Verkliga utsläpp från fartyg Maria Zetterdahl & Kent Salo, Sjöfart och marin teknik, Chalmers Erik Fridell, IVL & Chalmers Finansiär: Göteborg energi AB:s stiftelse för forskning och utveckling 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 1
Publicerad 2015, vol. 49 sid. 12568-12575 Även i: Ny teknik Tidningen Energigas Västerhavet (kommande nummer) Science for Environment Policy (News alert, European Commission) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 2
Bakgrund- Sjöfartens miljö- och hälsopåverkan SO X och NO X : försurning och bilda sekundära partiklar NO X : övergödning Partiklar: hälsa och klimat Hälsa: orsaka astma, hjärt- och kärlsjukdomar och lungcancer Klimat: direkta och indirekta effekter 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 3
Bakgrund- Sjöfartens miljö- och hälsopåverkan SO X och NO X : försurning och bilda sekundära partiklar NO X : övergödning Partiklar: hälsa och klimat Hälsa: orsaka astma, hjärt- och kärlsjukdomar och lungcancer Klimat: direkta och indirekta effekter Partiklar som innehåller sulfat eller organiskt material Partiklar av Black carbon 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 4
Bakgrund- ECA Dagens regler berör emissioner av SO X och NO X SO X : svavelhalt i bränsle, Regel 14 MARPOL Annex VI NO X : relaterar till motorns hastighet (rpm), Regel 13 MARPOL Annex VI Syfte med att reducera emissioner av SO X Tidigt i processen: minska försurning Under processen: reducera emissioner av farliga partiklar 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 5
Karta över befintliga ECAs ECA med fokus på SO X, NO X och partiklar ECA, med fokus på SO X I dessa områden är svavelhalten begränsad till 0.1% sedan januari 2015 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 6
Vad medför svavelreglerna? Fartygen måste använda Låg-svavliga marina bränslen Fokus idag! Alternativa bränslen, t.ex. LNG och metanol Scrubbers För att följa reglerna för tillåten svavelhalt i SECA-områden. 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 7
LNG och sjöfart Varför LNG? Ekonomiskt: pris högre än tjockolja, men lägre än gasolja Miljö: reducerar emissioner (SO X, NO X, partiklar) Användning av LNG som marint bränsle idag 73 fartyg globalt (de flesta i Norge) 80 bekräftade nybyggnationer 45% av existerande fartyg använder dual-fuel motorer (ref: DNV GL, 2015) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 8
Våra mätningar Ombord på ett fartyg som kör i Östersjön Nybyggt med 4 dual-fuel motorer (7600 kw/motor, Wärtsilä 8L 50DF) installerade Använder LNG som primär energikälla och marin gasolja (MGO, <0.05 % S) som pilot-bränsle MGO är primära bränslet när fartygen anlöper eller avgår från hamn Mätningarna fokuserade på emissioner till luft (gaser och partiklar) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 9
Våra mätningar - Instrument Thermodenuder, uppvärmd till 300 C. Möjligt att kvantifiera mängden solida partiklar Spädning Gasanalys NO X SO 2 CO CO 2 O 2 Kolväten, t.ex. metan TD EEPS Dust monitor Prov på filter (partikelmassa och kemisk innehåll-> org. kol, elementärt kol, metaller) Gasanalys Partikelinstrument Verifiering av spädning DF- Motor 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 10
Våra mätningar - Partiklar EEPS (Engine exhaust particle sizer Model 3090, TSI Inc.) Mäter partiklar i storleken 5.6-560 nm med hög tidsupplösning (1 sek.) Antal, massa och storleksfördelning 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 11
Våra mätningar - Partiklar Dust Monitor (Model 1.108, Grimm) Mäter partiklar i storleken 300 nm till över 20 mikrometer med hög tidsupplösning (6:e sek) Antal och massa, beräkna storleksfördelning. 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 12
EF CO2 (g/kwh) Resultat CO 2 1800 1600 1400 1200 CO 2 emission (g/kwh) Minskning från runt 600 g/kwh till 400 g/kwh 1000 800 600 Trad. marina bränslen LNG 400 200 0 0 20 40 60 80 100 Last (%) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 13
EF NOx (g/kwh) Resultat NO X 30 25 NO X emission (g/kwh) Minskning från 7-20 g/kwh till 0.5-0.9 g/kwh 20 15 10 Trad. marina bränslen LNG Trad. marint bränsle med SCR 5 0 0 20 40 60 80 100 Last (%) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 14
EF NOx (g/kwh) Resultat NO X 5 4 Lägre an Tier III (NO X ECA), men högre än Euro VI standard 3 2 1 Trad. marina bränslen LNG Trad. marint bränsle med SCR Euro V, 2008 Euro VI, 2014 Tier III, 500 rpm 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Last (%) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 15
EF PN (#/kwh) Resultat Antal partiklar (PN) Jämförelse mot Euro VI 1E+17 Totala PN-emissionen (volatila+solida) Euro VI: 6.0*10 11 #/kwh För partiklar >23 nm och solida. 1E+16 1E+15 1E+14 Minskning >95% Motsvarande värde för LNG: 3*10 11 #/kwh (alla storlekar: 1*10 12 #/kwh) 1E+13 1E+12 0 20 40 60 80 100 Engine load (%) Bränsle som uppfyller SECA-2015 LNG Bränsle som inte uppfyller SECA 2015 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 16
Resultat Partikelmassa (PM) och storlek Massan av emitterad partiklar minskade med ca 99% jämfört med traditionella marina bränslen. Beror på att partikelemissionen främst består av mycket små partiklar (diameter < 50 nm). 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 17
EF dn/dlogdp (#/kwh) Resultat Partikelmassa (PM) och storlek 1,40E+13 1,20E+13 1,00E+13 Hög last Liknande för övriga laster, men minskad andel volatila partiklar med reducerad last 8,00E+12 6,00E+12 Totala partikelemissionen Solida fraktionen 4,00E+12 2,00E+12 1,00E+07 5 50 500 Dp (nm) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 18
Resultat - Vart kommer partiklarna ifrån? Ursprung? Tre möjligheter: LNG pilotbränslet (MGO) och smörjoljan Varför? Spår av oorganiska ämnen relaterade till smörjolja (Ca, P & Zn) och diesel (S, Ca & Fe) fanns i emitterad partiklar. Liten sannolikhet att LNG (metan) bildar solida partiklar. Stora partiklar i emissionen, som antas komma från smörjolja eller pilotbränslet. 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 19
Resultat Blir allt bättre med LNG? Nej! Högre emissioner av CO och kolväten med LNG jämfört med traditionella marina bränslen. Kolväte-emissionen: 85% metan metanslip: 0.8% hög last och 2.7-4.1% för låg last (relateras till andra dual-fuel motorer) Metan viktigt ur klimatsynpunkt: Högre GWP för metan jämfört med CO 2 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 20
EF CO (g/kwh) Resultat Blir allt bättre med LNG? 6,00 5,00 4,00 CO emission (g/kwh) LNG: 1.3-4.8 g/kwh Marina bränslen: 0.2-2.7 g/kwh 3,00 2,00 Trad. marina bränslen LNG 1,00 0,00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Last (%) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 21
EF THC (g/kwh) Resultat Blir allt bättre med LNG? 3,00 2,50 2,00 Kolväte emission (g/kwh) LNG: 0.4-2.7 g/kwh Marina bränslen: 0.03-2.0 g/kwh 1,50 1,00 Trad. marina bränslen LNG 0,50 0,00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Last (%) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 22
SO 2 -emission Inga mätresultat, pga interferens mellan SO 2 och metan Antar att SO 2 emissionen är låg (0.05% S i MGO och under 0.1 ppm-mol S i LNG) 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 23
Sammanfattning LNG medför: Minskning i emission av partiklar (PN & PM), SO 2, NO X och CO 2 Ökning av CO och kolväten (THC) NO X : högre än Euro VI PN: lägre än Euro VI Hantering av metan-slip! PN PM CO 2 NO X SO 2 CO THC PN PM CO 2 NO X SO 2 CO THC LNG Trad. marina bränslen 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 24
Veta mer? Välkommen på min disputation, 3 juni kl 10:00 i sal Alfa hus Saga Chalmers Lindholmen Titel: Particle Emissions from Ships Measurements on Exhausts from Different Marine Fuels 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 25
Frågor och funderingar? Tack för er uppmärksamhet! Kontakta mig gärna om ni har ytterligare frågor! maria.zetterdahl@chalmers.se Maria.zetterdahl.83@gmail.com 5/17/2016 Chalmers Department of Shipping and Maritime Technology 26