M2T9902 LIIKENTEESSÄ OLEVIEN JA UUSIEN HENKILÖAUTOJEN ENERGIANKULUTUS JA PAKOKAASUPÄÄSTÖT

Transkriptio

1 M2T9902 LIIKENTEESSÄ OLEVIEN JA UUSIEN HENKILÖAUTOJEN ENERGIANKULUTUS JA PAKOKAASUPÄÄSTÖT Juhani Laurikko VTT Energia Moottoritekniikka ja liikenteen energiankäyttö 11

2 MOBILE2-raporttikaavake 2002 Raportointiaika Tammikuu 2002 Raportointikausi Projektin koodi Projektin nimi Liikenteessä olevien ja uusien henkilöautojen energiankulutus ja päästöt Vastuuorganisaatio VTT Energia, Moottoritekniikka ja liikenteen energiankäyttö Projektin vastuuhenkilö Juhani Laurikko Projektin yhteyshenkilö Osoite Juhani Laurikko PL 1601, VTT Puhelinnumero Telefax Sähköpostiosoite (09) (09) M2T9902 Muut tahot: Organisaatio Yhteyshenkilö Puhelinnumero Sähköpostiosoite Ajoneuvohallintokeskus Ove Knekt Hankkeen alkamisaika Hankkeen suunniteltu kesto Hankkeen suunniteltu päättymisaika kk Projektin rahoitus (kmk) Organisaatio Yhteensä MOBILE 2 -rahoitus Muu rahoitus eriteltynä Yhteensä Hankkeen tavoite Tutkimuksen tavoitteena on selvittää liikenteessä olevan autokannan energiankulutuksen ja pakokaasupäästöjen suuruus ja muutostrendit. Ajoneuvokantamme on tällä hetkellä verrattain hitaan uusiutumisen vuoksi varsin kirjava. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää liikenteessä olevan autokannan energiankulutuksen ja pakokaasupäästöjen suuruus ja muutostrendit. Tutkimuksen kuluessa tehdään pakokaasu- ja polttoaineen kulutusmittauksia nykyisen autokannan ominaisuuksien selvittämiseksi vanhoilla autoilla sekä muutostrendien arvioimiseksi uusilla malleilla. Tulokset antavat tukea mm. laskentamalleille, määräysten valmistelutyössä sekä mahdollistavat vaihtoehtotarkastelut pyrittäessä energiansäästö- ja päästövähenemätavoitteisiin. Uusien autojen mittaukset liittyvät myös kuluttajille suunnatun, autojen uushankintaa ohjaavan informaation tuottamiseen (MOTIVAn Ekoauto-projekti jne.). 12

3 Projektin julkaisuluettelo (MOBILE 2 julkaisut ja muut julkaisut projektiin liittyen) Juhani Laurikko. Liikenteessä olevien ja uusien henkilöautojen energiankulutus ja päästöt Vuosiraportti M2T Maaliskuu Tapio Ketonen. Vuoden 2000 Ekoauton valinta Ympäristöarvojen merkitys kasvaa. Artikkelikokonaisuus. Tuulilasi, 2/2000, helmikuu (sisältää projektin tuottamaa aineistoa) Laurikko, J. Exhaust emissions from in-use TWC cars driven in Nordic conditions: durability, stability and tune-up issues. Proc. 9th Int. Symposium on Transport and Air Pollution, Vol 70, INRETS (ed.), Arcueil, France, 2000, pp Laurikko, J. Exhaust emissions from medium and high-mileage in-service cars with three-way catalytic emissions control system driven under Nordic driving conditions Proc. of Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, Seoul, Korea, June 2000, Paper F2000H188 (CD-ROM only). KSAE Tapio Ketonen. Vuoden 2001 Ekoauton valinta Artikkelikokonaisuus. Tuulilasi, 2/2001, helmikuu (sisältää projektin tuottamaa aineistoa) Vielä ilmestymässä: Juhani Laurikko. Liikenteessä olevien ja uusien henkilöautojen energiankulutus ja päästöt Loppuraportti. M2T Tammikuu 2002 Tapio Ketonen. Vuoden 2002 Ekoauton valinta Artikkelikokonaisuus. Tuulilasi, 2/2002, helmikuu (sisältää projektin tuottamaa aineistoa) Seminaarit (Seminaarit ja konferenssit joissa projektia on esitelty, ml. MOBILE 2 -seminaarit) Seurantaryhmäkokous Seurantaryhmäkokous th Int. Symposium on Transport and Air Pollution, Avignon, France, June Esitelmässä aineistoa po. projektista Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, Seoul, Korea, June Esitelmässä aineistoa po. projektista Seurantaryhmäkokous Seurantaryhmäkokous Seurantaryhmäkokous Opinnäytteet hankkeeseen liittyen Ei ole. Patentit hankkeeseen liittyen Ei ole. 13

4 1. JOHDANTO JA TAVOITTEET Henkilö ovat suurin yksittäinen lähde liikenteen epäpuhtauksille miltei kaikissa ilmaa likaavissa yhdisteissä. Siksi niiden ominaispäästöjen tunteminen on tärkeätä, jotta päästöinventaarioissa päädytään mahdollisimman todenmukaisiin tuloksiin, ja jotta laskentamalleilla tehdyt arviot päästöjen kehityksestä ovat oikean suuntaisia. Taloustilanteen parantumisesta ja osittaisesta autokaupan elpymisestä huolimatta ajoneuvokanta Suomessa on vielä 1990-luvun talouslaman ja sen aikana tapahtuneen verrattain hitaan uusiutumisen vuoksi keski-iältään varsin vanhaa ja tyypeiltään kirjavaa. Liikenteessä olevista autoista vasta noin runsas puolet on katalysaattorilla varustettuja, ja huomattavan osan varsinkin kokonaispäästöistä - muodostavat vielä nk. "vanhan tekniikan, joiden päästöt auton ikääntyessä lisääntyvät nopeammin kuin uuden tekniikan autoissa. Päästöjen inventaariolaskelmissa tarvittaisiin nykyistä paremmat tiedot ajoneuvokannan ominaisuuksista ja pakokaasupäästöt/energian kulutus ominaisarvoista. alysaattoriautojen päästömuutoksia on seurattu Ajoneuvohallintokeskuksen ja sen edeltäjän, Autorekisterikeskuksen toimesta vuosina , ja po. tutkimuksen antamien tulosten perusteella toimintaa oli tarpeen jatkaa, jotta kuva tekniikan toimivuudesta Suomen vaikeissa ajo- ja käyttöolosuhteissa tarkentuisi ja tilanne pysyisi hallinnassa. Päästöiltään merkittävin autoryhmä nyt, kun uusissa autoissa käytetään tehokasta katalysaattorilla tapahtuvaa pakokaasunpuhdistusta, ovat kuitenkin vanhat katalysaattorittomat, ennen vuotta 1990 käyttöön otetut, joita vuoden 2001 lopulla kannasta oli vielä arviolta lähes puolet. Siksi oli perusteltua paneutua erityisesti niiden päästöihin, joista suomalaisia koetuloksia oli varsin niukasti saatavilla. Jotta autokannan ominaispäästöjen tulevaa kehitystä voitaisiin arvioida, hankkeeseen liittyi mittauksia myös aivan uusilla malleilla, jotka edustavat niitä autoja, joiden määrä kannassa kasvaa korvaten vähitellen vanhoja, liikenteestä poistuvia. Suomen autokannan uusiutuminen on kuitenkin monestakin eri syystä ollut hidasta ja autokannan keski-ikä on 1990-luvun loppupuolella ja 2000-luvun alussa pidentynyt ollen EU:n jäsenmaista pisimpiä. Siten projektin tulosten merkitys on sen käynnissäoloaikana jopa kasvanut. 2. TUTKIMUKSEN TOTEUTUS 2.1 Menetelmät Tutkimussuunnitelman mukaan normaalikäytössä olleilla autoilla tehtiin pakokaasu- ja polttoaineen kulutusmittauksia nykyisen autokannan ominaisuuksien selvittämiseksi. Ajo-ohjelmana näissä kokeissa käytettiin EU:n vuoden 2000 alusta voimaan tulleen, e-säännön 98/69/EC määrittämän ns. EURO 3 vaatimustason mukaisen pakokaasukokeen ajoohjelmaa ( EC2000 ). Siinä nykyistä EU -ajo-ohjelmaa on muutettu siten, että 40 sekunnin joutokäyntijakso ennen vaiheen 1 alkua on jätetty pois. Tämän lisäksi autoilla ajettiin vielä ylimääräinen ECE15-kaupunkiajosykli, mutta jaksojen välissä pidettiin 10 minuutin mittainen tauko, jonka aikana moottori oli pysäytettynä. Kuva 1 esittää ajosyklin ja sen jakautumisen vaiheisiin, joille on määritetty osatulokset. 14

5 EC Vaihe 1: ECE 15 Vaihe 3: ECE Vaihe 2: EUDC 10 min tauko moottori pysäytettynä Kuva 1. Ajosykli ja sen vaiheet Koska tavoitteena oli määrittää ns. todellisia päästökertoimia, polttoaineena käytettiin kauppalaatuista bensiiniä ja dieselöljyä. Koelämpötila oli normaali (+23 C), paitsi mitattaessa uusia autoja EkoAuto-hankkeessa (ks. kohta 4.2.2), jolloin mittauksissa käytettiin -7 C lämpötilaa, koska näistä autoista haluttiin tutkia etenkin kylmäpäästöjä. Näistä mittauksista on kuitenkin vertailukelpoisia tuloksia sekä maantieajoa kuvaavan EUDC-osuuden että tauon jälkeen lämpimän moottorin käynnistyksellä aloitettu ECE15-ajojakso, joka kuvaa kaupunkiajoa. 2.2 Tutkimuskohteet alysaattorittomat Hankkeen ensimmäisessä vaiheessa vuonna 1999 tehtiin mittauksia liikenteessä olleilla, vm katalysaattorittomilla autoilla (24 kpl). Autot kerättiin AKE:n ja VTT:n Otaniemen alueen henkilökunnalta. Tarjolle saatiin yhteensä 103 autoa. Koeautojen valintaa ohjasi merkin yleisyys tarjonnassa sekä AKE:n rekisteröintitilastojen mukaan antama viite mallin yleisyydestä nykyisessä autokannassa. Tavoitteena oli yleisimpien merkkien ja mallien mittauksilla saavuttaa mahdollisimman laaja peitto ja samalla edustavuus. Täydennyksenä em. otokseen mitattiin vuoden 2000 toukokuussa 4 bensiinikäyttöistä ja 5 dieselmoottorista autoa, joiden vuosimallit vaihtelivat välillä (bensiini) ja (dieselkäyttöiset). Moottorin iskutilavuudeltaan tutkitut olivat välillä 1,0 2,3 dm 3, ja keskimääräinen moottorikoko oli 1,6 dm 3. Keskimääräinen ajomäärä oli bensiinimoottoristen autojen otoksessa noin km, ja käyttöikä 13,5 vuotta, jolloin keskimääräiseksi vuosisuoritteeksi tulee vähän alle km, mikä varsin hyvin vastaa tilastojen mukaista keskisuoritetta. Verrattaessa keskimääräisiä diesel- ja bensiinimoottorisia autoja toisiinsa, havaitaan, että otoksissa mukana olleissa dieselmoottoriautoissa omapaino oli noin kg eli noin 4 suurempi kuin bensiinikäyttöisissä (keskiarvo noin 930 kg), ja vastaavasti moottorin iskutilavuudet olivat saman verran suurempia. Myös ajokilometrit dieselautoilla olivat selvästi suuremmat, keskimäärin noin km, eli noin 75 % enemmän kuin bensiinikäyttöisillä autoilla. 15

6 2.2.2 Uusimman tekniikan Uusien autojen mittaukset liittyivät Motivan EkoAuto hankkeeseen, jossa vuosittain tutkittiin 12 auton päästöt. Näistä dieselmoottorisia oli kolme vuosina 1999 ja 2000, mutta enteellisesti dieselautojen kasvavaa suosiota kuvaavana vuonna 2001 jo kuusi. Vuosina 1999 ja 2000 mitatut olivat enimmäkseen EURO2-hyväksyttyjä, mutta vuoden 2001 otoksen tyyppihyväksymiseltään jo oletettavasti EURO3-tasoisia, koska jälkeen kaikilta ensirekisteröinneiltä sitä on alettu vaatia. 3. TULOKSET JA NIIDEN ARVIOINTI Koska hankkeesta ilmestyy vuosikirjan kanssa samanaikaisesti myös loppuraportti, ei tähän artikkeliin ole sisällytetty yksittäisiä mittausten tuloksia, vaan ne on esitetty ainoastaan mainitussa loppuraportissa. Tässä artikkelissa esitetään vain keskimääräiset päästöarvot ja niiden vertailu aikaisempiin mittaushankkeisiin, joita tehtiin Ajoneuvohallintokeskuksen ja sen edeltäjän, Autorekisterikeskuksen toimesta vuosina Varsinaisessa loppuraportissa käsitellään päästöjen muuttumista myös autojen ajomäärän kasvaessa, minkä tarkastelua ei ole sisällytetty tähän artikkeliin, mutta jota käsiteltiin vuoden 2000 vuosikirjan artikkelissa. Yhteenveto koetuloksista sekä eräitä vertailuarvoja on esitetty taulukossa 1. Taulukon arvojen perusteella on myös piirretty joukko graafeja (kuvat 2...6), jotka havainnollistavat ominaispäästöjen suuruutta ja kehitystä eri ikäisissä autoissa. (=ECE15 kuuma) Taulukko 1: Yhteenveto Suomen henkilöautokannan pakokaasupäästöistä eri mittaushankkeiden tulosten keskiarvojen perusteella autojen lkm mittausvuosi keskim. ajo-km [km] keskim. omapaino [kg] CO g/km HC g/km NOx g/km PM g/km CO 2 g/km '98-' '94-' '99-' '98-' autoja yhteensä (bensiini) 175 (diesel) 29 (=EUDC kuuma) CO g/km HC g/km NOx g/km PM g/km CO 2 g/km '98-' '94-' '99-' '98-' Kuvissa 7 13 on esitetty em. ominaispäästöjen suhteelliset arvot päästökomponenteittain siten, että kuvaparin toisessa kuvassa normeeraus (=100%) on tehty erikseen vanhojen ei-kat. ja dieselautojen suhteen, jolloin nähdään kehitys moottorityypeittäin, ja toisessa kuvassa normeeraus on puolestaan tehty vain vanhoihin ei-kat-autoihin, jolloin nähdään ominaispäästöjen suhteellinen suuruus myös bensiini/dieselmoottoristen autojen välillä. 16

7 CO [g/km] Kuva 2: Hiilimonoksidin (CO) ominaispäästöt kaupunki- ja maantieajossa eri ikäisillä henkilöautoilla Suomessa HC [g/km] Kuva 3: Hiilivetyjen (HC) ominaispäästöt kaupunki- ja maantieajossa eri ikäisillä henkilöautoilla Suomessa 17

8 NOx [g/km] EU Kuva 4: Typen oksidien (NOx) ominaispäästöt kaupunki- ja maantieajossa eri ikäisillä henkilöautoilla Suomessa PM [g/km] EU Kuva 5: Hiukkasten (PM) ominaispäästöt kaupunki- ja maantieajossa eri ikäisillä henkilöautoilla Suomessa 18

9 9 7 CO [%] % 18 % 11 % 1 % 3 % 1 % 4 % 7 % % 9 % EU2 15 % 3 % 2001 Kuva 6: Hiilimonoksidin (CO) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (erikseen bensiini- ja diesel) 9 7 CO [%] % 0.6 % 0.7 % 8 % 18 % 3 % 4 % 7 % % 5 % EU2 0.4 % 0.6 % 0.2 % 0.1 % 2001 Kuva 7: Hiilimonoksidin (CO) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (ei-kat = 100%) 19

10 9 7 HC [%] % 5 % 1 % 5 % 3 % 4 % 5 % 7 % 8 % % 5 % EU Kuva 8: Hiilivetyjen (HC) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (erikseen bensiini- ja diesel) 9 7 HC [%] % 0.8 % 5 % 5 % 1.4 % 3 % 4 % 5 % % 16 % 1 % 1 % % 1 % 2001 Kuva 9: Hiilivetyjen (HC) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (ei-kat = 100%) 20

11 1 77 % 119 % 109 % 96 % NOx [%] 4 31 % 31 % 3 % 5 % 1 % 6 % 9 % 12 % EU Kuva 10: Typen oksidien (NOx) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (erikseen bensiini- ja diesel) 9 NOx [%] % 56 % 69 % % 31 % 3 33 % 35 % 1 3 % 5 % 1 % 6 % 9 % 12 % EU Kuva 11: Typen oksidien (NOx) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (ei-kat = 100%) 21

12 9 7 PM [%] % 3 22 % EU2 12 % 2001 Kuva 12: Hiukkasten (PM) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (vain diesel) CO 2 [%] 163 % 142 % 117 % 126 % 128 % 111 % 114 % 117 % 96 % 109 % 105 % 103 % 9 96 % EU Kuva 13: Hiilidioksidin (CO 2 ) ominaispäästäjen suhteelinen kehitys (ei-kat = 100%) 22

13 Tarkasteltaessa kuvien 2 5 esittämiä ominaispäästöjä havaitaan, kuinka selvästi vanhat, katalysaattorittomat erottuvat joukosta. Hiilimonoksidin suhteen niiden ominaispäästöt ovat noin viisi-kymmenkertaiset ja hiilivetyjen suhteen jopa 20-kertaiset verrattuna 1. sukupolven kat-autoihin, jotka tulivat liikenteeseen 1990-luvun alkuvuosina. Typen oksidien suhteen niiden päästöt kaupunkiajossa ovat noin kolminkertaiset, mutta maantieajossa jopa kahdeksankertaiset verrattuna niiden tilalle 1990-luvun alussa tulleiden kat-autojen päästöihin. Suhteellisessa vertailussa (kuvat 6-12) nähdään, että uusimmat EURO 2- ja EURO 3 tasoiset bensiinikäyttöiset henkilö tuottavat enää keskimäärin noin 1-3 % niistä hiilimonoksidin (CO) ja hiilivetyjen (HC) päästötasoista, jotka on mitattu vanhoista, katalysaattorittomista autoista. Typen oksidienkin suhteen jäljellä on enää noin 5-6 % EURO 2-autoissa ja vain noin 1 % tyyppihyväksymiseltään EURO 3-tasoisissa autoissa. moottorisissa autoissa kehitys on ollut häkä- ja hiilivetypäästöjen suhteen sellainen, että uusimmissa dieselautoissa ominaispäästöt ovat noin kymmenesosa vanhojen autojen päästöistä. Typen oksidien päästöt ovat keskimäärin jopa hieman nousseet, mutta tämä selittynee hiukkaspäästöjen voimakkaalla laskulla: uusissa autoissa jäljellä on enää 10- siitä tasosta, joka mitattiin vanhoista, liikenteessä jo pitkään olleista dieselautoista Verrattaessa bensiini- ja dieselkäyttöisiä autoja nähdään, että uusimmat diesel ovat COja HC-päästöjen suhteen kilpailukykyisiä kat-tekniikan kanssa, mutta typen oksidien päästöt ovat uusimmissakin dieselautoissa noin viisinkertaiset uusimpiin kat-autoihin verrattuna. Hiilidioksidipäästöjen suhteen vertailu osoittaa, että polttoaineen kulutus (johon CO 2 -päästöt ovat suoraan verrannollisia) kasvoi ensimmäisen sukupolven kat-autoissa noin 30 5, mutta moottoritekniikan kehitys on sittemmin pienentänyt kulutuslukemia, vaikka autojen keskimääräinen omapaino on noussut noin 25 %. Tämä on seurausta turvakorien ja turvatekniikan lisääntymisestä sekä muun lisävarustuksen määrän kasvusta. autojen hyvä polttoainetalous näkyy siinä, että vaikka uusimmat diesel ovat runsaat 3 painavampia kuin keskimäärin 1980-luvulla ennen katalysaattoritekniikan käyttöönottoa, niiden hiilidioksidipäästöt ovat silti samaa tasoa tai jopa hieman pienemmät, etenkin kaupunkiajossa. Tulosten perusteella voidaan arvioida, että kun henkilöautokannan uusiutumisen myötä vanhimmat, vielä ilman katalysaattoria olevat bensiinikäyttöiset korvautuvat uudemmilla, autokannan keskimääräiset häkä- ja hiilivetypäästöt vähenevät erittäin voimakkaasti ja typen oksidienkin suhteen kehitys on oikean suuntaista. Sen sijaan keskimääräinen polttoaineen kulutus ja hiilidioksidipäästö eivät ensimmäisessä vaiheessa todennäköisesti juuri laske ennen kuin aivan uusimman tekniikan alkavat saada huomattavaa osuutta autokannassa. Mikäli autokannan uusiutuessa tapahtuu aikaisempaa voimakkaampaa siirtymistä dieselmoottorisiin autoihin, mikä on viime vuosien myyntilukujen valossa todennäköistä, typen oksidien päästöt eivät alene niin nopeasti kuin jos uusiutuminen tapahtuisi bensiinikäyttöisten katautojen kautta. Muiden päästöjen ja polttoaineen kulutuksen suhteen autokannan nykyistä voimakkaampi dieselöityminen on kuitenkin edullista. 23

14 4. JATKOTUTKIMUKSET Hanke on virallisesti päättynyt , eikä sille ole tulossa suoraa jatkohanketta, vaan tutkimuksellinen panos suunnataan nyt raskaisiin ajoneuvoihin eli kuorma- ja linja-autoihin. Tässä esiteltyjä tuloksia tullaan kuitenkin jatkossa käyttämään hyväksi mm. LIISAlaskentajärjestelmää kehitettäessä. 24