Biodiesel. Alternative Biofuels for Compression Ignition Engines. Influence of Fuel on Emissions and Health. Jorma Jokiniemi

Transkriptio

1 Biodiesel Alternative Biofuels for Compression Ignition Engines. Influence of Fuel on Emissions and Health Jorma Jokiniemi Kuopion yliopisto VTT Tampereen teknillinen yliopisto KTL Tekes Ecocat Oy SisuDiesel Oy Preseco Oy

2 Motivaatio Toimivuus jälkikäsittelylaitteissa ja uusilla moottoritekniikoilla laitteet suunniteltu tavanomaisille dieselpolttoaineille, kuinka toimii rikittömän dieselpolttoaineen ja biodieseleiden yhdistelmillä? Emissioiden syvällinen karakterisointi tehty pääasiassa tavanomaisille dieselpolttoaineille Terveysvaikutuksista vain rajoitetusti tutkimuksia ja pääasiassa vain tavanomaisella dieselpolttoaineella Tarpeellinen, koska biopohjaisia moottoripolttoaineita otetaan käyttöön ilmastovaikutukset (CO 2 päästön vähennys) EU:n komissio on asettanut tavoitteen, että vuonna 2010 liikennepolttoaineissa olisi 5,75 prosenttia biopohjaista komponenttia. Vuonna 2020 tavoite on, että 20 prosenttia on valmistettu vaihtoehtoisista raaka aineista. Siitä 8 prosenttia olisi biopolttoaineita ja 12 prosenttia muuta, kuten turvetta, kivihiiltä ja maakaasua. ei haluta ojasta allikkoon

3 Biodiesel Polttoaineiden ominaisuus Jälkikäsittelytekniset vaikutukset Dieselmoottorit Pakokaasujälkikäsittely Terveysvaikutukset Moottoritekniset vaikutukset Päästömittaus

4 Biodiesel Polttoaineet Eurooppalainen vähärikkinen dieselpolttoaine Neste Oil:n NExBTL biodiesel RME Gas to Liquids, GTL Polttoaineiden ominaisuuksien mittaaminen fysikaaliset ominaisuudet (mm. tiheys, viskositeetti, kylmäominaisuudet jne.) kemialliset ominaisuudet (mm. koostumus, tuhka, energiasisältö, jne.) tekniset ominaisuudet mm. (setaaniluku, voitelevuus, korroosio, jne.) polttotekniset ominaisuudet

5 Dieselmoottorit Moottorit IDI diesel, eri jälkikäsittelylaitteita, ahdettu, työkonemoottori DI diesel (SCR), Euro 3, työkonemoottori DI diesel, Euro 4 linja auto alustadynamometrilla DI diesel, esim. common rail SCR eri jälkikäsittelytekniikoita HD Scania (ei SCR) moottori tai linja auto tai henkilöauto alustadynamometrillä (common rail) Mittaukset Moottorilaboratoriomittaukset standardiolosuhteissa kulutus kestävyys/tekniset ongelmat Euro 3 PM raja 0,10 g/kwh v Euro 4 PM raja 0,02 g/kwh v. 2005

6 Pakokaasujälkikäsittely Eri jälkikäsittelymenetelmät hapetuskatalysaattorit POC, Particle Oxidation Catalyst SCR hiukkassuodattimet Mittaukset mittaukset kts. päästömittaukset pre ja post emissiomittauksia hiukkaset kaasut vertailu tavanomaiseen dieselpolttoaineeseen

7 Päästörajat raskaat ajoneuvot Normi CO g/kwh HC g/kwh NO x g/kwh PM g/kwh Savu m 1 Euro 3 2,1 0,66 5,0 0,10 0,8 v.2000 Euro 4 1,5 0,46 3,5 0,02 0,5 v Euro 5 1,5 0,46 2,0 0,02 0,5 v Dieselautojen päästöt: hiilimonoksidi: 500 mg/km, hiukkaset: 5 mg/km (80 prosenttia vähemmän päästöjä kuin Euro 4 standardissa), typpioksidit (NOx): 180 mg/km (yli 20 prosenttia vähemmän päästöjä kuin Euro 4 standardissa), hiilivetyjen ja typpioksidien päästöt yhteensä: 230 mg/km.

8 Emissiomittaukset lakisääteiset (CO, HC, NOx, PM) muut kaasut (NO,NO2, NH3, N2O, SO2, O2, CO2, aldehydit) hiukkasten lukumääräjakauma termodenuderi eri laiteet (ELPI, FMPS) TEM/SEM kuvat hiukkasmassa fraktio OC/EC (ehkä myös fraktiona) epäorgaaninen koostumus (mm. anionit, tuhka, metallit) orgaaninen koostumus (SOF/IOF, PAH, nitro PAH) kaasufaasi (osittainhaihtuva aines) orgaaninen koostumus (PAH) absorbentti annulaarinen denuder

9 100 without DPF FTP cycle with DPF Percentage Percentage ~100 fold reduction in total PM mass 0 soot SOF Component 0 soot SOF Component Soot and SOF fractions for diesel with and without trap [Maricq 2002]

10 Schematics of Diesel particle and vapor phase compounds nucleated sulphuric acid and/or hydrocarbons Adsorbed/condensed hydrocarbons and sulphuric acid/sulphates solid carbon (soot) spheres nm with inner structure form agglometes nm

11 Biodiesel hanke Alustavia Tuloksia

12 Measurements at the emission laboratory of VTT in Espoo Department of Physics, Tampere University of Technology, P.O. Box 692, 33101Tampere, Finland. Keskinen J., Virtanen A., Rönkkö T., Lähde T., Heikkilä J. Vehicles Research Group, VTT Technical Research Centre of Finland, P.O. Box 1000, VTT, Finland. Kytö M., Murtonen T., Solla A., Vesala H. University of Kuopio, Department of Environmental Science, Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory, P.O. Box 1627 Kuopio, Finland. Jokiniemi J., Kuuspalo K. Test engine: EURO IV heavy duty diesel engine. Test fuels: EN590, GTL, RME. After treatment: POC+DOC (Particle oxidation catalyst + diesel oxidation catalyst). Tests: European steady state cycle and four steady state conditions. Steady state modes: 11, 3, 10 and 12. VTT group: Tampere group: distribution Kuopio group: Regulated emissions, dilution for OC/EC samples. ELPI and SMPS measurements. Dilution for all particle size measurements. FMPS measurements, OC/EC measurements.

13 Raskaan kaluston ajoneuvomittaukset 2006 q Bus A/SCR, Euro 4 Moottorin tilavuus 7.2 l Teho 213 kw, vääntö 1200 Nm SCR Korin pituus/leveys/istumapaikat 12,86/2,55/43 q Bus B/EGR, Euro 4 Moottorin tilavuus 8.9 l Teho 169 kw, vääntö 1050 Nm EGR + hapetuskatalysaattori Korin pituus/leveys/istumapaikat 12,9/2,55/44

14 Alustadynamometri

15 Bus A Linja auto, SCR Y akseleiden yksikkö g/km 10.0 NOx: 6.8% 0.14 PM: 30% 1090 CO2: 2.7% CO: 5.4% 1.00 HC: not relevant EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 1000 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL

16 Bus B Linja auto, EGR + hapetuskatalysaattori Y akseleiden yksikkö g/km 10.0 NOx: 9.4% 0.14 PM: 46% 1200 CO2: 2.4% 0.90 CO: 78% 1.00 HC: not relevant EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 1000 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL

17 Alustavia ELPI tuloksia Linja auto EGR Particle size distribution over the Braunschweig test cycle, Bus B 2.0E+14 dn/dlogdp, [#/km] 1.5E E E+13 EN590 NExBTL 0.0E Aerodynamic diameter, [mm]

18 European Stationary Cycle (ESC) sc.html

19

20

21

22

23 Biodiesel projekti: Kuopion yliopiston Dieselmoottori Valmistaja: Kubota Tyyppi: D 1105 T Iskutilavuus: 1123 ccm Sylinteri lkm: 3 Ruiskutus: E TVCS (IDI) Polttoainesyöttö: Rivipumppu Pakokaasuluokitus: CARB ULGE TIER STAGE 1 Käyttökohteet: Pienet työkoneet: Lakaisukoneet: MADVAC CN 100 (D 1105) ((turboton)) Pyöräkuormakaivurit: BOBCAT EF100 D 1105 T+D 1105 BOBCAT EF 200 D 1105 T Trukit: Donkey D 12 series D 1105 Ruohonleikkurit: Kubota F 2560 D 1105

24

25 Composition and health risks of particulate emissions from biodiesel vehicle engines (BIODIESEL health) Project coordination: Raimo O. Salonen, KTL Participants (responsible scientist): National Public Health Institute (KTL; RO Salonen, M R Hirvonen); Technical Research Centre of Finland (VTT; M Kytö); University of Kuopio (UKU; J Jokiniemi) Project period: Measurements: emissions; chemical composition; inflammatory, cytotoxic and genotoxic activities of collected PM samples in mammalian cells

26 BIODIESEL health: Study objectives 1) To add a toxicological health study to an on going BIODIESEL emissions study (Jokiniemi et al.; Tekes 40227/06). 2) To compare the effects of the first and second generation biodiesel fuels and fossil diesel on the quantity and toxicological properties of particulate emissions from heavy duty diesel engines, and to investigate the composition and health effects of particulate emissions from a bus using natural gas. 3) To estimate the net effect of observed changes (quantity, chemical composition, toxicity) in particulate emissions on human health risks in urban environments.

27 Terveysvaikutukset Kerätään päästöistä näytteet terveysvaikutusten määrittämiseksi toksisuusprofiilit, KTL solutoksisuus liukoisuus hiukkasten fysikaalis kemialliset ominaisuudet kokojakauma kemia (SOF, anionit, PAH, nitro PAH, Ames, OC/EC, tuhka, metallit, jne.) morfologia toksisuusprofiilien ja hiukkasten ominaisuuksien välinen kytkentä >10µm? 5 10µm 1 5µm <1µm