Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika

Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika Michal Vojtíšek, M.Sc., Ph.D.

Fakulta strojní, ČVUT v Praze Faculty of Mechanical Engineering, Czech Technical University in Prague [email protected] tel. (+420) 774 262 854

Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

1

Představení... Co děláme... Měření emisí za reálného provozu

… měření nanočástic ve výfukových plynech a jejich vzorkování pro toxikologické analýzy

„Celý den jezdí auty sem a tam, aby ukázali, že ježdění autem je špatné pro životní prostředí.“ (Steve Taylor, New York) (A taky traktorem, kamionem, lokomotivou, bagrem, autobusem, sekačkou, nakladačem, malým letadlem, na motorce, trajektem, ... ) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

2

Projekt MEDETOX: EU LIFE+ program, projekt LIFE10 ENV/CZ/651

Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci, Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

3

Úvod Emise ze spalovacích motorů jsou z hlediska zdravotního rizika jedním z největších zdrojů znečištění ovzduší v městských aglomeracích. Většina našich odhadů celkových emisí je založena převážně na měření relativně malého počtu relativně nových motorů za ideálních podmínek v laboratoři, a na měření imisí. Emise z daného vozidla v daném okamžiku jsou velmi různé – závisí na technologii motoru, technickém stavu, atmosférických a provozních podmínkách, způsobu jízdy, ... na to se často zapomíná! Splňuje-li nějaký motor nové emisní normy (Euro 3,4,5,…) při homologačních zkouškách za ideálních podmínek, neznamená to nutně že má odpovídající nízké emise i po celou dobu reálného provozu.

Pouze sledováním emisí (regulovaných i neregulovaných) po celou dobu životnosti vozového parku můžeme získat podklady pro uvážená rozhodnutí o vhodných opatřeních pro snížení emisí.


4

Nová paliva a nové technologie = potenciál pro nové problémy Oxidační katalyzátory + chudá směs: NO -> NO2 Selektivní redukce NOx: Nesprávné dávkování redukčního činidla: NH3 Alkoholová paliva: HCHO (formaldehyd), CH3CHO (acetaldehyd) Snížení emisí při studeném startu: Třícestný katalyzátor blízko výfuku je za vysokých zatížení ochlazován benzinem: PM, HC, CO Pokroky ve vstřikování paliva naftových motorů: Snížení částic elementárního uhlíku v akumulačním módu, ale výrazně menší snížení organických nanočástic

Tato přednáška je o nanočásticích. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

5

Současná situace silniční dopravy • Intenzita dopravy i spotřeba paliva rostou • Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, se stávají jedním z hlavních problémů většiny měst • Spalování fosilních paliv vede k emisím skleníkových plynů, jejich narůstající koncentrace spojena s rizikem klimatických změn • Zásoby fosilních zdrojů jsou omezené • ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích


6

Automobilismus

Praha, 2009 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

7

Částice ve výfukových plynech naftového motoru

Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670.


8

Diesel Particles SizeDistribution Morphologie depends on size A.M ayer, TTM


9

Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory

Kittelson, J . Aerosol Sci . Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

10

Zachycovací účinnost dýchacího systému

A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

11

Pronikání velmi jemných částic (desítky nm) buněčnou membránou 1000 nm Polystyrene Particles

78 nm Polystyrene Particles

Barbara Rothen-Rutishauer, as quoted by A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

12

Measurement of gases and PM with on-board system

Sampling of PM with on-board proportional sampling system PEMS

“Low-profile” installation

Miniature partial-flow dilution tunnel

Proportional exhaust particle sampling


13

On-board monitoring system Response approximately proportional to PM mass concentrations for a given engine

Nephelometer (laser scattering) Filtered dilution air 10-12 lpm raw exhaust Before or after DOC, DPF, …

CAT

Condensate and large particle removal

Modified ionization smoke alarm (a 100 EUR system) - response proportional to total particle length (close to lung deposited surface area?)

Sample cool & reheat

F-FC-P

F-FC-P

Charge meter

F-FC-P

F-FC-P

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

F-FC-P

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

Filter, flow control, pump

Engine Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

outflow 14

PM length measurement – comparison

0.1 g/kWh PM engine, various fuels and modes, EC 1%-79% reference: EEPS sampling from dilution tunnel

(multiplied by intake air flow for comparison measurements)

~ 0.1 mg/m3 sensitivity cheap (100 EUR) “poor man’s PEMS” concept

mass 100 Rapeseed oil no DPF Rapeseed oil with DPF Diesel fuel no DPF

10

Diesel fuel with DPF

1 0.01

Rapeseed oil no DPF

1000

Rapeseed oil with DPF

0.1

1

10

EEPS total mass concentration (at 0.55 g/cm3) [mg/m3]

Diesel fuel no DPF

100

length length mean mobility diameter

10

1 1

10

Rapeseed oil no DPF

1000

Diesel fuel with DPF

100

EEPS total length concentration [mm/cm3]

1000

ionization chamber length concentration [mm/cm3]


1000


heated ionization “fire detector” undiluted raw exhaust

Rapeseed oil with DPF Diesel fuel no DPF Diesel fuel with DPF 100

PN>23 nm

10

with volatiles 1 1.E+04

1.E+05

1.E+06

EEPS total number concentration > 23 nm [#/cm3]


15

1.E+07

Koncentrace emitovaných částic jsou nejvyšší v přímé blízkosti dopravních tepen

Inkrementální PM2.5 koncentrace z těžkých vozidel se vznětovými motory (průjezd ve směru modrých šipek) Modelování: Konheim & Ketcham, Brooklyn, New York Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

16

Prostorové rozložení imisí PM10

(ATEM / Praha – Životní prostředí 2009)


17

Prostorové rozložení zdrojů emisí PM (Český hydrometerologický ústav)


18

Poměrné riziko infarktu myokardu v závislosti na vzdálenosti od komunikace s vysokou intenzitou dopravy 3399 pacientů, věk 45-75, Essen, Germany (A. Mayer, TTM, Switzerland)

Risiko OR

3 2.5 2 1.5 1 > 200

100-200

50-100

0.5

< 50 m Distanz

0 Hoffmann 2006


19

Mikroskopické pevné částice vznikající spalováním jsou jedna z nejčastějších příčin předčasného úmrtí. V Kalifornii zabíjejí více lidí, než dopravní nehody, a přibližně stejně jako druhotný cigaretový kouř. Emise z dopravy v EU: o řád více úmrtí než nehody 406 tisíc předčasných úmrtí ročně Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

20

Emise se zvyšují s najetými km - a to ne stejně, i pro jinak „stejná“ vozidla! Příklad: Emise NMHC, autobusy poháněné zemním plynem Pittsburgh, Pennsylvánie, USA Měření za reálného provozu autorem, 1996-1999 HC [g/mile] 2.5

1

2

3

17

18

20

HC [g/mile]

5 13

6 14

7 15

8 16

9 19

10

2.5

2.0

2.0

1.5

1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

0.0

0.0 0

4 11

5000

10000 15000 20000

25000 30000

0

5000

test mileage


10000

15000 20000

test mileage

21

25000

30000

Nepoměrné množství celkových emisí má na svědomí nepoměrně malá část vozidel

Graph: P rof. Donald Stedm an, University of Denver, University lecture on vehicle em issions, 1995 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

22

Jízda po dálnici

Fraction of total trip CO

17:29:00

17:28:30

17:28:00

17:27:30

17:27:00

17:26:30

17:26:00

10

17:25:30

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 17:25:00

CO [g/s]

Osobní automobil, benzinový motor, 138 kW 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100 %

9

Fraction of trip time

8

6 5 4 3 2 1


23

19:25

19:15

19:05

18:55

18:45

18:35

18:25

18:15

18:05

17:55

17:45

17:35

17:25

17:15

17:05

0 16:55

CO [g/s]

7

Euro 4 Škoda Octavia, nafta – kdesi v Praze za provozu CO2

NOx

PM*10

rpm

km/h

NOx [mg/s], PM*10 [mg/s], CO2 [g/s], speed [km/h]

60 50 40 30 20 10 0 14:13:00

14:15:00

14:17:00

14:19:00

Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacímiMeasurement motory a jejich rizika. by Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

the author.24

14:21:00

Emisní problémy automobilových vznětových motorů v EU Euro 4 Skoda Fabia – vozidlová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny

Nižší zdvihové objemy a turbo: výkon v malých otáčkách zajišťován předávkováním palivem

Emise zhoršeny nízku účinností oxidačního katalyzátoru po delším volnoběhu

Požadavek potřebného přebytku vzduchu je protichůdný požadavku na vysoký výkon

NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel

PM concentrations Supplemental tests

50

50

NEDC Run 1

45

Supplemental tests NEDC Run 1

NOx

45

NEDC Run 2

NEDC Run 2

40 fuel delivery rate [relative]

40 fuel delivery rate [relative]

NOx: Použití EGR je protichůdné požadavku vyššího výkonu

35 30 25 20 15

PM

10 5

35 30 25 20 15 10 5 0

0 0

1000

2000 3000 engine rpm

4000

5000

Dlouhý provoz v nízkém zatížení: Zhoršení spalování, vyšší podíl OC v PM, snížení účinnosti katalyzátorů

0

1000

2000 3000 engine rpm

NOx sníženy EGR

(recirkulace výfukových plynů)


25

4000

5000

?

Euro 4 Škoda Octavia – dálnice, vysoká rychlost Agresivní rychlá jízda, nikoliv netypická pro české poměry Výsledky porovnány s jízdním cyklem ECE v laboratoři

PM

3

3

2

2

1 0 -1 -2

NO

4

acceleration [m/s 2]

acceleration [m/s 2]

4

1 0 -1 -2

Real-world freeway

-3

ECE 2 (dyno)

-4

Real-world freeway ECE 1

-3

ECE 2 -4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

road speed [km/h] Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

60

80

100

120

road speed [km/h]

26

140

160

180

Emisní problémy automobilových zážehových motorů v EU Euro 5 Škoda 1,2 HTP – motorová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny

Snížení teploty výfukových plynů (ochrana katalyzátoru) přechodem na bohatou směs při vysokých zatíženích

1,2

0,95 1

0,88

0,91

Concentration of THC [ppm] for gasoline

1,02

0,6

1,02

1,02

HC

1,2

0,90

1,03

0,91

394 1

41

0,8

24

34

0,2

305

370

4


27

rpm

6000

5000

Stechiometrický poměr palivo-vzduch

4000

0 0

rpm

6000

5000

4000

3000

2000

1000

320

0,4

1,02

0 0

30

30

3000

1,02

0,93

1000

0,2

0,6

1,02

342

43

0,4

1,03

427

1763

2000

0,8

BMEP [MPa]

BMEP [MPa]

Přebytek Characteristicvzduchu of λ ratio for(λ) gasoline

Heavy vehicle creep problem

50

EGT/10[C]

90

45

PM [mg/m3]

75

40

speed [km/h]

60

35

45

30

30

25

15

20

0

15

-15

10

-30

5

-45

0 16:00:00

16:15:00

-60 16:45:00

16:30:00


28

speed [km/h]

PM in exhaust [mg/m3] exhaust temp [C] / 10

* Deterioration of combustion at idle * Low exhaust gas temperatures decrease efficiency of catalytic devices (DOC, SCR) * Particulate matter stored in exhaust system to be released later Practical Increase in efficiency limit PM emissions of DOC, SCR “getting out of creep”

Heavy vehicle creep problem * Deterioration of combustion at idle * Low exhaust gas temperatures decrease efficiency of catalytic devices (DOC, SCR) * Particulate matter stored in exhaust system to be released later Practical efficiency limit of DOC, SCR 80

“creep”

Speed [km/h]

70

450 400 350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10

50

0 9:30:00

9:45:00

10:00:00

10:15:00

10:30:00


0 10:45:00

29

Exhaust Gas Temperature at tailpipe [C]

speed [km/h] EGT [C]

90

Laboratory simulation of creep 600 “Extended idle”

PN PN>23 torque [Nm]

400 300

1.E+05

200

EGT [C], torque [Nm]

500

EGT [C]

1.E+06

100 1.E+04 14:20:00

14:25:00

14:30:00

“Extended idle” > 20 minutes

14:35:00

14:40:00

“Short idle”

“Deposit burn-off” at 100% load after extended low-load

“Stabilized load”

EU Tier IIIA engine, 0.10-0.15 g/kWh PM EEPS sampling from CVS with 10:1 additional dilution

particle concentration in CVS [#/cm3]

particle number [#/cm3]

1.E+07

extended idle 1.E+06 14:45:00 14:50:00 burn-off at 100% load

0 14:55:00

stabilized 100% load 1.E+05 short idle extended idle 1.E+04

1.E+03

1.E+02

1.E+01


1

10

100

mobility diameter [nm]

30

1000

Typické velikostní spektrum částic Zážehové vs. Vznětové motory (USA)


31

Koncentrace částic ve výfukových plynech: Zážehové vs. Vznětové motory (USA)


32

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI


33

Škoda Fabia – benzinový motor 1,2 HTP

400

70

350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10

50

0 17:15:00

17:25:00

17:35:00

Jízda ustálenou rychlostí (řidič se snažil, jinak se takto příliš nejezdí) Toto je cesta po Praze po místních komunikacích (nikoliv po obchvatu)

Toto je výjezd z Prahy a cesta po příměstské arteriální komunikaci

450

0 17:55:00

17:45:00

100 90 80

Jízda po městě – 0,7 až 2 litry benzinu za hodinu „vlastní“ spotřeba motoru a příslušenství (jen 1-2 litry na 100 km na „pohon“ vozidla)

Rychlost [km/h] emise NOx [mg/s] emise HC [mg/s] emise CO [mg/s]

500 450 400

70

350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10

50

0 16:25:00

16:35:00


16:45:00

16:55:00

34

0 17:05:00

emise CO [mg/s]

80

500

rychlost [km/h], emise HC a NOx [mg/s]

rychlost [km/h], emise HC a NOx [mg/s]

90

Rychlost [km/h] emise NOx [mg/s] emise HC [mg/s] emise CO [mg/s]

emise CO [mg/s]

100

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI PM [ug/s]

10000

120 100

100

80 60

10

40 20 0 12:25:00

12:35:00

12:45:00

12:55:00

acceleration [m/s2]

3 2 1 0 -1 -2

4 3 2 1 0 -1 -2

-3

-3

-4

-4

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]

120

Area of each mark is proportional to the instantaneous PM emissions in mg/s

5

Fuel consumption

0

13:05:00

Instantaneous PM emissions 6

4

road speed [km/h]

1000

Instantaneous fuel consumption

5

acceleration [m/s2]

140

km/h GPS

1 12:15:00

6

160

PM [mg/m3] PM in raw exhaust [mg/m3] PM mass emissions [ug/s]

Jízda po letišti – ustálené rychlosti a akcelerace (pokusná měření)

140

0

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]


120

140

35

Okamžitá spotřeba paliva a emise v závislosti na okamžité rychlosti a zrychlení – při vysokých zrychleních jsou emise částic neúměrně vyšší než spotřeba paliva

Měření emisí z malých motorů

_____________________________________________________________________________________

Chainsaws

Stihl 029 (top) Stihl MS361 (bottom) 2-cycle gasoline Cutting firewood (logs) On-board system mounted on accompanying tractor Chain saw 2-cycle Log #1

fuel-specific emissions [g / kg fuel] or [ / kg fuel]

idling

idling

Log #2

HC CO NOx 4.5 CO2 4 PM-Opt 3.5 PM-Ion km/h 3 5

idling

Log #3

1000

100

2.5 10

2 1.5

1

1 0.5

0.1 11:06:00

11:08:00

11:10:00


0 11:14:00

11:12:00

36

ground speed [km/h]

10000

Příklad skutečně ustáleného chodu motoru: Lokomotiva ČKD řady 749 •

Lokomotiva řady 749, ČKD Praha, r.v. 1968

•

Motor: K 6S310 DR, ČKD Praha, r.v. 1968, řadový přeplňovaný šestiválec, zdvihový objem 163,2 litru, výkon 1500 k při 775 ot/min

•

5 vagonů, hmotnost soupravy 290-300 tun (počet a hmotnost cestujících nebyly přesně známy)

•

Měření provedena při běžném provozu rychlíku na trati Praha - Tanvald


37

Lokomotiva ČKD řady 749 Emise PM (průměr Praha-Turnov): 1.05 g/km, 0.66 g/kg paliva (spotřeba paliva 185 l/100 km), ~ 0.0035 g/t-km (300 tun), ~ 0.0026 g na “sedadlo-kilometr” (Euro 6: 0.0045 g/km automobil)

100 90

800 700

80 70

600 500

60 50

400 300

40 30

200 100 0

20 10 0

7:00:00

7:15:00

7:30:00

7:45:00

8:00:00

8:15:00

8:30:00

8:45:00

9:00:00

9:15:00

9:30:00

9:45:00

10:00:00 NO [ppm] 50 CO [ppm] 45 PM [mg/m3] 40

2000

exhaust NO [ppm], CO [ppm]

110

1800 1600 1400

35

1200

30

1000

25

800

20

600

15

400

10

200

5

0

0

7:00:00

7:15:00

7:30:00

7:45:00

8:00:00

8:15:00

8:30:00

8:45:00

9:00:00

9:15:00


9:30:00

38

9:45:00

10:00:00

PM [mg/m3]

generator power [kW]

Track speed [km/h]

1000 900

track speed [km/h]

Power [kW]

1100

Co s tím? ... Osvěta! (Např.: Nesušit si rukavice výfukovými plyny ze svářecího agregátu)


39

Co s tím? ... Údržba! (Malé procento motorů ve špatném stavu = velký podíl na celkových emisích)


40

Co s tím? ... Údržba! (Malé procento motorů ve špatném stavu = velký podíl na celkových emisích)

Graph: Prof. Donald Stedman, University of Denver, University lecture on vehicle emissions, 1 995 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

41

Co s tím? ... Kvalita obsluhy!

Studený start

Autobus International 3400 145 kW 6,0 l turbodiesel

Agresivní jízda

Normální jízda

(při dodržení bezpečnosti provozu a předpisů)

Velmi klidná jízda (bez omezení dopravy pomalou jízdou)

Obsah kruhu je úměrný okamžitým emisím pevných částic, kruh = 1 s jízdy


43

Co s tím? ... Čistší paliva! Výfuk lokomotivy na stlačený zemní plyn Napa Valley, Kalifornie, USA (ukázkový projekt California Air Resources Board, 2004)


44

Co s tím? ... Filtry částic! (účinnost 90 až 99.9%)

Vstupní strana

Výstupní strana


45

Filtr částic


46

Filtr částic

A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670


47

Filtr částic



48

Filtr částic



49

Co s tím? ... Filtry částic!

(Pilotní projekt, World trade center, New York, 2003)


50

Field test – excavator with diesel particulate filter Emissions measured simultaneously upstream & downstream of DPF

PM emissions [mg/s]

Typical test run, construction equipment with diesel particulate trap Engine-out

10

PM

Tailpipe

1

idle

0.1

loaded

loaded mode

idle

idle

~ 99% reduction

0.01 0.001 0:00

0:02

0:04

0:06

0:08

0:10

0:12

0:14

0:16

PM emissions [mg/s]

Test run after prolonged idling: Elevated PM during high load operation Engine-out

10

Tailpipe

1 0.1 0.01 0.001 0:00

0:02

0:04

0:06

0:08

0:10


0:12

0:14 51

0:16

PM

Filtry částic

(účinnost 90 až 99,99%)

Vstupní strana

Výstupní strana


52

Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. (Typický výfuk stavebního stroje s naftovým motorem, Švýcarsko)


53

Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. Nákladní automobil Iveco vznětový motor 3.0 litru filtr pevných částic (DPF) palivo: nafta r.v. 2012, najeto 1 tis. km 7,5 tuny Pražský okruh, 29.-31.10.2012


54

Filtry částic (DPF) fungují, ale ... jsou v EU normou, nebo jsou privilegiem bohatších a pokrokovějších zemí a regionů? Český inzerát na odstranění DPF z dovezených vozidel


55

Filtry částic (DPF) fungují, ale ... jsou v EU normou, nebo jsou privilegiem bohatších a pokrokovějších zemí a regionů? Polský inzerát na simulaci odstraněného DPF aby řídící jednotka nevěděla


56

Britský inzerát na odstranění DPF a simulaci odstraněného DPF aby řídící jednotka nevěděla


57

Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. V ČR je využívána minimálně.

Euro 5, kdesi v Praze (bez DPF)

Motor s DPF Nidau, Švýcarsko


58

Sledování emisí během celé životnosti vozového parku VZDÁLENÉ SNÍMÁNÍ MĚŘENÍ V TUNELECH A U DOPRAVNÍCH TEPEN

Měření individuálních vozidel v terénu Střední počet vozidel Podrobná charakterizace emisí měřených vozidel PALUBNÍ PŘÍSTROJE

MOBILNÍ LABORATOŘ V ZÁVĚSU

HC [g/mile] 2.5

1

2

3

17

18

20

LABORATOŘ

EMISE

2.0 1.5

Technická kontrola Velký počet vozidel Jednoduchá měření Celkové průměrné emise vozového parku Identifikace vozidel s velmi vysokými emisemi

1.0 0.5 0.0

Stávající laboratorní měření Výzkum, vývoj, homologace Nízký počet vozidel Vysoká cena Kvalitní data

0

5000

10000 15000 20000

Vždy je třeba zvážit účel měření, a tomu podřídit přístrojové vybavení a metodiku.

25000 30000

test mileage

HODINY, KILOMETRY

(Levná jednoduchá měření velkého počtu vozidel, náročnější měření malého počtu)


59

Co s tím? ... Emisní limity které skutečně sníží emise!

Motor tohoto vozu byl homologován podle normy Euro 5. Pohled do výfukového potrubí tomu neodpovídá. (Kdesi v ČR. Foto: autor.) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

60

Měření emisí za provozu – Škoda Octavia PM

15

Každá bublina reprezentuje okamžité koncentrace emisí (úměrné ploše bubliny) v každé sekundě jízdy. Poloha bubliny udává okamžitou rychlost a zrychlení

Real freeway ECE 2 (dyno)

5

0 Cruise

NO

15

ECE 1

-5

ECE 2 10

-10 0

20

40

60

80

100

120

road speed [km/h]

140

acceleration [km/h/s]

acceleration [km/h/s]

10

160

5180

0

-5

Vlastní měření autora

-10 0

20

40

60

80

100

120

road speed [km/h] Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

61

140

160

180

Co s tím? ... Měřit a limitovat emise tak, aby to odpovídalo zdravotnímu riziku

Ekvivalentní z hlediska „PM2,5“ - ale ekvivalentní zdravotní riziko?

Jedna anorganická částice o průměru 2000 nm (2 um)

Tisíc částic sazí (element. uhlík) nanočástic o průměru 200 nm ve výfuk. plynech

Milion organických nanočástic o průměru 20 nm

x 1,000

x 1,000,000


62

Problémová souhra faktorů v hustě obydlených místech s vysokou hustotou provozu Vysoká koncentrace vozidel -> vysoký příspěvek vozidel k imisím Vysoká hustota obyvatel -> vysoký počet osob exponován Vysoká frekvence problematických provozních režimů • protáhlý provoz na volnoběh, pojíždění malou rychlostí • vysoce dynamické změny • akcelerace na plný výkon -> vyšší a/nebo více nebezpečné emise

Doporučení: Pro hodnocení toxicity výfukových plynů u nových technologií a nových paliv hodnotit použít realistické městské provozní podmínky. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

63

Případová studie: Park Malšovice, Hradec Králové („Areál volnočasových aktivit“) Nákupní („obchodně společenské“) centrum, 30 tis. návštěvníků denně


64

30 tis. návštěvníků denně... Co říká rozptylová studie? Hodnocené látky a aspekty: PM10, NOx, benzen Uvažované počty vozidel: 7061 denně Emisní faktory: 0,5-0,8 mg/km/automobil


65

30 tis. návštěvníků denně... Co říká rozptylová studie? Hodnocené látky a aspekty: PM10, NOx, benzen Uvažované počty vozidel: 7061 denně Emisní faktory: 0,5-0,8 mg/km/automobil

Alternativní pohled: PM2,5, PAU, nanočástice, WHO cíle 30 tis. osob x 75% x 1,5 os./vůz = 15 tis. automobilů Emisní faktory stovky mg/km/vůz Vliv vzniku kongesce na emise

Alternativní pohled: Příspěvek záměru nebude minimální, bude podstatný Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

66

Emise i imise záleží na

počtu vozidel

Kolik že vozidel denně? Ulice Náhon, úsek U Křížku – F. Šubrta Model, 2010: Dle projektové dokumentace

4850 (str. 7) 6900 (str. 5) Vlastní sčítání, 2012: Místní dobrovolníci

10214 ± 649 (n=5)


67

Emise i imise záleží na emisním faktoru

Euro 5 limit: 5 mg/km (0,005 g/km) Typický automobil vznětový motor: stovky mg/km (0,x g/km) Zážehový motor: jednotky-desítky mg/km (0,0x g/km) Otěry brzd, pneumatik, resuspenze... 0,0x=0,x g/km


68

Rozptylová studie uvažuje emise částic osobního automobilu 0,5-0,8 mg/km (str. 6) Dle zahraničních studií a modelů jsou emise částic 15-30 mg/km pro zážehové (benzinové) motory 70-150 mg/km pro vznětové (naftové) motory -- to odpovídá i vlastním měřením autora na vozidlech v dobrém technickém stavu

Zdroje: Emisní model MOBILE 6.2 (US EPA) Emisní faktory New York State Department of Transportation Model RAINS (www.iiasa.ac.at/~rains/PM/docs/documentation.html)

Ban-Weiss et al., Atmospheric Environment, 42, 2, 2008, 220-232

To je rozdíl 2 řády (~100x více) !!! Při pomalém popojíždění v koloně jsou emise částic mnohanásobně vyšší. Rovněž je-li vozový park starý, neudržovaný, podvádí-li se na emisních kontrolách, ... je to mnohanásobně více. V tomto nejsou zahrnuty: Částice z otěru pneumatik (desítky mg/km) GIGO – „Garbage in, garbage out“: Částice z otěru brzd a spojky Jsou-li vstupy do výpočtu chybné, Resuspendované částice („zvířený prach“) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. 69 Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013 jsou chybné i výstupy.

Kolik NO2 je ve vzduchu: Dle odhadu 1,4 ug/m3 ... i když 25,6 ug/m3 naměřeno (!!!) 30 ug/m3 limit pro ochranu vegetace (201/2012 Sb.)


70

Stanovisko státní správy k rozptylové studii: Bez připomínek Alternativní pohled: Nehodnoceny: PM2,5,PAU, nanočástice, WHO cíle Emisní faktory podhodnoceny Chybné stanovení pozadí (NO2) Podhodnocený počet vozidel Nehodnocena „kvalita“ částic viz. stanovisko IARC, WHO cíle, stav poznání o motorových emisích...


71

Souhrn: Problémová souhra faktorů v hustě obydlených místech s vysokou hustotou provozu Vysoká koncentrace vozidel

-> vysoký příspěvek vozidel k imisím

Vysoká hustota obyvatel

-> vysoký počet osob exponován

Vysoká frekvence problematických provozních režimů • protáhlý provoz na volnoběh, pojíždění malou rychlostí • vysoce dynamické změny • akcelerace na plný výkon

Výfukové plyny škodí zdraví

-> vyšší a/nebo více nebezpečné emise Doporučení:

Pro hodnocení toxicity výfukových plynů u nových technologií a nových paliv hodnotit použít realistické městské provozní podmínky. Brát v úvahu současný stav poznání a pečlivě přistupovat k hodnocení dopadu záměrů na ovzduší a zdraví. Nepřetěžovat dopravní síť – zachovat plynulý provoz Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

72

Emisní faktory BaP: model MEFA vs. měření ČR+zahraničí M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, automobil-benzin, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, automobil-nafta, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, maly nakl. vuz, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, tezsi nakl. vuz, 20 km/h

Rozptylová studie

ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 96% osobní vozy ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 96% osobní vozy ing. Bureš, TESO, 96% osobní vozy, model CDV

Měření ČR

ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 75% nákladní vozy ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 75% nákladní vozy ing. Bureš, TESO, 75% nákladní vozy, model CDV

Měření ČR

Phuleria 2007, automobily, jen částice < 180 nm

Zahr. měření

Karavalakis 2010, automobil, UDC cyklus Kristensson 2004, reálný provoz, smíšený vozový park Gertler 2004, tunel, tezke nakladni vozy Gertler 2004, osobní vozy - benzin Nelson 2008, smíšený vozový park Ludykar 1999, automobily, -7 C Ludykar 1999, automobily, -22 C BaP [ug/km]

0.01

0.1


1

10 73

100

1000

Doprava a BaP: realita v městských aglomeracích BaP řádově vyšší při Studeném startu (Karavalakis 2010) Reálném provozu (Kristensson 2004) Pomalém pojezdu (Shah 2005) Nízkých teplotách (Ludykar 1999) Absenci katalyzátoru (Ravindra 2007) „předávkování“ motoru palivem (EC 2001)

Koncentrace BaP v budkách pro výběrčí mýtného na dálnici: 105-121 ng/m3 327-482 osobních automobilů 61-111 nákladních automobilů / hodina / jízdní pruh (Tsai 2004) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

74

Vliv biopaliv na BaP TEQ: větší vliv má technologie motoru a provozní podmínky Vojtíšek a kol., Atmos. Environ. 2011 B[a]P TEQ - biofuels [ug/kWh]

10

1

Rapeseed Oil B-100 all B-100 DPF B-30 all B-30 DPF

0.1

0.01

0.001 0.001

0.01 0.1 1 B[a]P TEQ - diesel fuel [µg/kWh]


75

10

... Možná se problém vyřeší sám ... ??? “Ropný zlom“: Světová těžba je blízko svého maxima a bude klesat, poptávka vzrůstá, vzrůstat budou i ceny.

Graf: Objevy nových nalezišť ropy (levá křivka) klesají. A lze vytěžit jen to co bylo objeveno. Ivanhoe, L.F.: World Oil, October 1995, p. 77-87 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

76

Stabilita vývoje světových cen ropy Pohyby ve světových cenách ropy: Aktuální vs. před rokem (Data: Energy Information Administration, 1997-2007, USA, www.eia.gov) 2

změna ceny ropy za týden o rok předtím, USD

1.5

1 0.5 0 -0.5

-1 -1.5 -2 -2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

změna ceny ropy za právě uplynulý týden, USD (1998-2007)


77

2

Méně energeticky náročná doprava


78

Méně energeticky náročná doprava


79

Změny v územním plánování


80

Města pro pěší a ekologická doprava


81

Projekt MEDETOX: EU LIFE+ program, projekt LIFE10 ENV/CZ/651

Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci, Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika. Ultraschwarz regional conference, Pillnitz, 16.10.2013

82

Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové dopravy a podpora pěší a cyklistické dopravy, Manhattan, New York


83

Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika

Recommend Documents