Hvordan påvirker brug af biobrændstoffer emissionen fra vejtransportsektoren

(1)

Hvordan påvirker brug af

biobrændstoffer emissionen fra vejtransportsektoren

Aalborg Trafikdage 2012 27-28 august, 2012

Morten Winther

¹

(mwi@dmu.dk), Flemming Møller

¹

, Marlene S. Plejdrup

¹

, Thomas C. Jensen

²

1

Institut for Miljøvidenskab, Aarhus Universitet

2

Danmarks Tekniske Universitet, DTU Transport

(2)

Disposition

› Introduktion

› Aktivitetsdata

› Trafikarbejde

› Energidata

› Emissionsfaktorer

› Baseline emissionsfaktorer

› Biofuel emissionsforskelle

› Resultater

› Konklusion

(3)

› Emissionsberegningerne er lavet i REBECa: Renewable Energy in the transport sector using Biofuels as Energy Carriers

› REBECa er et integreret forskningsprojekt (projektperiode 2007-2012) bevilliget af Det Strategiske Forskningsråd (Energi og Miljø)

› Formålet med REBECa er at vurdere miljøpåvirkningen af emissioner, luftkvalitet og helbred, ændringer i ressourceforbrug og

arealanvendelse. Derudover inddrages økonomiske og sociologiske aspekter af den fremtidige brug af biodiesel og bioetanol i dansk

vejtransport

Introduktion

(4)

› En baseline (65 og 100$) og to biofuel scenarier (BS1/BS2) i REBECa

› 5.75 % biofuel (energi) i 2010 ~ EU direktiv

› BS1: 10 % i 2020-2030 ~ EU mål

› BS2: 25 % i 2030

› Scenarieår: 2010, 2015, 2020, 2025 og 2030

› Energiforbrug og emissioner (CO

₂

, SO

₂

, NO

_x

, PM, CO, VOC)

(5)

› Trafikprognose beregnet af DTU ($65 og $100/tønde) baseret på Infrastrukturkommissionens arbejde (2008)

Kilde: Energistyrelsen

(6)

Aktivitetsdata – Trafikarbejde ($65)

Gasoline passenger cars

0 5 10 15 20 25 30 35

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Total mileage km x 109

PRE ECE ECE 15/00-01 ECE 15/02 ECE 15/03

ECE 15/04 Euro 1 Euro 2 Euro 3

Euro 4 Euro 5 Euro 6

Diesel passenger cars

0 5 10 15 20 25 30 35

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Conv. Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6

Gasoline vans

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Diesel vans

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Trucks

0 2 4 6 8 10 12 14 16

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Conv. Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI

Buses

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

200 4

200 6

200 8

201 0

201 2

201 4

201 6

201 8

202 0

202 2

202 4

202 6

202 8

203 0

Conv. Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI

› Kilder: DTU Transport (samlet trafikarbejde); Danmarks Statistik (samlet bestand);

Vejdirektoratet (underkategorier og 1. registreringsår)

(7)

Aktivitetsdata – Energi input

› Biodiesel: fuld iblanding

› Energi → Volumen basis omregnet vha. massefylde (ρ) og brændværdi (LHV)

› ρ (B0/B100) = 0,84/0,88 kg/l

› LHV (B0/B100) = 42,7/37,6 MJ/kg

Volume based biodiesel % in biofuel scenarios

0 5 10 15 20 25 30

201 0

201 1

201 2

201 3

201 4

201 5

201 6

201 7

201 8

201 9

202 0

202 1

202 2

202 3

202 4

202 5

202 6

202 7

202 8

202 9

203 0

B%V BS1

BS2

LHV for biodiesel blends in biofuel scenarios

40,6 40,8 41 41,2 41,4 41,6 41,8 42 42,2 42,4 42,6

201 0

201 1

201 2

201 3

201 4

201 5

201 6

201 7

201 8

201 9

202 0

202 1

202 2

202 3

202 4

202 5

202 6

202 7

202 8

202 9

203 0

LHV (MJ kg-1 )

BS1 BS2

(8)

Aktivitetsdata – Energi input

› Bioetanol: Al benzin er E5, etanoloverskud → FFV biler (E85)

› Energi → Volumen basis omregnet vha. massefylde (ρ) og brændværdi (LHV)

› ρ (E0/E100) = 0,75/0,79 kg/l

› LHV (E0/E100) = 43,8/26,7 MJ/kg

Volume and energy based ethanol blend ratios for E5 and E85

5 3,27

85 78,4

95 96,7

15 21,6

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

E5 %V E5 %E E85 %V E85 %E

Gasoline Ethanol

Lower heating values for neat gasoline, E5 and E85

43,8 42,9

29,2

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

E0 E5 E85

LHV (MJ kg-1)

(9)

Emissionsfaktorer – Baseline

NO_x emission factor - gasoline cars

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

PR E EC

E

ECE 15 /00-01

ECE 15/02 ECE 15/03

ECE 15/04 Euro 1

Euro 2 Euro 3

Euro 4 Euro 5

Euro 6

g pr km

NO_x emission factor - Trucks

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Conv. Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro IV

g pr km

› Layers: EU emissionslovgivning, brændstoftype, motorstørrelse/totalvægt

› By/land/motorvej (afledt af rejsehastighederne)

› Koldstart (personbiler og varebiler)

› Katalysatorslid (benzinpersonbiler og varebiler)

› Fordampning af kulbrinter (benzinkøretøjer)

(10)

Biofuel emissionsforskelle: E5/E85 vs E0

› E5 vs E0: Martini et al. (2007), Delgado (2003), Hull et al. (2005)

› I alt 9 biler (2 Euro 3/6 Euro 4/1 ældre), test cyklus EU NEDC

› E85 vs E5: de Serves et al. (2005), Westerholm et al. (2008), Martini et al. (2009), Pelkmans et al. (2010), AVL MTC (2011)

› I alt 25 biler, E5 er referencebrændstof, test cyklus: EU NEDC; ARTEMIS Urban, Rural and Highway

› AVL MTC (2011) repræsenterer synsdata for 17 biler i Sverige, der er tilføjet efter REBECa

E5 vs. neat gasoline

6,7

-4,8 0,3

0,5

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

Fuel (MJ) CO VOC NOx

ki (%)

E85 vs. E5

11,3 4,5

-1,1 18,2

-2,9

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

CO Fuel (MJ) HC NOx TSP

ki (%)

(11)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ki %

Biodiesel blend ratio (%B) Trucks and buses

NOx Euro 0-III NOx Euro IV-V TSP Euro 0-III TSP Euro IV-V Fuel

Diesel cars and vans

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Biodiesel blend ratio (%B) ki %

CO NOx PM VOC

Linear (VOC) Linear (NOx) Linear (CO) Linear (PM)

Tunge køretøjer: EPA (2002) for Euro 0-3; McCormick et al. (2005) for Euro 4-5, understøttet af andre studier

Lette køretøjer: Fontaras et al. (2007 & 2008; Euro 3 NEDC/ARTEMIS), Martini et al. (2007; 2 Euro 3 NEDC), Durbin et al. (2007; FTP/US06).

Biofuel emissionsforskelle: Stigende biodiesel andel

(12)

• 2004-2030: Energiforbrug (og CO₂) stiger med 43 %.

• Største stigning for tunge køretøjer (51 %) og varebiler (48 %), pga.

trafikkens vækst.

• 2004-2030: NO_x emissionerne falder med 81 %.

• Mindre fald for personbiler (72 %) pga. stigende andel dieselbiler i prognose.

Baseline scenario - Energy consumption

0 20 40 60 80 100 120 140

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030

PJ

2-w heelers Cars Trucks and buses Vans

Baseline scenario - NO_x emissions

0 10000 20000 30000 40000 50000

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030

Tons

(13)

• 2004-2030: VOC emissionerne falder med 78 % (CO: 82 %).

• 2-hjulere bliver den største kilde mellem 2018-2023, pga. mindre skrap EU lovgivning.

• 2004-2030: PM emissionerne falder med 89 %.

• Mindre fald for personbiler (83 %).

Faktisk stiger emissionen i starten af perioden, pga. det store nysalg af dieselpersonbiler.

Baseline scenario - VOC emissions

0 5000 10000 15000 20000 25000

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030

Tons

Baseline scenario - TSP emissions

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030

Tons

(14)

› GIS fordelte resultater på 1 km x 1 km → detaljeret rumlig fordeling

› GIS resultaterne er input til spredningsberegninger i REBECa

(15)

% forskelle mellem reference scenario og BS1 og BS2

› CO₂ emissioner falder i takt med indfasningen af biobrændstof (konventionsmetode)

› NO_x og VOC: Emissionsforskelle er højst 3 %

› CO og PM: De største emissionsforskelle, hhv. 5 % og -12 %, ses i 2030 for BS2 (25 %)

› Total PM (udst.+ slid): Emissionsforskellene bliver betragteligt lavere

Trafikfremskrivning: 65 $

År Energi NO_x VOC CO CO₂ TSP TSP PM₁₀ PM_2.5

Exh. Exh. + Non exh.

BS1 2010 -0.2 1.5 -2.5 0.4 -5.9 -3.6 -1.6 -2.0 -2.5

2015 -0.3 1.5 -1.5 0.7 -8.2 -4.8 -1.5 -2.0 -2.8

2020 -0.4 1.7 -0.5 1.3 -10.4 -5.9 -1.2 -1.7 -2.5

2025 -0.4 1.7 0.2 1.7 -10.4 -5.6 -0.6 -0.9 -1.5

2030 -0.4 1.5 0.4 2.0 -10.4 -5.1 -0.4 -0.6 -0.9

BS2 2010 -0.2 1.5 -2.5 0.4 -5.9 -3.6 -1.6 -2.0 -2.5

2015 -0.4 1.9 -1.5 0.9 -10.9 -6.5 -2.1 -2.7 -3.7

2020 -0.7 2.4 0.0 2.0 -15.9 -9.0 -1.8 -2.6 -3.8

2025 -0.9 2.9 1.8 3.6 -20.9 -11.0 -1.3 -1.9 -3.0

2030 -1.1 2.8 3.3 5.2 -25.8 -12.2 -0.9 -1.3 -2.2

(16)

• Vær opmærksom på figurernes enheder!

• Størst absolut NO_x forskel i 2017. Herefter fald i absolutte forskelle især pga. baseline emissionernes fald

• Fra 2012 og frem udgør Euro V den største del af emissionsforskellene. Derefter bliver Euro V’s emissionsbetydning mindre pga. disse køretøjers fald i trafikarbejde

Total NOx emissions - baseline scenario

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

2004 2006

2008 2010

2012 2014

2016 2018

2020 2022

2024 2026

2028 2030

Tons

Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI

NO_x emission changes - BS2 vs. baseline

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

2004 2006

2008 2010

2012 2014

2016 2018

2020 2022

2024 2026

2028 2030

Tons

Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI

Tunge køretøjer (65$) NO

_x

: baseline og BS2 vs baseline

(17)

› CO₂ emissioner falder i takt med indfasningen af biobrændstof (konventionsmetode)

› For at vurdere den fulde CO₂ effekt er det dog nødvendigt at lave en W-t-W analyse

› W-t-W i REBECa: Slentø et al. (2010) inkluderer ændring i arealanvendelse, mindre biomasse til energiproduktion, og den faktiske fremstilling af biobrændstof

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

2004 2010 2015 2020 2025 2030

PJ

Baseline BS1 BS2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2004 2010 2015 2020 2025 2030

PJ

Baseline BS1 BS2

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

2004 2010 2015 2020 2025 2030

kTons

Diesel - CO₂emissions

Baseline BS1 BS2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

2004 2010 2015 2020 2025 2030

kTons

Gasoline - CO₂emissions

Baseline BS1 BS2

(18)

Konklusion

› For baseline (65$) beregnes store emissionsforskelle mellem 2004 og 2030 for NO

_x

(81 %), PM (89 %), CO (82

%) og VOC (78 %) pga. skrappere emissionskrav i EU

› Energiforbrug og CO

₂

emissioner stiger med 43 % pga.

trafikkens vækst

(19)

Konklusion

› Emissionseffekten af at introducere biobrændstof er lille:

› NO

_x

og VOC: Emissionsforskellene er højst 3 %

› CO og PM (udst.): Største forskelle, hhv. 5 % og -12 %, beregnes i 2030 (BS2: 25 % biofuel)

› Total PM (udst. + slid): Emissionsforskellene bliver markant lavere

(20)

Konklusion

› CO

₂

emissionerne falder lineært med stigende biobrændstofandel (konventionsmetode)

› W-t-W analysen i REBECa omfatter ændring i arealanv., mindre

biomasse til energiproduktion, og den faktiske fremstilling af

biobrændstof; og giver noget lavere samlede CO

₂

besparelser

(21)

Referencer

Winther, M., Møller, F., Jensen, T.C. 2012: Emission consequences of introducing bio ethanol as a fuel for gasoline cars, Atmospheric Environment 55 (2012) 144-153.

Winther, M., 2010, Unit transformation functions from energy to volume and general

expressions of fuel consumption and emission factor functions for biofuel blends used in the REBECA project, internal research note 7 pp.

Winther, M. 2009: Emission Differences between Petroleum based Diesel and different Biodiesel Blend Ratios for Road Transport Vehicles. Transport and Air Pollution Symposium - 3rd

Environment and Transport Symposium, nr. 17, Toulouse, France, 2. june 2009 - 4. june 2009.

Slentø, E., Møller, F., Winther, M. Mikkelsen, M.H., 2010: Samfundsøkonomisk well-to- wheelanalyse af biobrændstoffer. Scenarieberegninger for rapsdiesel (RME) og 1.- og 2.- generations bioethanol. Danmarks Miljøundersøgelser, Aarhus Universitet. 130 s. – Faglig rapport fra DMU nr. 797. http://www.dmu.dk/Pub/FR797.pdf (in Danish).

(22)

Hvordan påvirker brug af biobrændstoffer emissionen fra vejtransportsektoren