Kurssin alustava runko

Transkriptio

1 Ilmansuojelun perusteet 2008, luennot Tiistaisin ja torstaisin (20.3. ja ei opetusta) Paikka: B18, SH 5 (6.3. SH 6) Suoritus: luennot + ennakkotehtävä + harjoitustehtävät + tentti Kuulustelu ma , klo 1720 (tarkista viimeisin tieto netistä) Uusinnat ja (tarkista viimeisin tieto netistä) Luennoitsija: Kaarle Kupiainen, FT kaarle.kupiainen@nordicenvicon.fi tai kaarle.kupiainen@ymparisto.fi Kurssin materiaalit: Kurssin alustava runko 1. luento (ti 4.3.) Kurssin esittelyä, ennakkotehtävä 2. luento (to 6.3.) Ilmakehä 3. luento (ti 11.3.) Ilmastonmuutos 4. luento (to 13.3.) Ilmastonmuutos, harjoitustehtävä 5. luento (ti 18.3.) Stratosfäärin otsonikato, harjoitustehtävä Huom!! To ja ti ei luentoja!! 6. luento (to 27.3.) Troposfäärin otsoni, liikenteen päästöt, harjoitustehtävä 7. luento (ti 1.4.) Happamoituminen, ilmakehän hiukkasmaiset epäpuhtaudet, raskasmetallit ja POP:it, harjoitustehtävä 8. luento (to 3.4.) Yhdyskuntien ilman epäpuhtaudet, harjoitustehtävä 9. luento (ti 8.4.) Ilmansuojelun hallinto ja lainsäädäntö, harjoitustehtävä 10. luento (to 10.4.) Kurssiyhteenvetoa, harjoitustehtävä Aikataulu suuntaaantava, harjoitustehtäviin liittyviä esityksiä pidetään pitkin kevättä, esim alkaen 1

2 Otsoni Otsoni on hapen kolmiatominen molekyyli (O 3 ). Se on voimakas hapetin (myös ilmakehässä). Suurin osa auringon biologiselle elämälle haitallisesta ultraviolettisäteilystä jää otsonikerrokseen (stratosfäärissä), joten se suojaa maapallon elämää. Alailmakehän (troposfäärin) otsoni on ilmansaaste, jota syntyy ilmakemiallisesti päästöistä. Alailmakehän otsoni lämmittää ilmastoa Ilmansaasteet ja vaikutukset 2

3 Troposfää äärin otsonin lähteetl Ei merkittäviä suoria päästöjä (primääri) vaan muodostuu reaktiotuotteina (sekundääri) Kulkeutuminen stratosfääristä Muodostuminen valokemiallisissa reaktioissa troposfäärissä Puhtaassa ilmassa Saastuneessa ilmassa Kuvan Lähde: Suomen ympäristön tulevaisuus Korkeissa lämpötiloissa polttoilman typpi ja/tai polttoaineen typpiyhdisteet, muodostavat NO Reagoi ilmassa välittömästi kohdatessaan hapettimen Muodostuu NO 2 (hajoaa säteilyn vaikutuksesta tai hapettuu myös edelleen...) Muodostuminen 1 NO 2 O O 2 O 3 NO NO 2 + hv NO + O O + O 2 (+M) O 3 (+M) hv=lyhytaaltoinen näkyvä tai UVvalo (<430nm) 3

4 Muodostuminen 2 NO 2 O O 2 O 3 NO 1. vaihetta tasapainottava reaktio O 2 NO + O 3 NO 2 + O 2 Saasteotsonin muodostuminen RO 2 : esim. CH 3 O 2 muodostuu orgaanisten molekyylien (esim. CH4, VOC, CO) reaktioissa hydroksyyliradikaalin (OH) kanssa NO 2 peroksiradikaalit: HO 2 /RO 2 O O 2 O 3 NO Ylijäämä O 3 Esim. fotokemiallinen saastesumu smog 4

5 Otsonin prekursorit: 1.NO x 40% päästöistä fossiilisten polttoaineiden käytöstä, erit. liikenne Päästölähteellä >90% NO muuntuu päästölähteen lähellä: I. 2NO + O 2 2NO 2 (0.5%/s kun 1000 ppm, merkityksetön tavallisissa troposfäärin olosuhteissa) II. Normaaleissa troposfäärin olosuhteissa muunnunta: NO + O 3 NO 2 + O 2 (n. 1 min kun 30 ppm) Poistuminen: muuntuminen nitraatiksi NO 2 + OH HNO 3 (päivisin) NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 ; (öisin) NO 3 + NO 2 N 2 O 5 ; N 2 O 5 + H 2 O 2HNO 3 lisäksi vesifaasissa useilla eri mekanismeilla Otsonin prekursorit: 2.VOC Volatile organic compounds NMVOC (nonmethane volatile organic compounds: ilman metaania, jota muuten valtaosa VOCyhdisteistä) Haihtuvat hiiliyhdisteet/hiilivedyt Yleistermi lukuisille kaasumaisille yhdisteille (esim. PAH ym.) Päästölähteet: Luonnolliset: esim. metsät > terpeenit Ihmisperäiset: epätäydellinen poltto (pienpoltto, liikenne) polttoaineiden (erit. kevyemmät) haihtumistuotteet liuottimet (teollisuus ja kotitaloudet) värit ja maalit (liuottimet, jotka pitävät pehmeänä maalattaessa, mutta haihtuvat myöhemmin pois) Poistuminen: hapettuminen hiilidioksidiksi kondensoituminen hiukkasiin 5

6 Ihmisiin/eläimiin: Otsonin vaikutuksia altistus riippuu kestosta ja pitoisuudesta 2 mg/m 3 hengitystiehyiden supistukset akuutteina oireina rintakipu, pääkipu hengitysvaikeudet, silmien ärsytys, pahoinvointi hengitettäessä tuhoaa/rappeuttaa kudoksia µg/m 3 pitkäaikaisaltistuksena altistaa taudinaiheuttajille huom! Riskiryhmät Ennenaikaiset kuolemantapaukset Otsonin vaikutuksia Kasveihin (satojen aleneminen): vaurioittaa soluja lehtien sisällä kasvit sulkevat ilmaraot, jolloin normaali fotosynteesi ja aineenvaihdunta estyy Oireet: värimuutokset solukon kuoleminen Materiaalit vauriot kumien haurastuminen 6

7 Otsonipitoisuudet troposfää äärissä Pitoisuustasoihin vaikuttavat: Valon määrä (Suomessa talvella vähän, yöllä vähän) Prekursorien määrät Taajamissa O 3 reagoi muiden ilmansaasteiden kanssa (pitoisuudet alhaisempia kuin ympäröivällä maaseudulla) Sääolot (tuulen suunta ja voimakkuus, sateet) AOT ja SOMOindeksit metsien ja viljelykasvien otsonialtistusta kuvaava indeksi AOT40 pitoisuuden 80 µg/m 3 (40 ppb) ylitysaika (tuntien lukumäärä) kerrotaan ylitysmäärällä (mitattu pitoisuus miinus 80) indeksi lasketaan koko kasvukauden päivänvalotuntien ajalta viljelykasvit toukoheinäkuu metsät huhtisyyskuu Kriittiset AOT40tasot (määritetty satovahinkojen perusteella) viljelykasvit 3000 ppbh (6000 µg/m 3 h) metsät ppbh ( µg/m 3 h) AOT60 kuvaa ihmisten altistusta samalla periaatteella kuin AOT40 (lähtökohtana pitoisuustaso 60 ppb tai 120 µg/m 3 ) Viime aikaisessa tutkimuksessa on kuitenkin havaittu vaikutuksia myös alhaisemmilla pitoisuuksilla ja tarkkaa alarajaa ei ole pystytty asettamaan (erityisesti herkät yksilöt) Kompromissiksi on suositeltu (WHO, UNECE) SOMO35indeksiä (35ppb ylittävien 8 tunnin liukuvien keskiarvojen summa) Indeksin arvo noin 3000 ppb.days vastaa tämänhetkisiä rajoja Euroopassa 7

8 SOMO35indeksitasot maailmassa vuonna 2000 (lähde: Dentener ym Env.Sci.Tech.40, ) 3594) 3000 ppb days tason ylityksiä laajimmin Yhdysvalloissa, Välimeren alueella sekä Aasiassa SOMO35indeksi vuonna 2030: Nykylainsäädäntö ei riitä vähentämään päästöjä monillakaan alueilla, tilanne voi jopa huonota (yläkuva). Erityisesti liikennesektorin kasvu Aasiassa on havaittavissa kuvassa Parhaiden käyttökelpoisten vähennystoimien käyttöönotto parantaisi tilannetta selvästi (alakuva). Mutta miten realistista tällainen kehitys on? 8

9 OTSONIN HAITAT EUROOPASSA Vuonna 2000 n ennenaikaista kuolemaa vuodessa otsonista johtuen, vuonna 2020 edelleen arvioilta Myös muita hengityselinoireita Otsoni on ongelma erityisesti Välimeren alueella Lähteet: EU/CAFE Programme, UNECE CLRTAP Terveyshaitat (hiukkaset ja otsoni) Lähde: EU CAFE impact assessment Kuolleisuus Sairastuvuus hiukkaset Sairastuvuus otsoni 9

10 OTSONIN HAITAT EUROOPASSA Otsonipitoisuudet vähentävät vilja ja metsäsatoja Euroopassa Taloudelliset menetykset viljasadoille arvioitu 7 mrd vuodessa tai 2% tuotannosta Myös metsillä kriittiset pitoisuustasot ylittyvät (kts. Kuva) Otsonin kynnysarvot Troposfäärin otsoni on yksi haastavimmista ilmanlaatuongelmista tällä hetkellä EU direktiivi 2002/3/EY Valtioneuvoston asetus alailmakehän otsonista /783 CAFEdirektiivi: COM(2005) 447 Kynnysarvot Väestölle tiedottamiseksi 180 µg/m 3, 1 tunnin keskiarvo. Väestön varoittamiseksi 240 µg/m 3, 1 tunnin keskiarvo. Huom! Prekursorien päästöjä säännellään (esim. EUn NECdirektiivi, UNECE Gothenburg Protocol, päästörajoitukset) 10

11 Otsonin tavoitearvot Otsonin tavoitearvot vuodelle 2010 Terveyshaittojen ehkäiseminen: Kahdeksan tunnin keskiarvo 120 µg/m 3, joka saa ylittyä enintään 25 päivänä kalenterivuodessa kolmen vuoden keskiarvona. Kasvillisuuden suojeleminen: AOT µg/m 3 h, viiden vuoden keskiarvona. AOT40otsonialtistusindeksi lasketaan 80 µg/m 3 ylittävien otsonin tuntipitoisuuksien ja 80 µg/m 3 erotuksen kumulatiivisena summana. Summa kertyy vuosittain välisenä aikana, ja sitä laskettaessa huomioidaan klo mitatut tuntipitoisuudet. Otsonin pitkän ajan tavoitteet Terveyshaittojen ehkäiseminen: Kahdeksan tunnin keskiarvo 120 µg/m 3 (60ppb). Kasvillisuuden suojeleminen: AOT µg/m 3 h. HUOM! 60ppb (120 µg/m 3 ) pitoisuustason alapuolellakin vielä terveysvaikutuksia Otsonin mittaukset Suomessa 11

12 Korkeat otsonipitoisuudet Suomessa Kesäiset korkeapainetilanteet Saastunutta ilmaa Euroopasta ja Suomen hiilivety ja NO x päästöjen otsoninmuodostus voimakasta Taajamaalueilla reagointi ilmansaasteiden kanssa voimakasta alhaisemmat pitoisuudet kuin ympäröivillä alueilla (puhtaampi ilma) Korkeimmat pitoisuudet alueilla, joilla vain vähäiset päästöt Pitoisuustasot tausta 4070 µg/m 3 Suomessa 40100, kesäisin n. 150 µg/m 3 Keski ja EteläEuroopassa jopa 300 µg/m 3 Kuvan lähde: Suomen ympäristön tulevaisuus Mittayksikkö 1 ppb = 2 µg/m 3 Otsoni pääp ääkaupunkiseudulla, talvi Otsonipitoisuudet YTV:n mittausasemilla, itsenäisyyspäivän viikolla Pitoisuudet voivat pimeänä vuodenaikana olla päiväkausia alhaisia. 12

13 Otsoni pääp ääkaupunkiseudulla, kevät Otsonipitoisuudet YTV:n miitausasemilla, Vko 13 (maaliskuun loppu) Pitoisuudet nousevat valoisaan aikaan ja laskevat pimeässä. Otsonin esiintyminen Suomessa Väestölle tiedottamista edellyttävän otsonipitoisuuden ylittyi vuonna 1996 Evon mittausasemalla. Kuvassa Otsonipitoisuuden korkein tuntikeskiarvo (µg/m 3 ). Lähde Ilmatieteen laitos 13

14 Otsonitilastot 2006 (lähde: Ilmatieteen laitos) Korkeimmat tuntipitoisuudet (yksikkö µg/m3) Asema Pitoisuus Pvm Utö Virolahti Jokioinen Evo Ähtäri Ilomantsi Oulanka Pallas RajaJooseppi Otsonin tiedotuskynnys on 180 µg/m3 (293 K, 101,3 kpa) tuntikeskiarvona. Tiedotuskynnys ylittyi Virolahdella toukokuussa Otsonitilastot 2006 (lähde: Ilmatieteen laitos) Terveyden suojelun kynnysarvo: Niiden vuorokausien lukumäärä, jolloin kahdeksan tunnin keskiarvo ylitti 120 µg/m 3 Asema Vuosi 2006 Vuosien ka Utö Virolahti Jokioinen 15 8 Evo Ähtäri Ilomantsi 10 7 Oulanka 5 8 Pallas 10 6 RajaJooseppi 6 4 Tavoitearvo ei ylittynyt vuosina Terveyshaittojen ehkäisemiseksi tavoitearvo vuodelle 2010 on, että otsonin kahdeksan tunnin keskiarvo ylittää pitoisuuden 120 µg/m 3 enintään 25 päivänä kalenterivuodessa kolmen vuoden keskiarvona. 14

15 Tavoitearvo kasvillisuuden suojelemiseksi AOT40indeksi ylittää vuosittain pitkän ajan tavoitearvot useilla mittausasemilla. Kuvassa AOT40indeksi toukoheinäkuulta (µg/m 3 h). Lähde Ilmatieteen laitos Tavoite 2010 Otsonitilastot 2006 (lähde: Ilmatieteen laitos) Kasvillisuuden suojelemisen kynnysarvo: AOT40indeksi laskettuna ajan tuntiarvoista (yksikkö µg/m 3 h) Asema Vuosi 2006 Vuosien ka Utö Virolahti Jokioinen Evo Ähtäri Ilomantsi Oulanka Sammaltunturi RajaJooseppi Kasvillisuuden suojelun tavoitearvo vuodelle 2010 on, ettei AOT40 ylitä µg/m 3 h viiden vuoden keskiarvona. Tavoitearvo ei ylittynyt vuosina Pitkän ajan tavoite kasvillisuuden suojelussa on, ettei AOT40 ylitä 6000 µg/m 3 h. Pitkän ajan tavoite ylittyi koko Suomessa vuonna

16 Otsonin prekursorit päästöt t ja niiden hallinta (NMVOC ja NOx) Otsonin prekursorien pääp äästöjen trendi Euroopassa Päästöt laskeneet 36% Vähennys tapahtunut lähinnä autojen katalysaattorien yleistymisen myötä (ajoneuvojen EUROstandardit) Liikenne suurin yksittäinen päästölähde (44% osuudella) 16

17 NECdirektiivi 2001/81/EC (kansallisia pääp äästörajoja koskeva direktiivi) sääs ääntelee myös s otsonin prekursoreita tavoitteena on rajoittaa happamoittavien ja rehevöittävien epäpuhtauksien ja otsonin esiasteiden päästöjä pyrkiä pitkällä aikavälillä siihen, että kriittiset tasot ja kuormitukset eivät ylity ja että ihmisiä suojellaan tehokkaasti kaikilta tunnetuilta ilman pilaantumisen aiheuttamilta terveyteen kohdistuvilta riskeiltä ottamalla käyttöön kansalliset päästörajat käyttäen arviointiviitteinä vuosia 2010 ja 2020 NMVOCpäästöt Suomessa NMVOC (1000 t/a) NMVOCpäästöt Suomessa % 1% 0% 16% 17% 2% 10% sähkönja lämmöntuotanto (energialaitokset) sähkönja lämmöntuotanto (asuinja palvelurakennukset) teollisuuden voimantuotanto teollisuustuotanto foss. pa jakelu PÄÄSTÖT (1000 t/a) 2003: 145,2 2006: 132,6 Tavoite 2010 (NEC): % 20% 2% liuottimien käyttö tieliikenne muut liikkuvat jätteiden ja jätevesien 17

18 VOCpää äästöt rajoittaminen Miksi?: myrkyllisiä/haisevia, valokemialliset reaktiot Miten? tiiviit varastointi, jakelu ja käyttöratkaisut vesipohjaiset kemikaalit (esim. maalit, liimat) polttotekniikka (mahd. täydellinen palaminen) kaasujen puhdistus (voimantuotanto/teollisuus) kaasun poltto lauhdutus (lämpötilan lasku, epäpuhtaudet tiivistyvät, käyttäytyminen yhdistekohtaista!) adsorbointi (esim. aktiivihiili) haittaaine sitoutuu kiinteän aineen pintaan absorbointi haittaaine sitoutuu veteen ym. liuokseen Kokonaispää äästöt Suomessa NO x (1000 t/a, SYKE) NOx (NO2:na) NOxpäästöt Suomessa % 0% 13% 21% 45% 3% 17% 1% 0% 0% sähkönja lämmöntuotanto (energialaitokset) sähkönja lämmöntuotanto (asuinja palvelurakennukset) teollisuuden voimantuotanto teollisuustuotanto foss. pa jakelu liuottimien käyttö tieliikenne muut liikkuvat PÄÄSTÖT (1000 t/a) 2003: : 193 Tavoite 2010 (NEC): 170? 5 ydinreaktorin käyttöönoton viivästyminen, dieselautojen yleistyminen? jätteiden ja jätevesien 18

19 NOxpää äästöt rajoittaminen Katalyyttinen poisto (katalysaattorit) Esimerkiksi: 1. kammio (platina, palladium, rodium): kuumaan pakokaasuun syötetään ilmaa CO ja VOC hapettuvat CO 2 ja H 2 O 2. kammio (esim. CuO tai Cr 2 O 3 ): alhaisemmassa lämpötilassa NO pelkistyy N 2 ja O 2 Lambdaantureilla tarkkaillaan ilma/polttoainesuhdetta, jotta saavutetaan katalysaattorin kannalta optimaalisin ilman määrä Suuret laitokset injektoimalla ammoniakkia (pelkistys) 6NO + 4NH 3 5 N H 2 O Liikennesuoritteen kasvu ja tekniset syyt pitoisuuksien säilymiselle ~samalla tasolla (vrt. esim. rikkidioksidi) Katalysaattorin toimintaperiaate 19

20 Liikenne ja ilmansaasteet 20

21 Polttoprosessi sytytys Polttoaine Hapetin (O 2 ilmasta) nopea hapettuminen polttoaineen C, H, S,... energia (esim. lämpö) CO 2, H 2 O, SO 2,...+ lämpö Hyödynnetään useissa eri sovellutuksissa (sähkön ja lämmöntuotanto, prosessien lämpö, kulkuvälineiden voimanlähde,...) Paloprosessin yksityiskohtainen tunteminen/hallit seminen vaikeaa Epätäydellinen palaminen liikaa polttoainetta suhteessa happeen polttoaine ja ilma eivät kohtaa tasaisesti liian lyhyt aika palamistapahtumalle Syntyy epäpuhtauksia: CO, NO x, SO 2, HC/VOC, hiukkasmaiset CO, HC epätäydellinen hapetus, polttoaineen C SO 2 polttoaineen S NO x terminen NOx, N ilmasta (>1000 C) N polttoaineesta hiukkaset palamaton polttoaine ja materiaalit (esim. mineraalit) kaasumaisista prekursoreista 21

22 Polttomoottorit Mäntää liikutetaan palamisprosessin avulla, ja liike siirretään renkaisiin Bensiini, kaasumaisena sytytysjärjestelmän kipinä kaasu seoksena (kaasutin) Polttoaine sisäänotto paineistus sytytys Ilma Diesel polttoaine nestemäisenä itsesyttyminen palaminen ja laajeneminen, palamistuotteiden poisto Ottomoottori kaasukäytössä eroaa bensiinikäytöstä lähinnä polttoaineen säiliön, annostelun ja syötön osalta EUROstandardit henkilöautoille (DieselNet) Table 1 EU Emission Standards for Passenger Cars, g/km Tier Year CO HC HC+NOx NOx PM Diesel Euro (3.16) 0.97 (1.13) 0.14 (0.18) Euro 2, IDI Euro 2, DI a Euro Euro Petrol (Gasoline) Euro (3.16) 0.97 (1.13) Euro Euro Euro Values in brackets are conformity of production (COP) limits. a until (after that date DI engines must meet the IDI limits) 22

23 Yksikköpää äästöt t pakokaasut henkilöautot (lähde: VTT LIPASTOmalli malli,, LIISA) Bensiini Diesel [g/km] 2000 keskimäärin EURO II 2000 keskimäärin EURO II CO HC NO X SO Hiukkaset BC/OC [%] 75/15 25/45 CO CH N 2 O Polttoaineen kulutus 6.8l/100km (EURO III) Polttoaineen kulutus 5.9l/100km (EURO III) Tieliikenteen pakokaasupää äästöjen kehitys Suomessa (LIISA 2002) 23

24 Tieliikenteen pakokaasupää äästöjen kehitys Suomessa (LIISA 2002) HUOM! Vain pakokaasut Pakokaasupää äästöt t yhteenvetoa EURO Vtaso tulossa, joka vaatii dieselautoille vähennyksiä hiukkasiin ja NOxpäästöihin (hiukkassuodattimet ja katalysaattorit) Tulevaisuudessa CO 2 keskiössä: päästöt riippuvat polttoaineen kulutuksesta kulutusta vaikea vähentää merkittävästi lisää ei teknistä vähennyskeinoa Uudet tekniikat Polttomoottoriin perustuvat hybridiautot (polttomoottorin rinnalla sähkömoottori) jo kaupallisessa levityksessä (~4 l/100km) vaihtoehtoiset polttoaineet (kaasu, biopolttoaineet) Polttokennotekniikka sähkövirta suoraan vedystä ja hapesta matala toimintalämpötila (<100 C) 24

25 Liikennekäytt yttöön n soveltuvia biopolttoaineita (lähde: Laurikko 2004) Biodiesel (rypsi, rapsi) Alkoholit (metanoli, etanoli) soveltuvat bensiinin korvaajiksi sellaisenaan tai yhdisteinä Yhdisteet erilaisia kuin mineraaliöljyissä Laajamittainen käyttö saattaa vaatia materiaalimuutoksia moottoreissa (esim. tiivistekumit) ja jakelujärjestelmissä Tuotanto kilpailee nykykäytön esim. ravinnon tuotannon kanssa Automoottori vaatii >90% metaani pitoisuuden biokaasun puhdistus Polttokennon toimintaperiaate (lähde: Laurikko 2004) Vety yhtyy happeen tuottaen sähkövirtaa Anodille johdetaan vetyä ja katodille happea Vetymolekyylit jakautuvat ja Hatomit jaetaan katalyyttien ja puoliläpäisevien kalvojen avulla protoneiksi ja elektroneiksi Protonit johdetaan elektrolyytin läpi, kun taas elektronit joutuvat kiertämään (potentiaaliero elektrodien välillä sähkövirta) Elektrolyyttejä voi olla monenlaisia Kennoja tarvitaan useita satoja Kennosto ei yksin riitä vaan on myös varmennettava hapen saanti ja syntyvän veden poisjohtaminen Vetyä ei esiinny puhtaana vaan se täytyy jotenkin tuottaa (tuotannon päästöt) Vedyn varastointiin liittyy haasteita (paineistus, jäähdytys/nesteytys) 25

26 Eipakokaasuper pakokaasuperäiset liikenteen päästöt Hiukkasmaisia Kulumatuotteet Jarrut Renkaat Tien kiviaines Irtomateriaalin kuluminen (hiekka, lehdet jne.) Moottorin kuluminen Resuspensio Päästömäärät ja niihin vaikuttavat tekijät tunnetaan huonosti Eipakokaasuper pakokaasuperäiset yksikköpää äästöt henkilöautolle PM10 [g/km] jarrujen kuluminen renkaiden kuluminen tien kuluminen Henkilöautot 0,0010,008 0,0040,007 0,005 resuspensio: Päällystetyt tiet Päällystämättömät tiet Pakokaasut 0,21, ,0080,14 (EURO II) 26