Hvad er effekten for luftkvaliteten af brug af biobrændstoffer i vejtransportsektoren?
Steen Solvang Jensen, Allan Gross, Matthias Ketzel, Morten Winther, Marlene Plejdrup, Jørgen Brandt, Jesper Christensen
Institut for Miljøvidenskab, Aarhus Universitet, Danmark, ssj@dmu.dk
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Formål med delprojekt i REBECa
› beskrive effekterne for luftkvalitet af at introducere biobrændstoffer i vejtransportsektoren i Danmark
› beskrive de tilknyttede eksterne omkostninger ved luftforureningens sundhedseffekter
› belyse dette under forskellige antagelser om:
› iblandingsprocenter af biobrændstoffer
› udviklingen i olieprisen
› udviklingen i transportefterspørgslen
› fra 2004 til 2030
Metode
Urban Background Model (UBM)
Economic Valuation of Air Pollution (EVA) Health impact assessment
and external costs transport model (DEHM)
covering hemispheric to national scales
Urban Background Model (UBM)
Scenarios for sustainable energy,
transportation and urban planning
Scenarier for biobrændstoffer i vejtransportsektoren
Economic Valuation of Air Pollution (EVA) Sundhedsvurdering
og eksterne omkostninger Long - range chemistry
Long - range chemistry transport model (DEHM)
DEHM
UBM
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Danish Eulerian Hemispheric Model, DEHM
› Atmosfærisk kemi-transport model for den nordlige
halvkugle og Europa
› Stoffer: foto-kemiske stoffer og partikler (67 stoffer), POP,
PCB, HCH, PAH – 15 stoffer), kviksølv -7 stoffer), pollen, CO 2 , etc.
› 150 / 50 / 16,67 / 5,56 km gitteropløsning
› 29 vertical lag ~16 km
› Emission tagging feature
(Brandt et al.)
Emissioner til DEHM
› Globalt
› GEIA, EDGAR, RETRO (skovbrande), Corbet (skib)
› Europa
› EMEP (50x50 km 2 )
› Danmark
› AIS (skib) og REBECa
(Brandt et al.)
Europa
Danmark
Nordlige halvkugle
Alle sektorer uden vejtransport:
•Alle emissionskategorier er summeret efter SNAP koder til DEHM kørsler (17x17km
2)
4 emissionsår:
2004, 2010, 2020, 2030
Vejtransport:
•forskellige køretøjstyper
•udstødning og ikke-udstødning
•(1x1km
2)
Alle emissioner samlet i en kategori.
19 emissionsopdelinger:
•År: 2004, 2010, 2020, 2030
•Oliepris: 65$ og 100$
•Brændstof: fossil, HS1, HS2
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Forbedret geografisk opløsning for skibs- emissioner
Gl. SO 2 emissionsopgørelse Ny SO 2 emissionsopgørelse
~2 µg/m 3 af NO 2 i Kbh. (2007, 2020)
(Olesen et al. 2009)
Nationale emissioner på 1x1 km
› Geografisk fordeling af emissioner - SPREAD model
› Nationale
emissioner fordelt ud fra geografiske criterier
› fx vejemissioner ud fra trafikarbejde på 1x1 km 2 ud fra
vejnet og trafik data
(Plejdrup & Gyldenkærne 2011)
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Urban Background Model (UBM)
› UBM
› arealkilde spredningsmodel
› simpel foto-kemi
› interaktion med regional baggrund
› tidsseries af NO x , NO 2 , O 3 , CO, benzen og partikler
› Emission
› 1x1 km 2 emissionsgitter for areal kilder
› Meteorologi
› windhast., vindretning, temperatur, globalstråling, blandingshøjde
› meteorologiske data fraMM5 fra THOR system (150, 50 and 16.67 km 2 fra MM5)
› Regional konc. fra DEHM
Eksempel på DEHM-UBM beregninger for NO 2 for Hovedstadsområdet
Berkowicz, R. (2000)
Dynamisk kobling af DEHM til UBM
› Bybaggrundsmod el (UBM) får
opstrøms
koncentrationer fra regional model (DEHM) time for time
› Emissioner inden for 20 km er
inkluderet i UBM beregninger
København
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
EVA-system - eksterne omkostn. af luftforureing
› EVA system – Economic Valuation of Air pollution
› baseret på impact pathway metode fra ExternE
› enhedsomkostninger af luftforureningens
sundhedsomkostninger (kr./kg emission)
› total eksterne omkostn.
for forskellig sektorer og geografiske områder
(Brandt et al., Frohn et al.)
Scenarier
› Tre hovedscenarier fra 2004 til 2030 med forskellige oliepriser ($65 og $100 pr. tønde)
› Et referencescenarie med 0% biobrændstoffer i
vejtransportsektoren (benævnt”Bas_100$” og”Bas_65$”).
› Et scenarie hvor andelen af biobrændstoffer stiger til 10% i 2020 og derefter er konstant til 2030 (benævnt”HS1_100$”
og”HS1_65$”)
› Et scenarie hvor andelen af biobrændstoffer stiger til 25% i
2030 (benævnt”HS2_100$” og”HS2_65$”)
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
PM 2.5 emissioner fra vejtrafik
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Bas_100$
HS1_100$
HS2_100$
Bas_65$
HS1_65$
HC2_65$
› Den kombinerede effekt af øget trafikarbejde og skærpede EU
emissionsnormer er et samlet kraftigt fald i emissioner i fremtiden
› Lidt større effekt af høj iblanding (op til 25%) i forhold til lav iblanding (op til 10%)
› Men, forskelle i oliepris betyder mere for
emissionerne end effekten af bio- scenarierne
PM
2.5emissioner for vejtransportsektoren (udstødning og ikke-udstødning)
13
Bioscenarier minus reference for trafik
PM 2.5 (ton) (udstødning og ikke-udstødning)
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
14
Vejsektoremissioner i forhold alle sektorer
PM2.5 emissions for reference ($65)
0 5000 10000 15000 20000 25000
2004 2010 2020 2030
(to n
)PM2.5 road sector
PM2.5 other sectors
Eksempel på regionale koncentrationsforskelle i 2030 (HS2, $100) - (Bas_$100) i 2030
(ppb) (µg/m
3)
.
lille stigning pga. lille stigning i emission lille fald pga. lille fald i emission
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Koncentrationsforskelle i Hovedstadsomr.
› Scenarie med høj iblanding (25%) af biobrændstoffer i 2030 med oliepris på $100 (HS2_$100) minus referencescenariet (Bas_$100).
PM 2.5 NO 2
(ppb) (µg/m 3 )
lille fald pga. lille fald i emission lille NO 2 stigning tæt på trafikkilder pga. stigning
i NO x emission, men lille fald væk fra trafikkilder
pga. mindre regional ozon i bio-scenarie og
derfor mindre dannet NO 2 (NO + O 3 = NO 2 )
Bybaggrundskoncentrationer i Kbh.
Beregnede bybaggrundskoncentrationer ved H.C. Ørsted Instituttet i København i referencescenariet ($100)
Reference $100 NO
xNO
2O
3CO PM
10* PM
2.5*
µg/m
3µg/m
3µg/m
3µg/m
3µg/m
3µg/m
32004 21 18 60 207 11 10
2010 16 14 63 168 11 10
2020 9 8 68 134 7 5
2030 6 5 70 130 7 5
*Modellen beregner kun omkring halvdelen af den total masse, hvilket er et velkendt problem (mass closure problem)
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Betydning af biobrændstoffer for bybaggrund i København
0 2 4 6 8 10 12
2004 2010 2020 2030
Ref/Fosil ppb PM2.5 HS 2
_$100
(µg/m 3 ) PM 2.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2004 2010 2020 2030
Ref/Fosil ppb NO2 HS 2
_$100
(ppb) NO 2
Totale mulige parrede kørsler
((1+(2 oliepriser) x (3 fossil,Bio10%,Bio25%) x (3 år)) 2 -19) /2
= 171
Focus på mest relevante kørsler
X3 X2 X3 HS2
X2 X1 Fossil
100$
X3 X3 HS2 X1
Fossil 65$
2030
Fossil 65$/100$
2004
HS2 Fossil 100$
HS2 Fossil 65$
2030
Fossil 65$/
2004 100$
Year
Price
Fuel
X3 X2 X3 HS2
X2 X1 Fossil
100$
X3 X3 HS2 X1
Fossil 65$
2030
Fossil 65$/100$
2004
HS2 Fossil 100$
HS2 Fossil 65$
2030
Fossil 65$/
2004 100$
Year
Price
Fuel
Beregning af koncentrationsforskelle
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Mest relevante kørsler
› Betydning af årstal (udvikl. i trafikarbejde og Euronormer)
› Ref2004 – 2030 (fossil, $65)
› Ref2004 – 2030 (fossil, $100)
› Betydning af årstal og bio-iblanding (Max effekt)
› Ref2004 – 2030 (HS2, $65)
› Ref2004 – 2030 (HS2, $100)
› Betydning af bio-iblanding (for et givent år)
› 2030 (fossil,$65) – 2030 (HS2, $65)
› 2030 (fossil,$100) – 2030 (HS2, $100)
› Betydning af oliepris (for et givent år)
› 2030 (fossil,$65) – 2030 (fossil, $100)
› 2030 (HS2,$65) – 2030 (HS2, $100)
Eksterne omkostninger
Ændringer i eksterne omkostninger af luftforureningens sundhedseffekter for forskellige parrede scenarier. Totale omkostninger er givet for hele Europa og underopdelt for Danmark og Hovedstadsområdet.
Topic Parredescenarier
Europa (mio. euro)
Danmark (mio. euro)
Hovedstadsområdet (mio. euro)
Betydning af scenarieår (referencescenarie)
Base, 2004, $65 ↔ Base, 2010, $65 -535 -99 -13
Base, 2004, $65 ↔ Base, 2030, $65 -237500 -1501 -550
Base, 2004, $65 ↔ Base, 2010, $100 -588 -111 -19
Base, 2004, $65 ↔ Base, 2030, $100 -238500 -1511 -555
Betydning af oliepris Base, 2010, $65↔ Base, 2010, $100 -51 -11 -5,6
Base, 2030, $65 ↔ Base, 2030, $100 -36 -9,6 -4,4
HS2, 2010, $65 ↔ HS2, 2010, $100 -51 -11 -5,5
HS2, 2030, $65 ↔ HS2, 2030, $100 -31 -6,7 -4,9
Betydning af biobrændstof (HS2)
Base, 2010, $65 ↔ HS2, 2010, $65 5,3 -1,5 -1,1
Base, 2030, $65 ↔ HS2, 2030, $65 1,4 -2,2 -1,5
Base, 2010, $100 ↔ HS2, 2010, $100 4,9 -1,3 -,94
Base, 2030, $100 ↔ HS2, 2030, $100 1,7 -0,79 -1,0
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
CO 2 reduktion ved biobrændstoffer
› Stort potentiale for CO 2 reduktion
› Stor variation, selv negativt!
› Well-to-wheel analyse i REBECa, følsomt overfor antagelse om bi-produkter fx energiindhold i glycerin ved biodiesel produktion (energisubstitution for kul kontra input til medicinal
industri) (Slentø, E. et al. ; Figueroa, M. et al.)
Source: UNEP (2009) compiled from various studies.
Konklusion
› Den kombinerede effekt af øget trafikarbejde og
skærpede EU emissionsnormer er et samlet kraftigt fald i emissioner i fremtiden, som væsentligt forbedrer luftkvaliteten og reducerer sundhedsomkostningerne ved luftforurening
› For et givent scenarieår opnås der kun en marginal forbedring af luftkvaliteten ved iblanding af
biobrændstoffer
› Forskellen i oliepris betyder mere for emissioner og luftkvalitet end den marginale effekt af iblanding af biobrændstoffer
› Der kan være en positiv gevinst ved biobrændstoffer
for CO 2 afhængig af produktionsmåde
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Mere information om REBECa
› Projekt
› Resultaterne er en del af et større forskningsprojekt omkring biobrændstoffer i vejtransportsektoren ”Renewable Energy in the Transport Sector using Biofuels as an Energy Carrier”
(REBECa) finansieret af Det Strategiske Forskningsråd
› Hjemmeside
› rebeca.dmu.dk
› Synteserapport
› Frederiksen, P. et al. (2012): Synthesis Report for the REBECa project - Renewable Energy in the transport sector using
Biofuel as Energy Carrier. DCE Report No. xx-2012 (under
udgivelse).
Tak for opmærksomheden
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Supplementary slides
Baggrund
› Formål med brug af biobrændstoffer i transportsektoren:
› reducere klimaemissioner
› forbedre forsyningssikkerhed
› Europæiske Union
› EU Biofuel Directive med mål om 5,75% biobrændstof i 2010 i transportsektoren (EU 2005)
› EU forslag om 10 % i 2020 (EU 2006)
› EU mål om 10% vedvarende energi i transportsektor i 2020 (EU 2009). Ikke kun biobrændstof og krav til bæredygtighed af
anvendte biobrændstoffer
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
Udviklingen i olieprisen
Kilde: Energistyrelsen
Tagging to reduce numerical noise
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
The EVA system – Economic Valuation of Air pollution
Based on the impact pathway chain
Main output:
• Estimates of health impacts
• External cost
• kg prices
Population data
- based on the Central Person Register for
Denmark, together with European data for the other involved countries - resolution in the
regional scale calculations 16.67 km x 16.67 km
- resolution available for
local scale calculations 1
km x 1 km
AARHUS UNIVERSITET Trafikdage på Aalborg Universitet, august 2012
