Partikelmätningar på gasmotorer för fartygsdrift Syfte Flytande naturgas, LNG, och i förlängningen flytande biogas, LBG, diskuteras allt mer som ett kommande fartygsbränsle då det uppfyller de hårdare svavelkraven för bränslen som kommer att införas i Nordsjön och Östersjön (SECA områden) 2015. Gasdrift innebär också minskade emissioner av kväveoxider och partiklar. Partikelemissioner utgör i dag ett stort hälsoproblem i tätbefolkade områden, men regelverk för emissioner av partiklar från sjöfart saknas. Vidare uppmärksammas alltmer att partikelemissioner bidrar till växthuseffekten, främst via emissioner av svart sot/black carbon. Man vet att marina bränslen ger upphov till stora partikelemissioner, men kunskapen om partikelemissioner, avseende totalmängder, storleksfördelning och sammansättning, från gasmotorer för sjöfart är idag mycket begränsad. Syftet med studien är att karakterisera partikelemissioner från en naturgasmotor. Dessa data kommer att användas för att bedöma hur mycket emissionerna av partiklar kan minska vid en övergång till LNG/LBG som marint bränsle. Detta är viktig kunskap inför en större introduktion av LNG som ett fartygsbränsle och för att bedöma LNGs potential som framtida bränsle för marina motorer utifrån påverkan på hälsa och miljö. Partikelemissionerna skall mätas både som massa av partiklar, antal partiklar, storleksfördelning samt mängden svart sot/black carbon. Problemet, dess bakgrund och avgränsningar Partiklar och sjöfart Emissioner av partiklar från sjöfart består av olika komponenter och har en påverkan på både hälsa och miljö. Beräkningar visar att sjöfarten årligen släpper ut cirka 1,7 Tg 1 partiklar globalt, vilket kan jämföras med cirka 2,1 Tg per år från vägtrafik (Lack et al., 2009). Emissioner från fartyg ute till havs eller i kustområden kan transporteras flera 100 kilometer och påverka luftkvalitén inåt land långt från utsläppskällan. I hamnstäder kan emissioner från sjöfarten överstiga emissioner från landbaserade källor (Eyring et al., 2010). Luftföroreningar från olika utsläppskällor påverkar samtliga naturtyper även de som är oexploaterade och de områden som är skyddade, till exempel naturreservat och nationalparker (Elvingson and Ågren, 2004). Partikelemissioner från sjöfarten består av sulfater, organiskt kol/material, svart sot/black carbon och aska (Lack et al., 2009, Winnes, 2010). Partiklar i atmosfären påverkar vår hälsa genom ökad risk för hjärt- och lungsjukdomar, exempelvis astma och bronkit. Beräkningar indikerar att emissioner av partiklar från sjöfarten år 2002 orsakade cirka 60 000 dödsfall i förtid på global nivå, på grund av cancer eller hjärt-lungsjukdomar. Denna siffra antas öka med sjöfartens utveckling enligt aktuell prognos och med aktuellt regelverk. Invånare i kustnära områden och större hamnstäder är mest utsatta, då cirka 70 % av emissioner av luftföroreningar från sjöfarten sker inom 400 kilometer från land (Corbett et al., 2007). Det är storleken på emitterade partiklar som avgör vilken effekt de kommer få på hälsan. Emitterade partiklar från förbränning av fossila bränslen består främst av ultrafina och fina partiklar, med aerodynamisk diameter på < 0,1 µm respektive < 2,5 µm och dessa partiklar anses vara farligast för hälsan. Dessa små partiklar kan vid inandning nå ner till aveolerna i lungorna och ha en påverkan på 1 Tg = terra gram = 10 12 gram 1
lungornas funktion samt transporteras med blodet vidare ut i kroppen och påverka funktionen på andra organ. Grövre partiklar, med diameter på 10 µm, fastnar i slemhinnor i näsa och hals och försvinner från kroppen vid nysning eller hosta (Finlaysson-Pitts and Pitts, 2000, Pope and Dockery, 2006). Marina bränslen har en betydligt högre svavelhalt jämfört med bränslen till landtrafik, vilket medför att stora mängder partiklar innehållande sulfater/svavelsyra emitteras och kan agera som kärnor i vattendroppar i surt regn och försura sjöar och skogar och ha en negativ påverkan på ekosystem i dessa miljöer (Finlaysson-Pitts and Pitts, 2000, Elvingson and Ågren, 2004). Emissioner av partiklar har också en påverkan på klimatet och antagande finns om att partikelemissioner från sjöfarten i netto har en avkylande effekt på klimatet, vilket beror på den höga svavelhalten i marina bränslen. Sulfatpartiklar och partiklar innehållande organiskt material sprider inkommande strålning från solen samt kan agera som molnbildande kärnor, cloud condensation nuclei, CCN, det vill säga kärnor där vattenånga i atmosfären kan kondensera och bilda moln och påverka molnets egenskaper. Partiklarna i molnen sprider ljuset. Mängden emitterade sulfatpartiklar och partiklar innehållande organiskt material beror på svavelhalten i bränslet och partiklar med organiskt material beror också på smörjoljan i motorn. Sjöfarten emitterar också sot/black carbon partiklar. Dessa partiklar beror på motortyp, belastningen på motorn och aromathalt i bränslet. Black carbon absorberar solljuset, vilket har en uppvärmande effekt på klimatet (Lack et al., 2009, Lack et al., 2011). Gällande regelverk för högsta tillåtna svavelhalten i marina bränslen har beslutats genom International Maritime Organization s, IMO:s, MARPOL Annex VI och implementeras inom EU genom EU:s svaveldirektiv. I regelverket eftersträvas en reducering av svavelhalten i marina bränslen och en ökad användning av lågsvavligt bränsle och alternativa bränslen framför allt inom hamnområden och utpekade områden, så kallade Sulphur Emission Control Areas, SECA:s. Idag är Östersjön, Nordsjön, Engelska kanalen och kusten runt Nordamerika utpekade SECA-områden (IMO, 2009, EU, 2005). Även för inlandssjöfarten finns regelverk som styr tillåtna svavelhalter i bränslen. Marina bränslen som används i hamnområden får innehålla max 0,1 viktsprocent svavel, medan bränslen för inlandssjöfart efter 1 januari 2011 får innehålla max 10 ppm svavel (EU, 2005, EU, 1998). Partikelemissioner är inte direkt reglerade inom IMO ännu, men diskussioner förs kring partiklars påverkan genom emissioner av sot/black carbon partiklar. En reducering av svavelhalten i marina bränslen ger en reducering av emissioner av svaveldioxid (SO 2 ) samt kommer ha en inverkan på partikelemissioner från sjöfart. Mängden emitterade sulfatpartiklar och partiklar innehållande organiskt material kommer att reduceras kraftigt, medan mängden black carbon reduceras betydligt mindre eller inte alls (Lack et al., 2009, Lack et al., 2011). Studier visar också på att antalet emitterade partiklar kan öka vid lägre svavelhalt i bränslet samt att en större mängd små partiklar emitteras. Mediandiametern på emitterade partiklar minskar. Även belastningen på fartygets motorer och motortyp är av betydelse. Detta antyder att partikelemissioner från sjöfarten kommer i netto ha en uppvärmande effekt på klimatet samt fortsätta ha en negativ hälsopåverkan (Lack et al., 2011, Winnes and Fridell, 2009). I de mätningar av partikelemissioner från marina motorer som vanligen görs mäts massan av partiklar i olika storleksintervall, medan antalet partiklar inte mäts. Detta beror till stor del på mättekniska svårigheter. Fraktionering och antalsbestämning ställer andra krav på mätmetodik än insamling och vägning. Resultatet är att man har dålig kunskap om relationen mellan antal mycket 2
små partiklar och bränsletyp och driftförhållanden. D.v.s. förutsättningarna för bildning av de mest hälsovådliga partiklarna är mycket dåligt kända och behöver utredas för att förhindra att man byter till bränslen som ger miljöfördelar men som ger stor hälsorisk. Med bakgrund av detta är det intressant att studera partikelemissioner från motorer som drivs med LNG. Användning av LNG för drift av fartyg är en möjlig framtida lösning för både internationell marin sjöfart samt för inlandssjöfarten. Det är därför av stort intresse att få insikt om partikelemissioner från en motor som använder LNG; antal partiklar som emitteras, storleksfördelningen på emitterade partiklar utifrån antal partiklar i varje storlek, massan på emitterade partiklar, kemiskt innehåll och mängden emitterat black carbon. Utifrån mätdata kan det vara möjligt att bedöma påverkan på hälsa och miljö och jämföra partikelemissioner från LNG med andra bränslen, nuvarande och potentiella framtida, utifrån storleksfördelning av partiklar och massan av emitterade partiklar. Med hjälp av dessa studier är det möjligt att avgöra om en fartygsmotor som drivs av LNG måste använda någon form av reningsutrustning för att reducera mängden emitterade partiklar. Avsaknad av studier Idag finns, enligt vår kännedom, inga vetenskapligt publicerade mätningar för emissioner av partiklar vid användning av förvätskad naturgas, LNG, och förvätskad biogas, LBG, ombord på fartyg. Osäkerheten kring partikelemissionerna från gasmotorer identifierades i en licentiatavhandling om marina bränslens miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv. I avhandlingen ingick en livscykelanalys, LCA, av olika fossila bränslen för sjöfarten, bland annat LNG. Det konstaterades att partikelemissionerna under livscykeln troligen var mycket lägre för LNG än för dagens sjöfartsbränslen, men det poängterades också att dataunderlaget är mycket begränsat och osäkert (Bengtsson, 2011). Data som användes var dels emissionsfaktorer från US Environmental Protection Agency för stationära gasmotorer från 2000 (U.S.-EPA, 2000) och uppskattningar/mätningar från motortillverkare under optimala driftsförhållanden. En litteratursökning angående mätningar av antal partiklar och black carbon för gasmotorer generellt och inte avgränsat till sjöfarten visar att mätningar även på detta område är begränsade. I en artikel påvisades ett samband mellan ökade emissioner av black carbon och ökat innehåll av etan och propan (McTaggart-Cowan et al., 2010). Innehållet i LNG är än så länge inte standardiserat och innehållet av andra gaser som etan och propan kan därför variera mellan olika gasleverantörer. Ristovski et al. (2000) observerade att antalet partiklar var av samma storleksordning som för dieselmotorer. Avsaknaden av data avseende partikelemissioner från gasmotorer är problematiskt för introduktion av LNG-motorer i sjöfarten. Uppmätta data behövs för att kvantifiera massa och anta partiklar och utvärdera LNG jämfört med traditionella marina bränslen. Idéer, hypoteser och förslag till lösningar Hypoteser Eftersom LNG är ett relativt rent bränsle med låg svavelhalt och aromathalt, är det troligt att partikelemissionerna från en LNG motor är låga. De data som finns avseende massan av partiklar tyder på detta. Det finns dock inga data avseende antal partiklar i emissionen eller 3
storleksfördelningen av dessa. För att ta fram data kring partikelemissioner från LNG motorer avser vi att i denna studie göra en serie mätningar. Metod för att lösa problemet och uppnå syftet Experimentellt utförande För att kunna jämföra emissioner av partiklar vid användning av LNG som bränsle med andra bränslen kommer mätningar av partikelemissioner att utföras för de mätcykler som normalt används för marina motorer. Detta innebär att mätningar kommer att utföras under olika varvtal och belastningar enligt standardiserad modell, detta för att kunna utvärdera och jämföra resultaten på bästa möjliga sätt. Eftersom mycket få fartyg i Göteborgsregionen i dag är utrustade med gasmotor, kommer inledande mätningar att utföras på stationär motor. Inledande kontakt har tagits med Göteborg Energi och Wärtsilä för att få tillgång till Göteborgs Energis gasmotor i Högsbo. Fördelen med mätning på stationär motor är dessutom praktisk. I senare del av projektet planeras mätningar ombord på befintliga gasmotorer. I dag är inte något fartyg bestämt. Nätverket från IVL och Wärtsilä kommer att användas för att hitta lämpligt mätfartyg. Mätmetodik Själva provtagningen kommer att följa befintlig ISO-standard för partikelprovtagning av motorer vilket innebär att avgasen späds och kyls ner innan provtagningen görs. Vidare kommer antalet fasta partiklar (d.v.s. de vätskeformiga aerosolerna tas bort) att mätas med en metod som liknar den som används inom bilindustrin. För att karaktärisera total koncentration (massa och antal), storleksfördelning och kemisk sammansättning kommer följande instrument att användas: Fine Particle Sampler (Dekati FPS-4000) För att åstadkomma en kontrollerad utspädning vid provtagning av partiklar från rökgaser kommer en FPS att användas. Med denna är det möjligt att späda höga partikelkoncentrationer till mätbara nivåer med mycket låga förluster. I en FPS späds rökgaserna med renad och filtrerad tryckluft och provtagning sker efter utspädningen. Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS TSI 3090) EEPS är ett instrument framtaget för att karakterisera partiklar (aerosoler) från förbränningsmotorer med avseende på antal och storlek (5.6 560 nm) vilket inkluderar majoriteten av partiklar som släpps ut av en förbränningsmotor. Med en EEPS är det möjligt att mäta storleksfördelningen hos en aerosol i realtid med mycket låg tidsupplösning, ner till 10 Hz (0,1 s). Detta är nödvändigt för att kunna följa snabba ändringar vid till exempel gaspådrag. EEPS-instrumentet använder storleksberoendet hos den laddade partikelns mobilitet i ett elektriskt fält för att bestämma storleken hos partiklarna. Optical Particle Sizer OPS (TSI 3330) 4
Med en OPS är det möjligt att mäta storlek och antal hos partiklar i ett större storleksintervall (0,3-10 µm) än med EEPS. Filterprovtagning För att analysera massa och koncentrationer av spårämnen i partiklar exempelvis kalcium, nickel, järn, koppar och bly kommer filterprover att samlas in för vägning och analys av kemiskt innehåll med Energy Dispersive X-Ray Fluorescence, EDXRF. Innehåll av svart sot/black carbon kommer även att kvantifieras genom filterprovtagning och efterföljande analys i lab. Tids och resursplan Projektet påbörjas under sommaren 2012. Den första etappen, innefattar mätningar i Högsbo under 2012 (ev. längre). Under 2013 kommer verifikation ske i form av mätning ombord på fartyg. Rapporteringen sker i december 2013. Projektet är ett samarbete mellan institutionerna Sjöfart och marin teknik och Rymd och geovetenskap på Chalmers samt IVL Svenska miljöinstitutet. Från Sjöfart och marin teknik medverkar: Biträdande professor Karin Andersson, projektledare, huvudhandledare för Selma Bengtsson Doktorand Maria Anderson Doktorand Selma Bengtsson Från Rymd och geovetenskap medverkar: Fil dr Kent Salo Från IVL medverkar Adjungerad professor Erik Fridell, huvudhandledare för Maria Anderson, biträdande handledare för Selma Bengtsson Mättekniker Kjell Peterson samt ev. övrig expertis Organisation Sjöfart och marin teknik är huvudansvarig för projektet. Rymd och geovetenskap samt IVL bidrar med instrument samt mätexpertis i projektet. Projektet förutsätter ett aktivt deltagande från Göteborgs Energi i form av tillgång till gasmotor och viss praktisk assistans i samband med mätning. Projektet avses finansiera del av lön för Maria Anderson som ett led i hennes forskarutbildning samt mätkostnader under projektet. Under 2012 finns delfinansiering från Sjöfartsverket för Maria. För 2013 kommer ytterligare finansiering/finansiär att sökas. Övriga forskare är finansierade från andra projekt. 5
Värdering av projektets nytta för GE Det finns planer på att bygga en LNG terminal i Göteborgs hamn och om dessa skulle realiseras, så kommer det troligtvis också att komma mer gasdrivna fartyg i närområdet. I en sådan framtid är det extra viktigt att kunna kvantifiera den miljöpåverkan och troliga miljövinst som blir resultatet av övergång från tjockolja till gas. Erfarenheten är även tillämpbar på fasta installationer i energisystemet, exempelvis anläggningen i Högsbo som används i projektet. Antalet gasdrivna fartyg ökar i dag, det finns ett 20-tal i Norge och i Finland har Viking Line beställt en gasdriven färja för trafiken till Stockholm. Antalet gasdrivna fartyg i världen ökar också. Exempel på användningsområden av resultaten är i livscykelanalyser av bränslen för att förfina resultatet och tillförlitligheten och för samhällsekonomiska kalkyler för att bedöma den samhällsekonomiska nyttan av att byta bränsle. I miljökonsekvensbeskrivningar i samband med tillståndsärenden och uppföljning för hamnar/terminaler och fasta installationer är också tillgång till emissionsdata av största vikt. Rapportering och information Resultaten från projektet kommer att publiceras i en vetenskaplig artikel samt vara en del av Maria Andersons doktorsavhandling. Resultaten presenteras även vid seminarer och liknande inom sjöfartsnäringen. 6
Referenser BENGTSSON, S. 2011. Life Cycle Assessment of Present and Future Marine Fuels. Licentate thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg CORBETT, J. J., WINEBRAKE, J., GREEN, E. H., KASIBHATLA, P., EYRING, V. & LAUER, A. 2007. Mortality from Ship Emissions: A Global Assessment. Environmental Science & Technology, 41, 8512-8518. ELVINGSON, P. & ÅGREN, C. 2004. Air and the environment. EU 1998. EUROPAPARLAMENTETS OCH RÅDETS DIREKTIV 98/70/EG av den 13 oktober 1998 om kvaliteten på bensin och dieselbränslen. EU 2005. Europaparlamentets och rådets direktiv 2005/33/EG av den 6 juli 2005 om ändring av direktiv 1999/32/EG vad gäller svavelhalten i marina bränslen. EYRING, V., ISAKSEN, I. S. A., BERNTSEN, T., COLLINS, W. J., CORBETT, J. J., ENDRESEN, O., GRAINGER, R. G., MOLDANOVA, J., SCHLAGER, H. & STEVENSON, D. S. 2010. Transport impacts on atmosphere and climate: Shipping. Atmospheric Environment, 44, 4735-4771. FINLAYSSON-PITTS, B. J. & PITTS, J. N. 2000. Chemistry of the upper and lower atmosphere, Academic Press. IMO 2009. Revised MARPOL Annex VI and NOx Technical Code 2008: Regulations for the prevention of air pollution from ships. LACK, D. A., CAPPA, C. D., LANGRIDGE, J., BAHREINI, R., BUFFALOE, G., BROCK, C., CERULLY, K., COFFMAN, D., HAYDEN, K., HOLLOWAY, J., LERNER, B., MASSOLI, P., LI, S. M., MCLAREN, R., MIDDLEBROOK, A. M., MOORE, R., NENES, A., NUAAMAN, I., ONASCH, T. B., PEISCHL, J., PERRING, A., QUINN, P. K., RYERSON, T., SCHWARTZ, J. P., SPACKMAN, R., WOFSY, S. C., WORSNOP, D., XIANG, B. & WILLIAMS, E. 2011. Impact of Fuel Quality Regulation and Speed Reductions on Shipping Emissions: Implications for Climate and Air Quality. Environmental Science & Technology, 45, 9052-9060. LACK, D. A., CORBETT, J. J., ONASCH, T., LERNER, B., MASSOLI, P., QUINN, P. K., BATES, T. S., COVERT, D. S., COFFMAN, D., SIERAU, B., HERNDON, S., ALLAN, J., BAYNARD, T., LOVEJOY, E., RAVISHANKARA, A. R. & WILLIAMS, E. 2009. Particulate emissions from commercial shipping: Chemical, physical, and optical properties. Journal of Geophysical Research, 114. MCTAGGART-COWAN, G. P., ROGAK, S. N., MUNSHI, S. R., HILL, P. G. & BUSHE, W. K. 2010. The influence of fuel composition on a heavy-duty, natural-gas direct-injection engine. Fuel, 89, 752-759. POPE, C. A. & DOCKERY, D. W. 2006. Health Effects of Fine Particulate Air Pollution: Lines that Connect. Air & Waste Management Association, 56, 709-742. RISTOVSKI, Z. D., MORAWSKA, L., HITCHINS, J., THOMAS, S., GREENAWAY, C. & GILBERT, D. 2000. PARTICLE EMISSIONS FROM COMPRESSED NATURAL GAS ENGINES. Journal of Aerosol Science, 31, 403-413. U.S.-EPA 2000. Natural Gas-fired Reciprocating Engines. AP 42, Fifth Edition, Volume I - Chapter 3: Stationary Internal Combustion Sources. WINNES, H. 2010. Air Pollution from Ships, Emission Measurments and Impact Assessments. Doctor of Philosophy, Chalmers University of Technology. WINNES, H. & FRIDELL, E. 2009. Particle Emissions from Ships: Dependence on Fuel Type. Journal of the Air & Waste Management Association, 59, 1391-1398. 7