1
MANAGEMENTSAMENVATTING De verstrenging van de Europese reglementering van emissienormen voor voertuigen is de drijvende kracht achter de voortdurende ontwikkeling en verdere optimalisatie van motor en nabehandelingssystemen. Ondanks de steeds strengere reglementering voor nieuwe voertuigen is wegverkeer nog verantwoordelijk voor ongeveer 30% van de NOx- en PMemissies in Vlaanderen. De introductie van nieuwe vertuigen verloopt echter maar geleidelijk. Retrofit van bestaande voertuigen met uitlaatgasnabehandelingstechnieken biedt de mogelijkheid om de emissies van vervuilende oudere voertuigen te verminderen. De toenemende Europese en internationale projecten bewijzen de groeiende interesse om op deze manier te komen tot een schoner transport. Zowel demonstratie- als onderzoeksprojecten worden uitgevoerd. In 2001 is bij De Lijn in Leuven een demonstratieproject gestart waarbij 18 bussen werden uitgerust met een CRT (Continuous Regenerating Trap) om de performantie in reële omstandigheden na te gaan. Deze studie heeft tot doel een wetenschappelijke beoordeling te maken van de huidige nabehandelingssytemen en de mogelijke impact ervan bij algehele introductie. Hiervoor werden 4 deeltaken gedefiniëerd. In deel A wordt een inventarisatie gemaakt van bestaande nabehandelingstechnieken voor voertuigen. In deel B wordt de efficiëntie van de CRT’s ingezet in het demonstratieproject van De Lijn nagegaan aan de hand van metingen in reëel verkeer met Vito’s Op-de-weg Emissie en Energie meetsysteem. In deel C wordt de kosteneffectiviteit van verschillende conversiescenario’s nagegaan. Deel D tenslotte geeft een overzicht van de milieu-impact van deeltjes. In Deel A van deze studie wordt een overzicht gegeven van de beschikbare en in ontwikkeling zijnde nabehandelingssystemen voor dieselvoertuigen. Hierbij wordt steeds kort de werking uitgelegd en de performantie van de verschillende emissies besproken. Daarnaast worden een aantal moeilijkheden en/of aandachtspunten van het gebruik en de werking van het systeem weergegeven. Ook wordt een indicatie van de prijs en de marktrijpheid van de systemen weergegeven. Er is momenteel een heel gamma aan nabehandelingstechnieken voor zware dieselvoertuigen. Het succes van bepaalde systemen hangt af van de beschikbaarheid van S-arme (of zelfs S-vrije) dieselbrandstof. Om het op de markt brengen van S-arme diesel te stimuleren werd in België een accijnsvermindering op S-arme diesel ingevoerd. Bovendien zijn voor bepaalde technieken een aantal randvoorwaarden vereist. In de eerste plaats werden in deze studie verschillende roetnabehandelingssystemen vergeleken. De deeltjesuitstoot kan in beperkte mate gereduceerd worden door een oxidatiekatalysator. In dit geval wordt enkel de VOF (Vluchtige Organische Fractie) verminderd. Dit resulteert in een performantie tot 40-50%. De gemeten performantie is afhankelijk van het zwavelgehalte in de brandstof, de uitlaatgastemperatuur en de samenstelling van het roet. Het voordeel van de oxidatiekatalysator is de relatief lage kostprijs (1000-2500 €) zodat het een interessante optie is voor retrofit van oudere voertuigen.
2
In een deeltjesfilter worden deeltjes uit de uitlaat opgevangen en geoxideerd. Omdat de regeneratie van roet door zuurstof slechts gebeurt vanaf 550°C en de uitlaatgastemperatuur lager ligt moet de oxidatietemperatuur verlaagd worden (passieve regeneratie) of de uitlaatgastemperatuur verhoogd (actieve regeneratie) om een goede regeneratie te verzekeren. Verschillende regeneratiestrategieën zijn voorhanden. Bij de katalytische deeltjesfilter is een katalytisch materiaal aangebracht op de filter zodat de regeneratietemperatuur van roet door oxidatie met zuurstof verlaagd wordt (tot 300400°C). De deeltjesvermindering bedraagt >95% indien S-vrije brandstof gebruikt wordt. Verhogen van het S-gehalte vermindert de performantie (door sulfaatvorming) indien een edelmetaal als katalytisch materiaal gebruikt wordt. Nieuwere materialen zijn in ontwikkeling en zijn minder gevoelig voor het S-gehalte. De kostprijs bedraagt ongeveer 5000€. De CRT gebruikt NO2 – omgezet in een oxidatiekatalysator uit NO in de uitlaat – om de deeltjes in de filter te oxideren bij een lagere temperatuur (vanaf 250°C). De performantie bedraagt 90-95% maar vermindert eveneens bij gebruik van brandstof met een hoger Sgehalte. Een nadeel is de verhoogde NO2-uitstoot ten gevolge van de NO-omzetting in de katalysator. De kostprijs bedraagt ± 5000€. Bij de filter met brandstofadditief wordt een additief aan de brandstof toegevoegd om de regeneratietemperatuur te verlagen. Het katalytisch element wordt zo in de roetdeeltjes opgenomen en opgevangen in de filter waar regeneratie met zuurstof plaatsvindt. De reductie-efficiëntie voor deeltjes bedraagt ongeveer 90%. De gasvormige emissies (CO en KWS) worden in veel mindere mate gereduceerd in vergelijking met de twee bovenstaande technologieën. Bij de filter met brandstofadditief bedraagt de efficiëntie voor CO 20% (in vergelijking met 90-99% voor de katalytische filter en 70-99% voor de CRT) en de efficiëntie voor KWS 40% (in vergelijking met 60-80% voor de katalytische filter en 7095% voor de CRT). Een voordeel van deze technologie is de ongevoeligheid voor het Sgehalte in de brandstof. Een nadeel is de verhoogde complexiteit van het systeem omwille van de doseereenheid voor het additief. Het gebruik van het additief heeft bovendien een verhoogde asdepositie in de filter tot gevolg wat een frequentere reiniging van de filter vereist. Een juiste filterkeuze is belangrijk om de uitstoot van metaaldeeltjes te vermijden. De kostprijs bedraagt bijna 5000€. In een deeltjesfilter met thermische regeneratie wordt gebruik gemaakt van een dieselbrander om de uitlaatgastemperatuur te verhogen tijdens regeneratie. De performantie voor deeltjes bedraagt 90% terwijl de uitstoot van CO en KWS niet gereduceerd wordt. Een nadeel van deze technologie is de complexiteit van het systeem en de resulterende hoge kostprijs (10000€). Indien de regeneratie te frequent gebeurt resulteert dit bovendien en een extra toename van het verbruik. Een andere manier om de temperatuur in de uitlaat te verhogen is elektrische regeneratie. Een nadeel is dat de regeneratie bij de meeste systemen buiten het voertuig gebeurt en het extra energieverbruik. Systemen met regeneratie tijdens gebruik van het voertuig zijn nog in ontwikkeling. De performantie bedraagt 85-95% voor deeltjes. CO en KWS worden niet verminderd. De kostprijs wordt geschat op 10000€. NTP (Non-Thermal Plasma) is een nieuwe technologie waarbij een plasma gegenereerd wordt om de regeneratietemperatuur te verlagen (tot < 250°C). Deze technologie bevindt zich echter nog in een ontwikkelingsfase. Deeltjesreducties van 30-50% worden gerapporteerd. Naast roetnabehandelingstechnieken worden in deze studie ook kort de mogelijkheden voor NOx-reductie aangehaald. NOx en PM zijn immers de belangrijkste polluenten gerelateerd
3
aan verbranding in dieselmotoren. SCR (Selective Catalytic Reduction) wordt momenteel als de meest voor de hand liggende optie gezien voor nieuwe voertuigen. Bij SCR wordt NOx gereduceerd door NH3 (meestal gevormd uit ureum). Voor retrofit vereist deze techniek uiteraard de nodige aanpassingen. Andere mogelijkheden zijn de NOx-adsorber, de Lean-NOx catalyst en NTP technologie. Daarnaast zijn een aantal combinaties van nabehandelingssystemen mogelijk, al dan niet geïntegreerd. In Deel B worden de meetresultaten van een drie jaar durende evaluatie gerapporteerd. De Vlaamse vervoersmaatschappij 'De Lijn' heeft een demonstratie opgezet in Leuven waarbij 18 bussen uitgerust worden met een CRT (Continuous Regenerating Trap). De ervaring met CRT's was tot nu toe onbestaande in Vlaanderen. Vito voerde verbruik- en emissiemetingen (CO, CO2, NOx, KWS en PM) uit om de performantie in reële omstandigheden na te gaan. De metingen werden uitgevoerd zowel na plaatsing als na 1 en 2 jaar in gebruik. Hiervoor werden 2 dieselbussen van eenzelfde type geselecteerd. Een van de twee bussen (verder de "CRT bus" genoemd) wordt na een eerste meting uitgerust met een CRT, waarna deze opnieuw wordt gemeten. De andere bus (verder de "REF bus" genoemd) die gemeten wordt dient als referentie en zal niet worden uitgerust met een CRT. Na de eerste meetcampagne worden na 1 en 2 jaar opnieuw metingen worden uitgevoerd om de invloed van veroudering na te gaan. Het is namelijk belangrijk te weten hoe de CRT zich gedraagt na langdurig gebruik. Het meetprogramma bestaat dus in totaal uit 3 meetcampagnes voor beide bussen. Elke meetcampagne omvat emissie- en verbruiksmetingen uitgevoerd in reëel verkeer op Lijn 2 in Leuven en op het testcircuit in Oostmalle waar de ‘De Lijn’-cyclus wordt nagereden. De metingen zullen uitgevoerd worden met VOEM (Vito's-op-de-weg Emissie en energie Meetsysteem) en VOEMLaag (Vito's-op-de-weg Emissie en energie Meetsysteem voor Lage-emissievoertuigen) Uit de emissie- en verbruiksmetingen uitgevoerd - op het testcircuit en in reëel verkeer - op de CRT-bus voor en na installatie van de CRT kan het volgende geconcludeerd worden betreffende de performantie en werking van de CRT: l l l l l
l
De CRT vermindert de PM-uitstoot met meer dan 90% de KWS- en CO-uitstoot worden verminderd met 85%. Deze belangrijke vermindering is te wijten aan de aanwezigheid van een oxidatiekatalysator in de CRT; er werd geen duidelijk waarneembare NOx-reductie vastgesteld te wijten aan het gebruik van de CRT; de CRT heeft weinig invloed op het brandstofverbruik. Geen significante verhoging van het brandstofverbruik (<2-3%) werd waargenomen. uit de metingen in reële omstandigheden is gebleken dat de uitlaatgastemperatuur gedurende 70% van de tijd meer dan 250°C bedraagt. Hiermee worden de vereisten van de fabrikant (> 10% boven 250°C) ruimschoots gehaald; volgens de fabrikant is een NOx/PM-verhouding van 15 vereist voor een goede werking van de CRT. Uit metingen kon afgeleid worden dat de verhouding meer dan 15 bedraagt gedurende gemiddeld 70% van de tijd (in het slechtste geval 60%). We kunnen aannemen dat dit voldoet aan de vereisten.
4
In deze studie werd eveneens het effect van S-arme brandstof (<50ppm) in vergelijking van conventionele brandstof (>350ppm) onderzocht. Hieruit bleek dat het gebruik van Sarme brandstof geen effect heeft op het verbruik en de CO2-emissies. Ook het effect op de andere emissies (CO, NOx en KWS) was onbelangrijk. Wel kan een emissiereductie van SO2 verwacht worden aangezien alle S in de brandstof aanwezig, omgezet wordt in SO2 en ook alsdusdanig uitgestoten wordt indien geen nabehandelingssysteem aanwezig is. Op deze manier is dus de SO2-uitstoot evenredig met het S-gehalte in de brandstof. De duurzaamheid van de CRT werd eveneens nagegaan. Het effect van mogelijke veroudering op de emissies werd onderzocht aan de hand van metingen na 1 en 2 jaar ofwel 60,000 en 100,000 km. · Geen noemenswaardige veroudering werd vastgesteld voor CO en KWS. · De gemeten efficiëntie voor PM was lichtjes gedaald na 100,000 km maar bedroeg nog steeds 85-90%. Een mogelijke oorzaak hiervan is een hoger olieverbruik van de motor door een lek in de inspuitpomp. Dit moet echter geverifieerd worden. · Het verbruik en de NOx-emissies vertoonden geen significante verandering gedurende de studie · Een vergelijking van veroudering met het referentievoertuig was niet mogelijk aangezien de REF-bus voor het einde van het project eveneens werd uitgerust met een CRT. Uit deze meetcampagnes kunnen we besluiten dat het uitrusten van stadsbussen met een CRT kan bijdragen tot het verbeteren van de stedelijke luchtkwaliteit. Bovendien werd de duurzaamheid over 100,000 km aangetoond. Verdere opvolging is aangewezen. In Deel C van deze studie wordt de kosteneffectiviteit van een grootschalige introductie van een aantal nabehandelingstechnieken voor bussen (touringcars en bussen voor openbaar vervoer) onderzocht. De kosteneffectiviteit werd gedefinieerd als de verhouding van de kostprijs (in €) van de maatregel tot de verkregen emissiereductie (in kg). Scenario’s werden gedefinieerd voor enkele nabehandelingstechnieken (CRT, oxidatiekatalysator en SCRT (=SCR+CRT)). Voor elke nabehandelingstechniek werden een aantal introductiescenario’s (Euro 0, Euro 1, …) vergeleken. Voor de verschillende scenario’s werden de emissies voor Vlaanderen berekend aan de hand van het TEMAT-model. Een inschatting van de bijhorende kosten werd gemaakt op basis van de literatuurstudie. De scenario’s werden geëvalueerd op basis van de kosteneffectiviteit voor deeltjes. Hoewel we ons in deze studie focusseren op PM-reductie, werd ook een inschatting gemaakt van de kosteneffectiviteit voor CO en KWS (en in bepaalde gevallen NOx). Het uitvoeren van retrofit met CRT bleek het meest kosteneffectief voor deeltjes. Conversie met een oxidatiekatalysator bleek minder gunstig voor deeltjes (PM). Deze laatste is goedkoper maar levert een beperktere emissiereductie (30% versus 90% voor de CRT) voor deeltjes op. De kosteneffectiviteit voor CO en KWS was dan weer beter voor de oxidatiekatalysator. Deze emissies vormen echter niet zo ’n groot probleem voor dieselbussen. Het retrofitten van enkel Euro 1-bussen bleek kosteneffectiever dan wanneer enkel Euro 0- of Euro 2-bussen werden geconverteerd. Ook het scenario waarin enkel bussen voor openbaar vervoer (Euro 0, 1 en 2) werden uitgerust met een CRT scoorde zeer goed naar kosteneffectiviteit. De totale gerealiseerde emissiereductie van deze maatregel is bovendien ruim drie keer groter dan indien enkel Euro 1- bussen worden geconverteerd. De
5
SCRT-technologie maakt het mogelijk om PM én NOx te verminderen. Het introductiescenario waarbij enkel Euro 2-voertuigen geconverteerd werden met SCRT bleek het meest kosteneffectief voor NOx. Een vergelijking met andere NOx-emissiereductiestrategieën kaderde niet in deze studie. Voertuigen moeten minstens aan Euro 2 voldoen om in aanmerking te komen voor conversie met SCRT. Er dient wel opgemerkt te worden dat deze technologie niet marktrijp is en zich nog zal moeten bewijzen in testen en demonstraties. Een kleinschalig demonstratieprogramma dient het opbouwen van ervaring met deze technologie mogelijk te maken. In Deel D van deze studie wordt een stand van zaken gegeven van het onderzoek naar gezondheidseffecten van deeltjes. Hierbij worden zowel epidemiologische als toxicologische studies beschouwd. Er wordt een overzicht gegeven van de mogelijke schadelijke componenten in fijn stof en hun effecten op de gezondheid. Epidemiologische studies tonen aan dat er een verband bestaat tussen blootstelling aan deeltjes en gezondheidseffecten. De waargenomen effecten variëren van vervroegde sterfte door acute of chronische blootstelling tot ziekteverschijnselen zoals respiratoire en cardiovasculaire aandoeningen. Hoewel de relatie tussen PM en gezondheidseffecten is aangetoond, is er nog onzekerheid betreffende de mate waarin de effecten juist optreden. Bovendien blijkt dat omgevingsblootstelling aan deeltjes vaak niet voldoende is om bepaalde negatieve gezondheidseffecten te induceren bij de gehele bevolking. De gezondheidseffecten kunnen echter uitgesproken zijn bij gevoelige subgroepen van de populatie. Deze epidemiologische studies geven echter geen uitsluitsel over welke component of eigenschap van fijn stof verantwoordelijk is voor de waargenomen schadelijke effecten. Bovendien is de samenstelling van dieselroet verschillend van PM gemeten in de omgevingslucht zodat extrapolatie van de waargenomen effecten met de nodige omzichtigheid dient te gebeuren. PM is een complex mengsel dat kan verschillen in grootteverdeling en samenstelling afhankelijk van de bron en omgevingscondities. Om de deeltjesuitstoot op een efficiënte manier te verminderen – in relatie tot gezondheidseffecten – is het nodig te weten of bepaalde componenten meer gelinkt zijn aan de waargenomen gezondheidseffecten dan andere. Het is echter zeer onwaarschijnlijk dat waargenomen gezondheidseffecten toe te schijven zijn aan één bepaalde component. Recent wordt meer aandacht besteed aan het ontrafelen van mechanismen die de gezondheidseffecten veroorzaken en het evalueren van de bijdrage van de verschillende componenten van PM-mix. Op basis hiervan kan de schadelijkheid van dieselroet worden ingeschat. Een andere aanpak is het testen van de schadelijkheid van dieseluitlaatgassen op proefdieren of mensen. Het voordeel is dat het hier om reëel dieselroet gaat maar anderzijds kan interferentie van andere aanwezige componenten niet achterhaald worden. Epidemiologische studies toonden een verband aan tussen blootstelling aan UP (Ultrafine Particles met diameter < 100 nm) en gezondheidseffecten. UP zijn vooral afkomstig van verbrandingsprocessen (verkeer en industrie). Wat de samenstelling van deeltjes betreft zijn aan de hand van toxicologische studies mechanismen voorgesteld die de toxicologie van metalen, PAK’s en sulfaten verklaren. Door de verstrenging van de emissienormen van
6
voertuigen voor PM (en andere emissies) worden nieuwe technologieën aangewend. Op basis van beperkte beschikbare studies konden geen negatieve gezondheidseffecten (van vb. additieven) worden afgeleid. Verder onderzoek is nodig om te bepalen in welke mate korte-termijn en (vooral) langdurige blootstelling aan PM de menselijke cardiovasculaire en respiratoire systemen worden beïnvloed. Bovendien is het belangrijk dat verder uitgezocht wordt welke fysische en chemische eigenschappen van deeltjes relevant zijn voor hun toxiciteit en via welke werkingsmechanismen de effecten worden veroorzaakt. Meer kennis is noodzakelijk met betrekking tot de mate waarin nieuwe technologieën de toxiciteit beïnvloeden. Algemeen kunnen we besluiten dat retrofit van zware voertuigen met nabehandelingssystemen een efficiënte manier is om de deeltjesuitstoot de verminderen. Om de deeltjesuitstoot van bussen te verminderen zijn roetfilters met passieve regeneratiestrategie momenteel het meest geschikt. De performantie van de CRT werd door Vito in reële omstandigheden gemeten bij Euro 2-stadsbussen en geschikt bevonden (>90% deeltjesvermindering). Bovendien werd de duurzaamheid over 100,000 km aangetoond. Verdere opvolging is aangewezen. Evaluatie van andere passieve systemen in reële omstandigheden is aangewezen om hun performantie in reële omstandigeheden na te gaan en een betere vergelijking met de CRT mogelijk te maken. Om het gebruik van nabehandelingssystemen te stimuleren kunnen demonstratieprojecten een bijdrage leveren in het opbouwen van kennis en ervaring wat betreft onderhoud en werkingscondities van het nieuwe nabehandelingssystemen en eventueel ook wat betreft uitbouw van noodzakelijke infrastructuur. Een grootschalige introductie van uitlaatgasnabehandelingssytemen als retrofit om de emissies van bestaande voertuigen te verminderen zal pas mogelijk zijn indien de eindgebruiker hiervoor financiële voordelen krijgt. Zonder deze zullen gebruikers waarschijnlijk niet bereid zijn de investeringskost te doen. Indien beleidsmaatregelen genomen worden om het gebruik van nabehandelingssystemen te promoten, is het noodzakelijk een kwaliteitslabel te definiëren en in te voeren. Dit kwaliteitslabel moet er dan voor zorgen dat de beoogde emissiereductiedoelstelling gehaald wordt. Verder onderzoek naar nieuwe technologieën en een vergelijking van de verschillende technologieën in reëel verkeer is aangewezen om een juistere evaluatie van de verschillende technieken mogelijk te maken. Ook moet steeds onderzocht in welke mate bepaalde nabehandelingstechnieken geschikt zijn voor verschillende motortechnologieën (euronormen) en specifieke toepassingen.
