Vägtrafikens bidrag till exponeringen för små och stora partiklar igår, idag och i framtiden Christer Johansson Institutionen för tillämpad miljövetenskap Stockholms Universitet SLB analys Miljöförvaltningen, Stockholm SCARP, 15 mars 2013
Bakgrund o upplägg Bakgrund Varför igår, idag och i framtiden? Upplägg Hälsoeffektstudier (epidemiologiska studier) Framtida hälsopåverkan o åtgärdsbehov Utsläpp o påverkan på primära avgas o icke-avgaspartiklar sekundära partiklar Aspekter om exponering Kunskapsluckor
Vägtrafiken oftast viktigast för halter o exponering i städer Biobränsleförbränning kan vara viktig för partikelutsläpp & halter
Emission inventories for Europe (part of EUCAARI) Europe's Top 11 sources of PM0.95 (tonnes) 0 100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 600 000 Residential combustion, wood and wood waste Road transport, exhaust diesel Other transport, exhaust diesel Power plants, coal Particle number EU(15) per sector PN (Z#) in the 1% EU(15)+ per sector Agricultural waste burning Industrial combustion, heavy oil Iron and steel works 22% 4% 1% Road transport, exhaust gasoline Food preparation Open hearth furnaces Industrial combustion, coal 8% 2% 3% 59% 0% 1 Energy transformation 2 Residential, commercial and other combustion 3 Industrial combustion 4 Industrial processes 5 Fossil fuel production 7 Road transport 8 Non-road transport 9 Waste treatment and disposal 10 Agriculture Dernier van der Gon et al., 2009, 201 Visschedijk et al., 2004, 2009
Primära partiklar från vägtrafiken Förbränningspartiklar Ultrafina, <0,1µm (antal) eller 0,1-0,3 µm (massa) Kondensationspartiklar 0,01-0,1 µm Bildas vid kylning och utspädning EGR, SCR, Ox.kat., CRT Sot 0,04-0,5 µm Bildas vid förbränningen Däcks- 0,01-0,1 µm Bildas med dubbar >10 µm? Slitage Däck- och slitagepartiklar Nano, < 0,1 µm Grova, >1 µm Broms- 0,1-5 µm Slitage Beläggnings- >0,5 µm Slitage Suspensions- >0,5 µm Suspension Vägbana Avgaser Bränsle Motorolja Bromsar Däck
PM10 överskridanden Europa mycket stor del p g a grova partiklar - icke-avgas utsläpp Non-exhaust PM10 av trafikbidraget: Urban: 50%-70% Trafik: 60%-80% Claudia Hak, Steinar Larssen, Scott Randall, Cristina Guerreiro, Bruce Denby, NILU
Betydligt mer PM10/NOx i luft jfrt med i avgaser Luft/avgas Rom: 3x Rottd. 2x Lond. 1x ----------- Oslo: 10x Air4EU
Giftig blandning (?) Brake material -heavy metals -Carcinogenic antimony -lead sulphide -phenol formaldehyde resins, -polycyclic aromatic hydrocarbons, -aluminium, -calcium carbonate, -Barium sulphate, -kaolinite clays, -graphite, -silica, -magnesium and chromium oxides, xylenes, ethylmethylbenzenes and -zirconium, Ziron, Molyddenite, carbon black, dimethylcyclohexenes cashew dust, rubber, glass, Kevlar, ceramic, potassium titanate fibres, chromite -other metal powders Road dust PM Brake and Tyre material along with stone minerals and other organic compounds, bacteria, mould spores, animal dander, pollen and pollen fragments. Tyres Organic compounds found within tyre material include: polycyclic aromatic hydrocarbons, benzothiazoles, toluene, styrene, methylethenylbenzenes, methyloctene, butadiene polymers, ethylbenzene, limonene, Zinc, copper, cadmium, magnesium, sodium, calcium, iron and antimony. Around 20% of the total zinc concentrations within aerosol samples in inner cities are thought to originate from tyre particles
Vägtrafikens utsläppen innehåller många viktiga grundämnen i PERIODISKA SYSTEMET
PM 10 [mg m -3 ] PM 10 [mg m -3 ] Relative PM10 concentraion (µg/m 3 ) Många faktorer påverkar utsläppen av ickeavgaspartiklar 6 Fordonshastighet 10 1 Summer tyre Nordic un-studded winter tyre Studded tyre 5 Studded tyre Friction tyre (non-studde win Summer tyre Vägbanans fuktighet 0.1 4 0.01 0.001 10 30 50 70 90 Simulator speed (km/h) Beläggningsegenskaper Textur Stenmaterial Stenstorlek Porositet 3 2 1 Städåtgärder 0 6 5 4 3 2 1 0 30 km/ h 50 km/ h Studded tyre Friction tyre (non-studde winter tyre) Summer tyre Däcktyp o bromstyp 70 km/ h 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Time [hh:mm] Studded winter tyres Non-studded Nordic winter tyres Summer tyres 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Avgas- & luftkvalitetsdirektiven borde ha samma ämnen! Annars försvåras uppföljningen AVGASER NO 2 ej reglerat Icke-avgaspartiklar ej reglerade (förutom HA-oljor, dubbdäcksanvändning..) Även antal partiklar är reglerade LUFT Värde (µg/m 3 ) NO 2 40 År PM10 40 År Medelvär destid 200 Timme Max 18 timmar 60 Dygn Endast Sverige Max 7 dygn 90 Timme Endast Sverige Max 175 timmar 50 Dygn Max 35 dygn PM2.5 25 År Från 2015 PM10-PM2,5 indikator på icke-avgaspartiklar PM-avgas ej reglerat
Sekundära partiklar Nitrat, sulfat, ammonium, OM Kväveoxider NO + NO 2 Svaveldioxid SO 2 Ammoniak NH 3 Organiskt VOC EGR avgasåterföring mindre NO 2 SCR selektiv katalytisk mindre NO 2 (urea) Ox.kat oxidations katalysator - mer NO 2 CRT continuously regenerating trap mer NO 2 Olika bränslen/motoroljor med olika svavelhalt påverkar SO 2
Ammoniakutsläpp SCR Selective catalytic reduction i HDV NOx reducering med AdBlue (32,5% Urea) 4 NO + 4 NH3 + O2 -> 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 -> 7 N2 + 12 H2O 4 NH3 + 2 NO + 2 NO2 -> 4 N2 + 6 H2O
Ammoniak, personbilar bensin, trevägskat. Höga ammoniakutsläpp vid höga o låga hastigheter samt vid acceleration Heeb et al., 2008
Personbilar i Sverige 1923-2011 5 000 000 4 500 000 4 000 000 3 500 000 20 18 3 000 000 16 2 500 000 14 Från T Ford till SUV Antal personbilar i trafik i Sverige, 1923-2011 Första vinterdäcket En period i Sverige, åren 1976-1982 med kraftigt stigande energipriser och svag ekonomisk tillväxt. Utsläpp av Nox i Sverige NOx utsläpp* Krav på katalytisk avgasrening Vinterdäckslagen 1990-tals krisen i Sverige 12 2 000 000 10 8 1 500 000 6 1 000 0004 Under krigsåren 1940-44 var de allra flesta personbilar i Sverige avregistrerade. 1973 inträffade den första oljeprischocken. Förbud mot asbest i bromsbel. 2 500 000 Första dubbdäcket 0 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 1923 1933 1943 1953 1963 1973 1983 1993 2003 0,8 L/mil! även etanol 1,1 L/mil *Almgren, Svenskt näringsliv, 2009
Trend i halter av små o stora partiklar från vägtrafiken?
NOx Historical air pollution modelling l 1960 1970 1980 1990 2000 1970
NOx Historical air pollution modelling l 1960 1970 1980 1990 2000
NOx Historical air pollution modelling 1960 1970 1980 1990 2000
NOx Historical air pollution modelling b 1960 1970 1980 1990 2000
NOx Historical air pollution modelling 1960 1970 1980 1990 2000
Svårare göra historiska kartor för partikelhalter!
Sot Göteborg Urbanmätnätet Senaste 20 åren: SO 2 : -64% Sot: -56% NO 2 : -44%
Avgaspartikelhalterna sjunker snabbare än NOx o NO 2 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 Antal partiklar NOX NO2 x 4-20% -44% -77% 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Stockholm, Hornsgatan
Framtida halter o exponering?
Emissionsfaktor (viktad) PM g/fkm Andel av totala trafikarbetet Stockholmsregionens bilpark 60.0% Trafikandelar Personbil bensin Personbil diesel 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% Utsläpp av avgas-pm (om lagkraven gäller i trafikmiljö) 10.0% 0.0% 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 2010 2013 2015 2020 PM avgas emission Personbil bensin Personbil diesel 2010 2013 2015 2020
V 34% 47% 6% 17% 0.1% 0% 2% 27% 2020 6.8% 32.9% 14.1% 4.9% 8.9% 2020 Avgas PM PC-D-Euro-6 PC-D-Euro-5 PC-D-Euro-4 PC-D-Euro-3 PC-D-Euro-2 PC-D-Euro-1 PC-D-Euro-0 HGV-D-Euro-VI HGV-D-Euro-V HGV-D-Euro-IV HGV-D-Euro-III HGV-D-Euro-II HGV-D-Euro-I HGV-D-Euro-0 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Personbilar Avgaspartiklar PBD 0% 1% 15% 34% 55.6% 53.6% 17% 16.8% 33.9% 14.1% 20.6% 11.6% 7.6% 5.5% 1.5% 2.3% 2.7% 2.6% 1.8% 4.0% 2010 2015 2020 Lastbilar o bussar Avgaspartiklar HGV 0% 8% 1% 6% 8.7% 27% 27% 7.7% 47.9% 37.4% 6.8% 32.9% 21.0% 14.9% 14.1% 5.9% 4.9% 4.9% 9.0% 7.1% 8.9% 2010 2015 2020
NOx Pb diesel Emissionsmodellerna underskattar verkliga utsläpp Prognoserna för optimistiska Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 NOx Lb diesel Jerksjö & Sjödin Euro I Euro II Euro III Euro IV
Framtida grova partiklar? Dubbandelen Sjunker Skatter i framtiden? Övervakningen/efterlevnaden? Andra källor? Åtgärders effekt Dammbindning Framtida fordon? Framtida klimat? Blötare vårar? Varmare?
Hur påverkas exponeringen av vägtrafikens utsläpp av fina o grova?
Vägtrafikens exponeringsbidrag komplexare än andra bidrag Komplex föroreningsblandning Partikelstorlek, ss., volatila o semivolatila gaser många m okända egenskaper Både hälso- o klimatpåverkande ämnen Både kortlivade o långlivade ämnen Tids- o rumsligt varierande Timme år, meter stad/land Individberoende utsläpp Förarbeteende Privat eller yrkestrafik Omgivningsfaktorer Trafikmiljö, bebyggelse Meteorologi, inte bara spridning utan även utsläppen påverkas Men kontrollsystem finns Trafikräkningar, avgaskrav, bilregistrering etc
Exponering (personer x µg/m 3 ) Exponering förbränningspartiklar Europas befolkning p g a utsläpp i Storstockholm! 700 000 600 000 500 000 Partikelexponering Europas befolkning utsläpp i Storstockholm NOx+SOx+NH3 Sekundära Förbränning 400 000 300 000 200 000 100 000 0 Vägtrafik, avgas Sjöfart Energi Småskalig ved Bergström, 2008
Exponering (personer x µg/m 3 ) Exponering förbränning+icke-avgas Europas befolkning p g a utsläpp i Storstockholm! 3 500 000 3 000 000 2 500 000 2 000 000 Partikelexponering Europas befolkning utsläpp i Storstockholm Främst grova partiklar! Icke-avgas NOx+SOx+NH3 Förbränning 1 500 000 1 000 000 500 000 0 Vägtrafik, avgas Sjöfart Energi Småskalig ved Bergström, 2008
Road transport particulate matter (PM) emissions are associated with adverse health effects. Stringent policies succeed in reducing the exhaust PM emissions, but do not address nonexhaust emissions from brake wear, tire wear, road wear, and suspension in air of road dust. In the near future the nonexhaust emissions will dominate the road transport PM emissions. Based on the limited available evidence, it is argued that dedicated research is required on nonexhaust emissions and dispersion to urban areas from both an air quality and a public health perspective. The implicated message to regulators and policy makers is that road transport emissions continue to be an issue for health and air quality, despite the encouraging rapid decrease of tailpipe exhaust emissions.
Fina partiklar Primära avgaspm Slutsatser Utsläpp i verkligheten högre än i avgaslab.? Validering behövs! Regleras inte i luftdirektivet, försvårar uppföljningen! Sekundära partiklar från vägtrafiken Viktigt bidrag till totala halter på regional skala, men kanske inte för hälsa? Hur stora är ammoniakutsläppen? Mätningar saknas. Icke-avgaspartiklar (mest grova) Är i stort sett oreglerade i emissionslagstiftningen Stor o ökande del av totala partikelexponeringen Stora osäkerheter i kvantifiering av Historisk exponering för fina o grova partiklar Framtida exponering för fina o grova partiklar
Del i SCARP II? Vägtrafikens bidrag till exponering hälsa o klimat för små och stora partiklar igår, idag och i framtiden