Emissioner af drivhusgasser fra tunge

(1)

V E R S I T E T

Morten Winther & Steen Solvang Jensen

U N I

Emissioner af drivhusgasser fra tunge

køretøjer på biogas

(2)

DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE

28. a ug ust 2017 Tra fikd a g e 2017

28.-29. a ug ust 2017

Indledning

2

− I Danmark er det politiske mål en omstilling til et lavemissionssamfund inden 2050

− Vejtransport er en stor kilde til emission af drivhusgasser (GHG)

− For lette køretøjer kan elbiler og plug-in hybrider elektrificere bestanden i fremtiden. Brint er også en mulighed

− El til lastbiler er ikke en realistisk mulighed pga. køretøjsvægt og begrænset mulighed for hyppig opladning

− Biodiesel som brændstof begrænses måske af de tilgængelige

mængde af bioressourcer i samfundet

(3)

28.-29. a ug ust 2017

Indledning

3

− Naturgas (metan eller CH

₄

) virker i stedet som det mest lovende brændstofalternativ for tunge køretøjer i Danmark

− Danmark har et stort potentiale for biogasproduktion fra forskellige organiske kilder, f.eks. gylle, halm og

husholdningsaffald

− Efter o pgradering (biogas → naturgas), kan biogassen fordeles i det eksisterende naturgasnet

− Derfor er der en stærk politisk, administrativ og kommerciel

interesse for udnyttelse og anvendelse af biogas i Danmark

(4)

28.-29. a ug ust 2017

Indledning

4

− Denne præsentation forklarer CH

₄

tabet og de samlede GHG emissionsbesparelser ved at bruge opgraderet biogas som brændstof til tunge køretøjer i Danmark.

− Der fokuseres på emissionerne i forbindelse med køretøjernes drift og emissionerne fra tankning af brændstoffet.

− Emissionerne beregnes for scenarieåret 2035, hvor nysalget

antages at skifte fra dieseldrevne Euro VI køretøjer til Euro VI

CNG eller LNG-køretøjer i de foregående år

(5)

28.-29. a ug ust 2017

Indhold

5

− Total energiforbrug for lastbiler og busser i diesel reference scenariet

− Kort beskrivelse af CNG (Compressed Natural Gas) og LNG (Liquefied Natural Gas) køretøjer, og de hovedantagelser der gøres i biogas scenariet

− Kilder til CH

₄

for CNG/LNG, og vise høj/lav CH

₄

tab faktorer

− Resultater for emissionsscenarierne

− Konklusion

(6)

AARHUS UNIVERSITY

6

Diesel reference scenariet

− De tunge køretøjer opdeles i sololastbiler, lastbiler m. anhænger/sættevogn og busser

− FC = N_veh x Åk_ann (km) x E_FC (MJ/km)

− Bestande, årskørsler og hastigheder: DTU og Vejdirektoratet

− Bestand og faktorer for energiforbrug opdeles i EU trin: Pre Euro og Euro I-VI

Type/size Sololastbiler 3,5 - 7,5t Sololastbiler 7,5 - 12t Sololastbiler 12 - 14 t Sololastbiler 14 - 20t Sololastbiler 20 - 26t Sololastbiler 26 - 28t Sololastbiler 28 - 32t Sololastbiler >32t TT/ AT 28 - 34t TT/ AT 34 - 40t TT/ AT 40 - 50t TT/ AT 50 - 60t TT/ AT >60t

Rutebusser <15t Rutebusser 15 - 18t Rutebusser >18t Turistbusser <15t Turistbusser 15 - 18t Turistbusser >18t

TT/AT: m. anhænger el. sættevogn

(7)

28.-29. a ug ust 2017

7

− Euro VI dominerer mere og mere efterhånden som de gamle teknologier udfases

− Energiforbrugsandelene for Euro VI beregnes til hhv. 81 %, 95 % og 99 % i 2020, 2025 og 2030

0 1 2 3 4 5

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035

PJ

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

0 5 10 15 20 25

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035

PJ

0 1 2 3 4 5 6

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035

PJ

Energiforbrug for rutebusser

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

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035

PJ

Energiforbrug for turistbusser

(8)

28.-29. a ug ust 2017

8

− Størst energiforbrug 40-50t og 34- 40t trucks; hhv. 46 % og 21 %

(bemærk skaleringen på akserne).

− 2035: I alt 45 PJ diesel. En total omstilling til naturgas kræver 48 PJ, pga. dårligere brændstoføkonomi for gaskøretøjer

Euro VI diesel i nærmere detaljer

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

PJ

Energiforbrug for Euro VI lastbiler i 2035

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

PJ

Energiforbrug for Euro VI busser i 2035

(9)

28.-29. a ug ust 2017

CNG køretøjer – kort beskrivelse

9

− CNG: Compressed Natural Gas

− Brændstoffet opbevares ombord i tryktank (200-260 bar)

− SI motor der fungerer på samme måde som en benzinmotor

− Dagens CNG biler opfylder Euro VI normen, og er udstyret med katalysator

− CNG har kortere kørerækkevidde pr. tank sammenlignet med diesel

(10)

28.-29. a ug ust 2017

CNG køretøjer – kort beskrivelse

10

− CNG brændstoføkonomi ift. diesel:

Store forskelle i testresultater.

− Et 19 % højere gennemsnitligt forbrug på 19 % blev bestemt i Rammevilkårsrapporten¹

− Højere forbrug pga. lavere

kompressionsforhold i motoren samt spjæld i indsugningen.

− Fremtidige motorer uden spjæld forventes at forbedre

brændstoføkonomien væsentligt

− I projektet bruges en 10 % højere energiforbrugsfaktor for CNG i biogasscenariet i 2035

1COWI/ Energistyrelsen: Rammevilkår for gas til tung vejtransport, 150 s., december 2014

(11)

28.-29. a ug ust 2017

CNG køretøjer – kort beskrivelse

11

− CNG brændstoføkonomi ift. diesel:

Store forskelle i testresultater.

− Et 19 % højere gennemsnitligt forbrug på 19 % blev bestemt i Rammevilkårsrapporten¹

− Fremtidige motorer uden spjæld i indsugningen forventes at forbedre brændstoføkonomien væsentligt

− I projektet bruges en 10 % højere energiforbrugsfaktor for CNG i biogasscenariet i 2035

(12)

28.-29. a ug ust 2017

CNG køretøjer – kort beskrivelse

12

− NO_x og partikler: Ingen signifikante emissionsforskelle mellem naturgas og diesel Euro VI, baseret på de begrænsede måledata der eksisterer pt.^1,2

2Teknologisk Institut (2015): Måleprogram for tunge CNG køretøjer, 60 s., oktober 2015

(13)

28.-29. a ug ust 2017

CNG køretøjer – substitution

13

− CNG erstatter diesel sololastbiler og busser i biogas scenariet

− CNG kan opfylde mindre lastbiler og bussers behov for kørselsrækkevidde

− Der er CNG lastbiler til salg i Danmark (op til 320 hk)¹, en god forudsætning

1www.gasbiler.info:Naturgaskøretøjer til salg I Danmark, Dansk Gasteknisk Center

(14)

28.-29. a ug ust 2017

LNG køretøjer – kort beskrivelse

14

− LNG: Liquefied Natural Gas

− Brændstoffet opbevares ombord i vakuumisolerede tanke (3-10 bar, -160

oC)

− Dual fuel engine (bruger 5 % diesel som pilotindsprøjtning); fungerer som en dieselmotor

(15)

28.-29. a ug ust 2017

LNG køretøjer – kort beskrivelse

15

− Emissioner svarende til Euro VI, udstyret med DOC, SCR og DPF

− Længere km rækkevidde end CNG, pga. mere brændstof ombord

− Brændstoføkonomi: 10 % dårligere end diesel (ICCT, 2015)¹

1Delgado, O., Muncrief, R.: Assessment of heavy-duty natural gas vehicle emissions: Implications and policy recommendations, The International Council on Clean Transportation (ICCT), White Paper, 34 pp., July 2015

(16)

28.-29. a ug ust 2017

LNG køretøjer – kort beskrivelse

16

− LNG erstatter de største lastbiler (m. anhænger eller sættevogn) i biogas scenariet

− LNG opfylder behovet for stor km rækkevidde for største lastbiler

− Motorstørrelser op til 600 hk er allerede på markedet f.eks. i USA

− Indførelsen af LNG som brændstof til vejtransport i Europa understøttes EU direktiv 2014/94, der pålægger medlemslandene at etablere en

infrastruktur med LNG tankningsfaciliteter langs de vigtigste

hovedfærdselsårer (TEN T: Trans European Road Network) i EU inden 2025.

(17)

28.-29. a ug ust 2017

CH

₄

tab fra CNG køretøjer

¹

17

− Kilder for CNG:

− CH₄ i udstødningen

− CH₄ fra krumtaphuset: ”blow by emissions”, læk af CH₄ mellem stempelringe og cylindervægge, der efterfølgende slipper ud i den omgivende luft

(18)

28.-29. a ug ust 2017

CH

₄

tab fra LNG køretøjer

¹

18

− Kilder for LNG:

− CH₄ i udstødningen

− CH₄ udluftning pga. trykregulering i brændstofindsprøjtningssystemet

− Derudover udluftes CH₄ af sikkerhedsmæssige årsager ved trykudløsning fra LNG-køretøjernes brændstoftank

(19)

28.-29. a ug ust 2017

CH

₄

tab på tankstationerne

¹

19

 CH₄ tab fra rør og rørsamlinger (CNG)

 Små CH₄ udslip ved til- og frakobling af tankdyser i forbindelse med tankning af køretøjet

 CNG: Kompressortab

 LNG: CH₄ afdampning fra lagertankene

 LNG: CH₄ udluftning fra køretøjernes brændstoftanke før tankning

(20)

28.-29. a ug ust 2017

Emissionsfaktorer og faktorer for CH

₄

tab

20

− Diesel reference scenariet:

 CH₄, N₂O: COPERT IV emissionsmodellen

 CO₂: Energistyrelsen (10 % iblanding af biodiesel)

− CNG/LNG:

 CH₄ tab: ICCT (2015) baseret på litteraturstudie

 CH₄ i udstødningen: DTI (2015)¹, målinger på Euro VI motorer

1Teknologisk Institut (2015): Måleprogram for tunge CNG køretøjer, 60 s., oktober 2015

CH4 tab (% af brændstof leveret)

CH4 kilde Ref. Lavt tab Højt tab

Udstødning DTI (2015) 0,003 0,2

Motortab/tankfordampning ICCT (2015) 0,4 0,8

Tankstation ICCT (2015) 0,3 0,3

(21)

28.-29. a ug ust 2017

Beregningsmetode

21

› E_CH4 = CH₄ emission (tons)

› FC_GJ = Energiforbrug (GJ) for dieselkøretøjer i reference scenariet

› 1,1: Skaleringsfaktor for brændstoføkonomi for gaskøretøjer der erstatter dieselkøretøjer.

› LHV_CH4 = Nedre brændværdi (LHV: Lower heating value) for CNG/LNG brændstof (47,96 GJ/tons; Energistyrelsen, 2014)

› LF_CH4 = Kildespecifik tabsfaktor for CH₄ (% af leveret brændstof

𝐸𝐸_{𝐶𝐶𝐶𝐶4} = 𝐹𝐹𝐶𝐶_{𝐺𝐺𝐺𝐺} × 1.1

𝐿𝐿𝐶𝐶𝐿𝐿_{𝐶𝐶𝐶𝐶4} × 𝐿𝐿𝐹𝐹_{𝐶𝐶𝐶𝐶4}⁄100

(22)

22

− CH₄ tabet fra hver enkelt kilde er proportional med kildens

brændstofrelaterede emissionsfaktor. Ved højt tab er CH₄ emissionen 84

% højere end ved lavt tab.

− Både ved højt og lavt tab er motortab/tankfordampning den største CH₄ kilde (57 %, 62 %) fulgt af tankstation (43 %, 23 %) og udstødning (0,4 %, 15 %), lav/høj procentandele i parentes.

0 50 100 150 200 250 300 350

Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab

ktons CO2-ækv.

2035 CH₄tab - bio gas scenarie

Udstødning

Motortab/tankfordampn ing

Tankstation Total

(23)

23

− ”Tank-to-wheel” emissioner

 Ved lavt/højt CH₄ tab reduceres drivhusgasserne med hhv. 91 % og 86 % ift. til diesel reference scenariet

− ”Pump-to-wheel” emissioner:

 Ved lavt/højt CH₄ tab reduceres drivhusgasserne med hhv. 88 % og 84 % ift. til diesel reference scenariet

− CO₂ kommer fra ”5 %” diesel pilotindsprøjtning, N₂O biogas = diesel

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Reference Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab ktons CO2-ækv.

2035 tank-to-wheel emissioner

CH4 N2O CO2 Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Reference Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab ktons CO2-ækv.

2035 pump-to-wheel emissioner

CH4 N2O CO2 Total

(24)

28.-29. a ug ust 2017

Konklusion

24

− Inputfaktorerne for CH₄ tabet anses som relativt usikre og resultaterne kan derfor ændre sig, hvis nye tabsfaktorer bliver tilgængelige.

− Baseret på de valgte inputfaktorer bliver CH₄ tabet 84 % højere ved højt tab ift. lavt tab.

− Motortab/tankfordampning er den største kilde til CH₄ emission, fulgt af tankstationer og udstødning.

(25)

28.-29. a ug ust 2017

Konklusion

25

− Der kan opnås betragtelige drivhusgasreduktioner i både Tank-to-wheel og Pump-to-wheel situationen:

− Hvis ”pilot” brændstoffet er ren biodiesel forøges reduktionerne med 4 % point

Lavt CH₄ tab Højt CH₄ tab

Tank-to-wheel 91 % 86 %

Pump-to-wheel 88 % 84 %

(26)

28.-29. a ug ust 2017

Konklusion

26

− (Udenfor rammerne af dette studie) opstår der CH₄ tab ved produktionen af biogassen og ved distribution af gassen til tankstationerne

− Omvendt bliver CH₄ besparelsen fra gyllehåndtering meget stor

(27)

28.-29. a ug ust 2017

Konklusion

27

− Det er dog muligt at give et estimat for CH₄ tabet ved biogasproduktion baseret på data fra et nyere dansk studie

 Målinger udført på ni biogasanlæg¹ gav et CH₄ tab på hhv. 4.2 % og 0.8 %, før og efter sporing og tætning af opdagede lækager.

 Når tabet ved produktion medtages kan lav/høj ”production-to-wheel”

drivhusgasreduktionerne beregnes til hhv. 82 % og 50 %, ift. diesel reference scenariet.

Emissionskæde Lavt CH₄ tab Højt CH₄ tab

Tank-to-wheel 91 % 86 %

Pump-to-wheel 88 % 84 %

Production-to-wheel 82 % 50 %

1Agrotech (2015): Metanemissioner fra danske biogasanlæg. Klimaeffekter af metanlækager fra biogasanlæg, 11 s., Maj 2015

(28)

28.-29. a ug ust 2017

28

Tak for jeres opmærksomhed!

Acknowledgment: The project “Biogas for transport - resources, environment and welfare economics” is carried out at DCE from 2014-2016. The project is an internal project under the Science Program for Sustainable Energy and Environment

(29)

28.-29. a ug ust 2017

Introduction

29

− For overview’s sake, the project consist of 8 WP’s:

› WP1, WP2: Biomass resources and potential biogas production (Jørgensen, Møller)

› WP3: Future energy demand of the transport sector with a focus on road transport heavy duty vehicles (HDV); (Jensen)

› WP4: Energy consumption and emissions of different HDV’s powered by upgraded biogas (Winther)

› WP5: Health-related external costs of air pollution (Brandt)

› WP6, WP7: Life-cycle Analysis and Cost-Benefit Analysis (Thomsen, Cong)

› WP8: Stakeholder involvement and dissemination of results (Jensen)

(30)

30

(31)

31

(32)

DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE

26 Ma y 2016 21^st Inte rna tiona l Tra nsp ort a nd Air Pollution Confe re nce

24^th-26^th Ma y 2016

Emission factors and CH

₄

loss factors

32

− CNG/LNG CH₄ exhaust: Danish Technological Institute (2015)

 Measurements for two CNG buses and one CNG truck – all certified as Euro VI

 WHTC test results were selected as realistic values

 CH₄ High[low] values of 0.196 %[0.003 %] per unit of fuel

 CH₄ High ~ 0.47 g/kWh, just below Euro VI limit (= 0.5 g/kWh)

1 Danish Technological Institute (2015): Measurement program for heavy CNG vehicles, 60 pp, Oct. 2015