Uusia tuloksia laivojen musta hiili -päästöistä

Transkriptio

1 SEA-EFFECTS BC Tekes, Arktiset meret -ohjelma Uusia tuloksia laivojen musta hiili -päästöistä Ilmansuojelupäivät , Lappeenranta Päivi Aakko-Saksa, VTT Kirjoittajalista seuraavalla kalvolla

2 SEA-EFFECTS BC projekti, Tutkimusosapuolet, kirjoittajat Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy. P. Aakko-Saksa, T. Murtonen, H. Vesala, P. Koponen, S. Nyyssönen, K. Lehtoranta, T. Pellikka, J. Lehtomäki Ilmatieteen laitos H. Timonen, K. Teinilä, M. Bloss, S. Saarikoski, R. Hillamo Tampereen teknillinen yliopisto P. Karjalainen, N. Kuittinen, P. Simonen, T. Rönkkö, J. Keskinen Turun yliopisto O-P. Brunila, E. Hämäläinen, T. Inkinen Yritysosapuolet Wärtsilä Finland Oy, HaminaKotka Satama Oy, VG-Shipping Oy, Pegasor Oy, Spectral Engines Oy, Gasmet Technologies Oy, Oiltanking Finland Oy, Kine Robot Solutions Oy Konsortion ulkopuoliset kontribuutiot AVL (Austria), Metropolia, UEF, Gasera Oy (mittauksia), Neste (polttoainelahjoitus) Kirjoittajat ovat kiitollisia rahoituksesta: Tekes (40356/14), Trafi (172834/2016) ja yritysosapuolet. 2

3 Sisältö 1. Miksi laivojen musta hiili (BC)? 2. BC-tuloksia laboratoriosta * ) ** ) ja laivamittauksista*** ) BC mittaustavat BC eri moottoreilla, moottorikuormilla ja polttoaineilla 3. Olosuhteiden vaikutus tuloksiin 4. Yhteenveto *) CIMAC artikkeli no. 068, , Helsinki, Finland. (CIMAC database com/ publication-press/technical-database/index.html and **) Raportti Aakko-Saksa et al. Research report VTT-R ( ***) Raportti Timonen et al. Research report VTT-R ( in 9/2017). Kalvot käännetty pääosin esitelmästä: Aakko-Saksa et al. CIMAC Cascades, Helsinki 3

4 Laivat matkustavat lähellä rannikkoja, jotka ovat tiheästi asutettuja Laivat vastaavat maailmanlaajuisesti noin 9% of SO x, 18-30% NO x päästöistä ja 8-13% diesel BC:stä (Winther 2014, Azzara 2015). Existing and possible ECAs 4

5 BC lisääntyvästä laivaliikenteestä arktisella alueella uhkaa ilmastoa BC on suurin vaikuttaja Arktisen alueen lämpenemiseen. Laivaliikenteen laajentaminen arktiselle alueelle olisi haitallista ilmastolle. Musta hiili lumella ja jäällä nopeuttaa niiden sulamista heijastumisen vähentymisen kautta. IMO raja-arvoa laivojen BC:lle odotetaan. SEA-EFFECTS BC hanke tähtää luotettavampiin BC mittauksiin laivoista eri olosuhteissa. 5

6 BC TULOKSET 6

7 Mittausmatriisi: moottorikokeet laboratoriossa Wärtsilä Vasa 4R32 LN 1.6 MW keskinopea moottori VTT:llä. Kaksi moottorikuormaa: 75% moottorikuorma kuvaa ajoa avomerellä. 25% moottorikuorma kuvaa ajoa lähellä satamaa. Polttoaineet: Marine Diesel Oil, 0.1% rikkipitoisuus: 0.1%S 0.5% rikkipitoisuus: 0.5%S Raskas polttoöljy: 2.5%S Biokomponentin (hapellinen) ja dieselpolttoaineen seos 30:70: Bio30 Moottoriöljy: Shell Argina XL 40. 7

8 IMO:n BC-kandidaattimenetelmistä kolme mukana: FSN, PAS ja MAAP BC: Smoke Meters. BC based on Filter Smoke Number (FSN). The relative change in optical reflectance of visible light from a filter. BC: AVL Micro Soot Sensor, photo acoustic method (PAS). BC: Multiangle Absorption Photometer (MAAP). Relative change in optical transmission as particles are collected and measurement of reflectance of scattered light with multiple detectors. BC: Aethalometers. Change in absorption of transmitted light due to continuous collection of aerosol deposit on filter. EC/OC thermal-optical analysis. Organic and elemental carbon, partial flow dilution (ISO 8178) samples (in-stack EN in lab) The Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer, SP-AMS. Chemical composition (ions, organics, BC, metals) of submicron PM Pegasor Particle Sensor (PPS). Electrical charge of carried by particles. Sample pre-treatment with catalytic strippers (CS), thermodenuder (TD) PM and its composition incl. anions, metals and PAHs In-depth analysis, e.g. PAM, SMPS, CPC, ELPI+, TUT-HTDMA AVL 415S (VTT) AVL 415SE (AVL) AVL MSS (AVL) MAAP 5012 (FMI) MAGEE AE42 (FMI) MAGEE AE33 (Metropolia) Sunset 4L (VTT) SP-AMS (FMI) Pegasor Pegasor, TUT VTT, TUT, FMI 8

9 Mittausjärjestelyt laboratoriossa 9 BC/EC instrumenttia. Lukuisia syvällisiä analyysejä. Monimutkainen laimennusjärjestelmä MAAP:lle, etalometreille jne. Lämmitetyt laimentimet. Näytteen esikäsittely (CS, TD). Kaasumaiset päästöt. Päiväohjelma ja menettelytavat määriteltyjä. Two dilution setups: DR<200 and DR>600 Turbo Exhaust duct Ø i 448mm PAM M3: 590 cm Muffler In-stack OC/EC CO, THC, NOx, CO2 Multi-component FTIR cm BC FSN AVL 415S TD CS1 CS2 BC MAAP BC AE42 SMPS, CPC ELPI+ TUT-HDTMA BC FSN AVL 415SE BC ISO 8178 DR8 OC/EC at 3 labs BC AVL MSS, DR 7 BC AE33 BC SP-AMS CPC, SMPS Nano-SMPS CS3 PM Pegasor PPS, DR 5 9

10 10

11 Menettelytavat mittauksissa Ennen/jälkeen mittauskampanjan Moottorin ja mittauslaitteiston stabilointi Moottoriöljyn sisäänajo Polttoaineiden ja moottoriöljyn analyysit Yksi polttoaine mitattiin ennen ja jälkeen kampanjan (mittausjärjestelyjen stabiilisuus) Mittauskampanjan aikana Moottorin lämmitys ja kuormanvaihtojen protokolla On-line mittaukset (mm. NO FTIR:llä) moottorin stabiilisuuden tarkkailuun Polttoaineen lämpötila säädetään moottorivalmistajan vaatimusten mukaan Systemaattinen päiväohjelma ja dummy testit ennen mittausta Parametrien mittaus Kierrosluku, teho, syöttötangon asento, laakereiden lämpötila, HC ohipuhallus Ilmankosteus, lämpötiloja (testitila, imuilma, pakokaasu, sylinteri, jäähdytysneste), paineita (esim. ennen/jälkeen turbon) Polttoaineen kulutus (sisään/ulos/boosteri), polttoaineen T/P pumpun jälkeen ja ennen/jälkeen moottorin, P ennen/jälkeen boosterin, rate in/out, polttoaineen viskositeetti ennen moottoria, polttoaineen paine Moottoriöljyn lämpötila useasta sijainnista, moottoriöljyn paine 11

12 Mittausmatriisi modernilla risteilijällä Kaksi eri kokoista moottoria 40% ja 75% moottorikuormat Kaksi polttoainetta: HFO MGO (vain yhdellä moottorilla 40% kuormalla) Mittaukset ennen/jälkeen rikkipesurin Mittausjärjestelyt laivalla olivat hyvin samanlaisia kuin laboratoriomittauksissa. 12

13 Hiukkasten koostumus EC:n osuus PM:ssä matala kaikilla polttoaineilla. Raskaita PAH:eja vähiten 0.1%Sja Bio30-polttoaineilla. 13

14 PM: rikkihapon kondensoituminen suodattimelle ISO 8178 keräyksissä laimennussuhteella 8, rikkihappo kondensoitui suodattimelle 0.1%S, 0.5%S ja 2.5%S polttoaineilla (kastepistettä alempi keräyslämpötila) ISO 8178 keräyksessä laimennussuhteella 30, olosuhteet olivat kondensoivat 2.5%S polttoaineelle. Laimennussuhteella 100 eikä instack mittauksissa ollut kondensoivia olosuhteita. 14

15 15

16 Musta hiili ja hiukkaset (PM) vanhasta 1.6 MW moottorista laboratoriossa ja modernista laivasta Laboratorio/moottoritulokset: * CIMAC Paper no. 068, * Aakko-Saksa et al. Research report VTT-R ( in 9/2017). Laivatulokset: * Timonen et al. Research report VTT-R ( in 9/2017). 16

17 ICCT-raportti 2017: Black Carbon Measurement Methods and Emission Factors from Ships cacoalition.o rg/en/resour ces/blackcarbonmeasureme nt-methodsandemissionfactors-ships 17

18 HAASTEITA LAIVAMITTAUKSISSA 18

19 Raakapakokaasu vai laimennettu näyte? ENGINE Ulkoilmamittauksiin kehitetyt laitteet tarvitsevat korkean laimennussuhteen, kun BC on korkea Exhaust duct EC from PM filters ISO 8178 modest DR RAW EXHAUST BC (FSN) Smoke meters Modest dilution e.g. DR 7-20 Several diluters DR = CO2 raw - CO2 bg CO2 dil - CO2 bg BC (PAS) Own diluter BC MAAP DR>400 BC~10 mg/nm 3 MAAP:lle (16.7 lpm) / Päivi Aakko-Saksa VTT Photos VTT, PAS Fig AVL GmbH Kuinka mitata DR 400? Esim. raaka CO ppm, laimennettu CO ppm, tausta CO ppm. Moottoriympäristössä CO 2 kontaminaatioriski korkea epävarmuus. 19

20 Korkeat laimennussuhteet ovat haastavia Moniportainen laimennusjärjestelmä on vaikea hallita Tarvitaan vaativa laitteisto ja menettelytavat sekä erittäin kokenut ja taitava henkilöstö, jotta mittaustuloksiin voisi luottaa. On-line CO 2 mittaukset useista laimennusjärjestelmän sijainneista, myös laimennusilmasta. CO 2 kontaminaatioriski moottoriympäristössä. T, RH, epäpuhtaudet (PN) laimennusilmasta. Ultrapuhdasta laimennusilmaa suositellaan (CO 2 poistettu). Korkeat laimennussuhteet ovat haastavia laboratoriossa eivätkä käytännöllisiä laivamittauksissa. Laimennussuhde kertoja BC-laskennassa suora vaikutus BC-tuloksiin. Lisähaaste MAAP:lla: mittausalueen ylitystä on vaikea havaita. 20

21 MAAP:n mittausalueen ylitys Alhaisempi BC MAAP:lla kuin muilla laitteilla, kun DR<200. Sama BC-taso samassa laimennuslinjassa olevilla laitteilla kun DR> Ilmansuojelupäivät / Päivi Aakko-Saksa / Päivi Aakko-Saksa VTT VTT 21

22 Raakapakokaasu ilman laimennusta (FSN) Matalat laimennussuhteet (AVL MSS, Pegasor PPS) Korkeat laimennussuhteet DR>>100 (MAAP, etalometrit) Hyvät puolet Ei paineilman ja sen puhdistuksen tarvetta Yksinkertainen asennus Ei laimennukseen liittyvää epävarmuutta Näytteen kondensoitumisen riski alhainen Yksinkertainen järjestelmä Laitevalmistajan menetelmät kalibroinneille ja laadunvarmistukselle Hyvä tutkimuskäyttöön (laadullinen, syvällinen tutkimus) Huonot puolet Näytteen kondensoitumista pitäisi välttää Paineilmaa tarvitaan laivalta (tai pieni kompressori) Laimennusilman suodatus ja kuivaus Monimutkaisempi asennus ja laitteisto verrattuna kuin FSN Lisää epävarmuutta jossain määrin Ei rutiininomaisiin BCmittauksiin Vaikea mittausjärjestely Tarvitaan kokeneet mittaajat Korkea mittausepävarmuus laimennuksen vuoksi 22

23 Havainnot mustan hiilen mittausmenetelmistä BC laitteet, jotka käyttävät raakapakokaasua tai alhaisia laimennussuhteita toimivat hyvin (FSN, PAS) BC vertailtavuus oli hyvä eri laitteiden välillä mittausperiaatteesta riippumatta (FSN, PAS, MAAP ja etalometrit) kun kaikki vaatimukset täytettiin huolellisesti. Ulkoilmamittauksiin tarkoitetut laitteet olivat haastavia Suuri mittausepävarmuus (laimennussuhde kertojana laskennassa). MAAP mittausalue ylittyy helposti. EC mittauksen kehitystä laivanäytteille kaivataan. Näytteen esikäsittely (CS, TD) vaikutti parantavan BC tulosten luotettavuutta, mutta lisää mittausjärjestelyjen monimutkaisuutta. Hiukkasten häviöt laimennuksessa täytyy huomioida (erityisen CS, TD). Lämmitetyt laimentimet tarvitaan korkearikkisillä polttoaineilla (tukkeutuminen ja korroosioriskit). Laivamittauksissa suuret ja raskaat laitteet eivät ole käytännöllisiä. 23

24 Yhteenveto Laivamittausten olosuhteet ovat haastavat. Kaikki IMOkandidaattimentelmät eivät ole suositeltavia laivojen rutiinimittauksiin. Laboratoriomittauksissa vanhalla moottorilla havaittiin riippuvuuksia BC:n, polttoainetyypin ja moottorikuorman välillä. BC ei ollut suoraan verrannollinen polttoaineen rikkipitoisuuteen, kun taas hiukkaspäästö oli. Laivamittauksissa modernilla risteilijällä BC oli matala kahdella erikokoisella moottorilla kahdella kuormalla ja kahdella polttoaineella (HFO, MGO). 24

25 Viitteet Aakko-Saksa et al. CIMAC artikkeli no. 068, , Helsinki, Finland. (CIMAC database com/publication-press/technical-database/index.html and Päivi Aakko-Saksa, Timo Murtonen, Hannu Vesala, Päivi Koponen, Hilkka Timonen, Kimmo Teinilä, Minna Aurela, Panu Karjalainen, Niina Kuittinen, Harri Puustinen, Pekka Piimäkorpi, Sami Nyyssönen, Jarno Martikainen, Jarmo Kuusisto, Matti Niinistö, Tuula Pellikka, Sanna Saarikoski, Jesse Jokela, Pauli Simonen, Fanni Mylläri, Hugo Wihersaari, Topi Rönkkö, Monica Tutuianu, Liisa Pirjola, Aleksi Malinen. Black carbon emissions from a ship engine in laboratory (SEA-EFFECTS BC WP1), Research Report VTT-R ( Hilkka Timonen, Päivi Aakko-Saksa, Niina Kuittinen, Panu Karjalainen, Timo Murtonen, Kati Lehtoranta, Hannu Vesala, Matthew Bloss, Sanna Saarikoski, Päivi Koponen, Pekka Piimäkorpi, Topi Rönkkö. Black carbon measurement validation onboard (SEA- EFFECTS BC WP2), Research Report VTT-R Draft (available in 9/2017, ICCT. Black Carbon Measurement Methods and Emission Factors from Ships,

26 26