynn, and G. Yarwood (2014), JGR, 118, doi: /2013jd Johansson, J. K. E. (2016), Doctoral thesis, 162 pp, ISBN , Chalmers University of Technology, Gothenburg. Johansson, M., C. et al, 2009, Atmos. Chem. Phys., 9, Rivera, C. et al., (2010), JGR, 115, D08301, doi: /2009jd Rivera, C.,), Dissertation, ISBN , ISSN 0346 Rivera, C., J.A. Garcia, B. Galle, L. Alonso, Y. Zhang, M. Johansson,Matabuena, and G. Gangoiti (2009b), J. Remote Sens., vol 30, no 12, p Berg, N., Mellqvist, J. et al., Ship emissions of SO2 and NO2: DOAS measurements from airborne platforms, Atmos. Meas. Tech., 5, 1 14, doi: /amt , 2012 Alfoldy B.,..., Mellqvist J., et al., Measurements of air pollution emission factors for marine transportation, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 5, , doi: /amtd Balzani Lööv J M. J. Mellqvist, et al., Field test of available methods to measure remotely SOx and NOxemissions from ships, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 6, , 2013, Beecken, J., Mellqvist, J., Salo, K., Ekholm, J., and Jalkanen, J.-P: Airborne emission measurements of SO2, NOx and particles from individual ships using sniffer technique, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 6, , doi: /amtd , Beecken, Emission Factors of SO2, NOx and Particles from Ships in Neva Bay from Ground-Based and Helicopter-Borne Measurements and AIS-Based Model, ACPD,