Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek / Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
Laan van Westenenk 501 Postbus 342 7300 AH Apeldoorn www.tno.nl
TNO-rapport
T 055 549 34 93 F 055 549 98 37
2006-A-R0359/B
Toetsing van de werking van TiO2 coatings om NOx concentraties langs wegen te verlagen in de praktijk
Datum
Januari 2007
Auteurs
Jan Duyzer, Marita Voogt, Hilbrand Weststrate, Reinier van der Welle
Projectnummer
36669
Trefwoorden Bestemd voor
Ministerie van Verkeer en Waterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde Delft
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
© 2006 TNO
TNO-rapport
2 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
3 van 73
Voorwoord De emissie van stikstofoxiden door het wegverkeer leidt op verschillende plaatsen in het land tot overschrijding van kritische waarden van de concentratie van stikstofdioxide (NO2). Om de situatie te verbeteren worden verschillende maatregelen genomen die variëren van wijzigingen in verkeersstromen tot generieke maatregelen gericht op verlaging van emissies zoals snelheidsbeperkingen. De laatste jaren wordt in buitenlands onderzoek melding gemaakt van de mogelijkheid concentraties langs wegen te verlagen door het aanbrengen van coatings die in staat zijn stikstofoxiden (NOx1) om te zetten. De directie Weg- en Waterbouwkunde van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat (DWW) heeft, in het kader van het InnovatieProgramma Luchtkwaliteit (IPL), TNO Bouw en Ondergrond opdracht gegeven een experiment op te zetten en uit te voeren waarin de werking van de coatings in de praktijk wordt onderzocht. In een multidisciplinaire studie werd onderzocht in hoeverre titaandioxide houdende coatings, aangebracht op geluidsschermen, bij kunnen dragen aan het verlagen van de concentratie van stikstofoxiden. Het onderzoek bestond uit laboratorium experimenten, onderzoek met behulp van computermodellen en een beperkt veldonderzoek. In dit rapport wordt verslag gedaan van het onderzoek. Tijdens het project was regelmatig overleg met de begeleidingscommissie gestart onder leiding van ir. E. den Boer, later onder leiding van Ing. S.van den Berg en tenslotte ir. N. Lanser MBA, allen van Rijkswaterstaat DWW. De begeleidingscommissie, waarmee vele nuttige discussies werden gevoerd, bestond verder uit dr. ir. A. Beeldens van het Belgian Road Research Institute (BRRC) uit België, prof. dr. J. Schoonman van de Technische Universiteit Delft, dr. ir. J. Vermeulen van het Ministerie van VROM en dr. R. de Boer, ir. D. Veenhuijsen en dr. J.P.F. Fortuin (allen van DWW). Bij de uitvoering van het veldexperiment werd veel steun verkregen van dhr. H. Muller en collega’s van de Directie Oost Nederland van Rijkswaterstaat te Apeldoorn. Zij verleenden ook toestemming voor het uitvoeren van het experiment. Dr. M. Allaart van het KNMI steunde door het ter beschikking stellen van gegevens over de UV lichtintensiteit. Ook met de leveranciers van de verschillende coatings, die hier naamloos blijven, werden uitvoerig discussies gevoerd. Hierbij danken wij alle genoemden voor hun bijdrage! Jan Duyzer
1
Met NOX wordt bedoeld de stoffen stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2).
TNO-rapport
4 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
5 van 73
Samenvatting De emissie van stikstofoxiden door het wegverkeer leidt op verschillende plaatsen in het land tot overschrijding van kritische waarden van de concentratie van stikstofdioxide (NO2). Om de situatie te verbeteren worden verschillende maatregelen genomen, die variëren van wijzigingen in verkeersstromen tot generieke maatregelen gericht op verlaging van emissies zoals snelheidsbeperkingen. De laatste jaren wordt in buitenlands onderzoek melding gemaakt van de mogelijkheid concentraties langs wegen te verlagen door het aanbrengen van materiaal dat in staat is NOx1 om te zetten. Het gaat daarbij om speciale coatings aangebracht op, bijvoorbeeld, geluidsschermen of gebouwen en zelfs om speciale materialen als wegbedekking. Hoewel de werking van deze coatings in gecontroleerde experimenten al is aangetoond, ontbreken betrouwbare experimentele gegevens van de werking in de praktijk. Dit komt omdat het effect van de omzetting aan het katalysator oppervlak moeilijk te scheiden is van veranderingen en fluctuaties in de concentratie door andere oorzaken. De directie Weg- en Waterbouwkunde van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat (DWW) heeft, in het kader van het InnovatieProgramma Luchtkwaliteit (IPL), TNO gevraagd een experiment op te zetten en uit te voeren waarin de werking van de coatings in de praktijk dient te worden onderzocht. In dit rapport wordt verslag gedaan van het onderzoek. Het onderzoek heeft tot doel inzicht te verschaffen in de capaciteit van commercieel verkrijgbaar titaandioxide (TiO2) houdende coatings aangebracht op geluidsschermen om NOX te verwijderen. Het is van belang deze capaciteit langs drukke snelwegen in de praktijk vast te stellen. Tevens zal de invloed van een aantal parameters, zoals type coating, NOx concentratie, meteorologische grootheden (zoals neerslag frequentie, straling, temperatuur), vervuiling enz. op de werking bepaald worden. Tenslotte zal een schatting gemaakt worden van het effect van toepassing van het materiaal op grotere schaal, de kosteneffectiviteit daarvan en zullen aanbevelingen worden gedaan voor een vervolgtraject. De studie is, vooralsnog, beperkt tot onderzoek naar coatings aangebracht op geluidsschermen. In het projectplan van DWW worden de volgende fasen in het project onderscheiden: 1. Vaststellen meetmethodiek; 2. Vooronderzoek 3. Hoofdonderzoek 4. Eindrapportage In de eerste fase van het project werd de meetmethodiek ontwikkeld en werden modelberekeningen uitgevoerd. In het vooronderzoek werd gestart met experimen1
Met NOX wordt bedoeld de stoffen stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2).
TNO-rapport
6 van 73
ten op het TNO terrein. Deze waren echter niet succesvol zodat besloten werd het vooronderzoek in het laboratorium voort te zetten. Na afronding van het laboratorium onderzoek werd het hoofdonderzoek gestart. In het hoofdonderzoek werd een aantal panelen opgesteld langs de A1 in de provincie Gelderland ter hoogte van Terschuur. Het onderzoek in de eerste en tweede fase werd afgerond met een rapport. Met deze rapportage wordt het onderzoek afgesloten. Naar verwachting is het effect van het aanbrengen van coatings op de concentratie van NO2 langs een weg, relatief beperkt. DWW stelde in eerdere documenten echter dat zelfs een relatief klein effect belangrijk kan zijn. Deze aspecten spelen een grote rol bij de opzet van het onderzoek. Het is niet te verwachten dat het effect van het aanbrengen van katalytische oppervlakken zo groot is dat het op redelijke termijn, nauwkeurig en tegen redelijke kosten op zelfs maar enkele locaties vast te stellen zal zijn. Daarom is er, in dit voorstel, voor gekozen om het effect op indirecte wijze te bepalen. Niet de verlaging van de NOx (dan wel NO2) concentratie wordt bepaald, maar de hoeveelheid NOx die is omgezet aan het katalysator oppervlak. Schattingen aan de hand van modellen zijn dan nodig om vast te stellen hoe groot de verlaging van de NOx (dan wel NO2) in de praktijk zal zijn. Drie onderdelen zijn zodoende van belang in dit onderzoek. Deze sluiten op elkaar aan waarbij het volgende beeld leidraad is: Stoffen (NOx) worden, op de weg, geemitteerd door het verkeer, vervolgens door de wind (turbulente luchtbewegingen) naar het oppervlak van het geluidsscherm getransporteerd. Aan het gecoate scherm worden ze tenslotte omgezet. Als gevolg van deze omzetting daalt de concentratie van de stoffen achter (windafwaarts) het scherm. Het beoogde effect, de daling van de concentratie achter het scherm hangt dus af van: 1) de hoeveelheid van de geëmitteerde stof die het scherm bereikt (en er dus niet overheen waait) en 2) de effectiviteit van de coating op het scherm om die stof om te zetten. Het onderzoek is in overeenstemming met dit beeld opgezet en bestaat uit:
1) Modelberekeningen. Een Computational Fluid Dynamics (CFD) model werd opgesteld waarin de verspreiding van emissies door het verkeer op een snelweg en de opname door een reactief geluidsscherm worden gesimuleerd. Met dit model werd onderzocht: o hoeveel stof het scherm bereikt o hoe de omzetting afhangt van de omzettingsefficiency van de coating o wat het effect is van deze omzetting op de concentratie van stikstofoxiden achter het scherm. 2) Laboratorium onderzoek. In het laboratorium is alleen onderzocht hoe effectief de verschillende coatings stikstofoxiden omzetten en hoe de omzetting afhangt van verschillende factoren zoals lichtintensiteit, turbulentie, vochtigheid.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
7 van 73
3) Veldexperiment. In het veldexperiment werd het gehele proces in de praktijk onderzocht. Een aantal gecoate panelen werd gedurende bijna vijf maanden blootgesteld langs de A1 en de opname van stikstofoxiden door de coatings werd bepaald. De resultaten van deze experimenten werden uitgebreid geanalyseerd aan de hand van de resultaten van de modelberekeningen en de laboratoriumexperimenten. Hierna wordt ingegaan op de afzonderlijke onderdelen en worden tenslotte conclusies getrokken uit het totale onderzoek. Modelberekeningen Een zeer eenvoudig model werd ontwikkeld waarmee het effect van een coating op een scherm in kaart kan worden gebracht. Het model dat gebruik maakt van Computational Fluid Dynamics (CFD) bestaat uit een dwarsdoorsnede van een snelweg met een geluidsscherm aangebracht langs de weg. Een stof wordt vanaf de weg in de lucht die dwars over de weg waait geëmitteerd. Langs de weg bevindt zich op realistische afstand een geluidsscherm van drie meter hoog. De effectiviteit van de omzetting van stoffen aan het scherm kan worden gevarieerd. De gekozen effectiviteit komt overeen met de effectiviteit zoals in die in het laboratorium wordt bepaald. Uit de berekeningen met het model blijkt dat onder optimale omstandigheden (lichtintensiteit, zeer actief scherm, wind loodrecht op scherm) een zeer reactief scherm tot 11 % van de op een snelweg geëmitteerde NO kan omzetten. Meer kan niet worden omgezet omdat onder de gesimuleerde omstandigheden 11% van de geëmitteerde stoffen in aanraking met het scherm (de rest waait over het scherm). Dit percentage kan bij iets andere condities hoger (bijvoorbeeld een hoger scherm) of lager zijn (andere windsnelheid). Schermen met een minder hoge activiteit leiden altijd tot een lagere omzetting. In de praktijk zal deze effectiviteit echter nooit worden gehaald omdat: -
- de wind niet altijd op het scherm staat
-
- de lichtintensiteit niet optimaal is: in de winter is deze overdag ook laag en nachts is er helemaal geen UV straling
Overigens is geen van de onderzochte coatings zo reactief als het scherm dat in de berekeningen uitkwam op 11 %. Het betreft dus een theoretische bovengrens. De berekening geeft aan wat maximaal, onder optimale omstandigheden kan worden omgezet. Bij de interpretatie van de veldexperimenten werd rekening gehouden met de werkelijk voorkomende windsnelheid, windrichting en lichtintensiteit. Het model geeft ook gedetailleerd aan wat de concentratie van NO is achter het scherm. Op basis van deze gegevens is berekend tot welke verlaging van de NO2 concentratie de omzetting van NO aan het scherm leidt. Schattingen geven aan dat
TNO-rapport
8 van 73
dit maximaal zou kunnen leiden tot een verlaging van maximaal 0.3 tot 2 µg/m3 van de NO2 concentratie 50 m achter het scherm. Dit geldt voor een coating met een hoge omzettingsefficiency (hoger dan werd waargenomen in het laboratorium) en dat ook onder optimale omstandigheden voor wat betreft lichtintensiteit, vochtigheid enzovoort. Wanneer rekening wordt gehouden met de in werkelijkheid voorkomende waarden van deze grootheden dan wordt een veel lagere omzetting bereikt. Het is belangrijk zich te realiseren dat de uitkomsten van de berekeningen met het model in kwantitatieve zin, beperkt betrouwbaar zijn. De berekeningen met andere versies van het model hebben laten zien dat de uitkomsten van modelberekeningen onzeker zijn. Een ‘wiskundig’ andere formulering van de omzettingen aan het scherm leidt tot andere uitkomsten. De onzekerheid is door mede door onzekerheid in invoerparameters wel 30-50 %. Laboratorium onderzoek: In het laboratorium werden met TiO2 gecoate materialen blootgesteld aan realistische concentraties stikstofoxiden en ultraviolet licht. Het onderzoek werd uitgevoerd in een glazen, geroerde reactor. De effectiviteit van het materiaal werd onderzocht door meting van de afname van de concentratie van stikstofoxiden in de lucht die door de reactor stroomt. Meer dan honderd experimenten werden uitgevoerd met verschillende coatings (van verschillende leveranciers), bij verschillende lichtintensiteiten, bij verschillende concentraties van NO en NO2 enzovoort. Het blijkt dat de activiteit van alle coatings goed meetbaar is, ook van de coatings die zeer beperkt actief zijn. Door deze experimenten is een goed inzicht ontstaan in de processen die een rol spelen. Uit de metingen in het laboratorium is een parameter afgeleid die aangeeft hoe snel stikstofoxiden door een coating worden omgezet dan wel worden geadsorbeerd aan de coating. De parameter (de ‘oppervlakteweerstand) beschrijft hoe snel moleculen aan dat oppervlak verdwijnen (omgezet dan wel geadsorbeerd). Deze weerstand is dus hoog voor minder actieve coatings en laag voor actieve coatings. Een dergelijke parameter heeft meer betekenis dan de in andere onderzoeken gehanteerde omzettingspercentage dat aangeeft hoeveel stof is omgezet in een experiment. De oppervlakte weerstand is onafhankelijk van de experimentele omstandigheden en is daarmee uitstekend overdraagbaar naar andere condities en geschikt voor gebruik in modellen voor luchtverontreiniging. De in het laboratorium aan de verschillende coatings gemeten waarde van de oppervlakteweerstand werd ingedeeld op basis van de CFD berekeningen. Daarbij werd de volgende indeling gebruikt:
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
9 van 73
Activiteit
verlaging NO2 concentratie (µg/m3)
omzetting (%) van
tot
11.20
2.97
2
0.3
zeer actief
2.97
0.90
0.3
0.06
Actief
0.90
0.50
0.06
0.03
redelijk actief
0.50
0.20
0.03
0.006
Beperkt actief
0.20
0.05
0.006
0.003
Zeer beperkt actief
0.05
0.00
0.003
0.0003
extreem actief
van
tot
De omzetting geeft aan welk fractie van de emissie in de bovenstaande CFD berekeningen door de betreffende coating, onder optimale condities, wordt omgezet. De gegeven verlaging van de concentratie van NO2 van de concentratie is een ruwe schatting van de concentratie op 50 m achter het scherm, gebaseerd op de CFD berekeningen (onder optimale condities, zie boven) en enkele vuistregels. Conclusies over deze experimenten worden slechts op hoofdlijnen en niet per fabrikant getrokken. Het volgende komt uit het onderzoek naar voren: − De turbulentie in de reactor. De roerder veroorzaakt de turbulentie in de reactor en zorgt daarmee voor transport van stoffen naar het actieve oppervlak. De turbulentie in de roerder bleek goed te beschrijven met het weerstandmodel. Daardoor kon uit alle experimenten direct de zogenaamde oppervlakte weerstand worden bepaald. Deze beschrijft de snelheid van het proces direct aan het oppervlak. De oppervlakteweerstand kan ook direct in het hiervoor genoemde CFD model worden gebruikt om de opname te beschrijven. − Omzetting NO De onderzochte coatings zetten vooral NO om. Slechts enkele bleken actief of zeer actief. Veel coatings zijn slechts beperkt actief. Coating no. 1 van Fabrikant II is zeer effectief in het omzetten van NO. Deze zet onder de huidige condities bijna maximaal om. De oppervlakteweerstand daalt tot een lage waarde van 15 s/m bij een zeer hoge lichtintensiteit. Andere coatings zijn minder effectief, de omzetting is doorgaans minstens een factor twee lager. De invloed van een aantal parameters op de omzetting werd bepaald: o
o
De invloed van de UV-lichtintensiteit. De omzetting hangt sterk af van de UV lichtintensiteit. Pas bij een UV lichtintensiteit lager dan 5 W/m2 wordt de omzetting 50% lager. Een dergelijke intensiteit werd tot einde oktober nog elke dag bereikt. De invloed van de luchtvochtigheid. De invloed van de luchtvochtigheid op de opname van NO is, in het onderzochte bereik tussen 55 en bijna 95 % niet bijzonder groot. Dit zijn voor Nederland normale waarden. In veel drogere atmosferen (zoals in Zuid-Europa voorkomen) zou de omzetting van NO veel groter kunnen zijn. Dergelijke lage vochtigheden doen zich in Nederland minder vaak voor.
TNO-rapport
10 van 73
–
–
–
−
Opname van NO2. Blootstelling van het materiaal geleverd door Fabrikant III leidt ook tot verlaging van de NO2 concentratie. In enkele gevallen zelfs zeer effectief. Uit verdere experimenten blijkt dat het hier waarschijnlijk gaat om adsorptie en niet om omzetting. Het proces vindt zowel plaats in het licht als in het donker. Deze opname blijft wel over lange tijd voortduren. Vorming van NO2. Uit experimenten over langere perioden blijkt dat de omzetting van NO lange tijd blijft voortduren. Daarbij blijkt wel dat, naarmate de omzetting langer duurt de omgezette NO steeds minder wordt geadsorbeerd maar meer omgezet wordt in NO2. Dit zou een ongunstige bijwerking zijn. Het vrijkomen van NO2 is sterker als de coating is aangebracht op een zeer dunne folie. Bij de coating aangebracht op beton is de emissie van NO2 lager. Dit proces treedt vooral op bij een relatieve luchtvochtigheid hoger dan 70 %. De emissie van NO2 kan oplopen tot bijna 25 % van de omgezette NO. Bepaling van de hoeveelheid omgezette NO. In de experimenten is de omzetting van NO bepaald aan de hand van afname van de concentratie in de reactor. Aan de hand van experimenten, waarbij de blootgestelde materialen worden gespoeld met water, kan ook de omzetting worden bepaald. De zo berekende omzetting van stoffen in de reactor werd vergeleken met de omzetting van stoffen bepaald door afspoeling van de blootgestelde materialen. Deze methode zal in de veldexperimenten worden gebruikt om de effectiviteit te beoordelen. Het resultaat van de vergelijking was goed. Er werd een lineaire relatie tussen de op twee manieren bepaalde omzetting gevonden. Effectiviteit van in de praktijk blootgestelde panelen. Platen die gebruikt zijn in het veldexperiment werden ook onderzocht. Daaruit bleek dat deze platen (Fabrikant II no. 5), wanneer ze nat zijn geworden door neerslag, gedurende een periode van enkele dagen (tijdens het drogen) veel minder actief zijn. De activiteit komt na enkele dagen (!) pas weer terug terwijl de activiteit wel een factor twee lager blijft. Bij deze coatings zal dit effect in het vochtige Nederlands klimaat de effectieve opname over een langere periode sterk verminderen.Waarschijnlijk is dit effect geringer bij meer hydrofobe coatings.
Veldexperiment Langs de A1 bij Terschuur werd op een bestaand houten geluidsscherm aan de Noordkant van de weg een aantal betonnen panelen gecoat met titaandioxide houdende verf aangebracht. De meest effectieve coating uit het laboratoriumonderzoek werd aangebracht op beton. Daarnaast werden enkele coatings ter referentie blootgesteld. In totaal werden vier panelen van ongeveer een vierkante meter elk aangebracht. Naast de panelen werd nog een uitgebreide set meetapparatuur geplaatst. Met deze apparatuur werd een groot aantal parameters zoals windsnelheid, vochtigheid enzovoort geregistreerd. De apparatuur en de panelen werden over een periode van bijna vijf maanden (augustus tot december 2006) geplaatst. De neerslag die over de panelen stroomde werd verzameld en de concentratie van nitraat daarin werd bepaald. Uit het laboratoriumonderzoek is gebleken dat de concentratie van nitraat in de neerslag een goede maat is voor de hoeveelheid stikstofoxiden die door de panelen is omgezet (opgenomen).
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
11 van 73
De hoeveelheid door de panelen omgezette stikstofoxiden werd vergeleken met de geschatte emissie van stikstofoxiden vanaf de weg gedurende de meetperiode. Gemiddeld over de meetperiode bleek slechts een kleine fractie van de (per meter snelweg) geëmitteerde hoeveelheid stikstof oxiden te worden omgezet. De waargenomen opname was maximaal 0.04 % van deze emissie. De coatings blijken dus niet bijzonder effectief. Dit terwijl op basis van de inzichten opgebouwd door de berekeningen met het CFD model en een grove generalisatie een veel hogere omzetting werd verwacht. Een verklaring voor dit verschil is niet eenvoudig te geven. De oorzaak lijkt niet te liggen in meetfouten terwijl de geschatte emissie relatief betrouwbaar is. Dit zou betekenen dat de effectiviteit van de schermen in het veld lager is dan in het laboratorium. Om dit onverwachte resultaat te onderzoeken werden nog aanvullende berekeningen uitgevoerd. De omzetting werd daartoe op nog twee andere wijzen berekend: -
-
Schatting op basis van de CFD berekeningen. Uit de gemeten grootheden op de locatie en de resultaten van de laboratoriumexperimenten met de gebruikte coating werd voor elk uur een schatting van omzettingsefficiency van de coating gemaakt. Deze gegevens werden gebruikt om op basis van de berekeningen met het CFD model te schatten welke fractie van de emissies door het wegverkeer zou worden omgezet. Deze schattingen werden over de totale meetperiode gesommeerd zodat een schatting over dezelfde periode ontstaat. Schatting op basis van de ter plaatse gemeten concentratie NO. Voor elk uur in de meetperiode werd (net als hierboven beschreven) een schatting van de omzettingsefficiency van de coating gemaakt. Op basis van deze efficiency en de in het veld gemeten concentratie van NO werd een tweede schatting van de opname door het paneel gemaakt.
Schattingen van de opname volgens beide methoden komen hoger uit dan de waargenomen opname. De geschatte opname door de meest actieve coating is een factor vijf tot tien hoger dan de gemeten omzetting en tussen 0.1 en 0.2 %. Ook deze schattingen zijn dus relatief laag. Dit komt doordat er lange perioden zijn waarin de opname laag is als gevolg van lage UV-lichtintensiteit, verkeerde windrichting, perioden met neerslag enz. Verschillende verklaringen voor de waargenomen lage opname werden onderzocht. In de praktijk lijkt de enige realistische verklaring dat de omzettingsefficiency in het veld aanzienlijk lager is dan in het laboratorium. Met de blootgestelde panelen werden daarom nog enkele experimenten in het laboratorium uitgevoerd. Deze lieten onder bepaalde omstandigheden inderdaad een zeer lage opname zien. Het effect van de vochtigheid (het nat worden van de panelen) bleek belangrijk. Deze lage effectiviteit veroorzaakt waarschijnlijk het grote verschil tussen de berekende en de gemeten omzetting/opname.
TNO-rapport
12 van 73
2006-A-R0359/B
Op basis van de gegevens uit het veldexperiment, aangevuld met jaargemiddelde meetgegevens werd ook een schatting gemaakt van de jaargemiddelde omzetting van NO langs een snelweg. Deze hangt vooral af van de activiteit van de coating. Bij extreem actieve coatings zou de omzetting tot maximaal 1% van de op de weg geëmitteerde hoeveelheid NO op kunnen lopen. Bij realistische (maar de meest gunstige uit het laboratorium onderzoek) waarden van de omzettingsefficiency zou de omzetting door het scherm tussen 0.1 en 0.3 % kunnen liggen. Tijdens de praktijkproef was de omzetting nog veel lager. Zoals hierboven al vermeld zetten titaanoxide coatings stikstofmonoxide om en niet stikstofdioxide. Het is dus nog de vraag in hoeverre de omzetting van NO leidt tot verlaging van de concentratie van NO2. Op basis van enkele vuistregels is daarvan een schatting gemaakt. De meest actieve coating uit het laboratorium onderzoek zou volgens de berekeningen met het CFD model en deze vuistregel aanleiding kunnen geven tot een verlaging van de NO2 concentratie tussen 0.3 en 0.5 µg/m3 in het gebied tussen 0 en 50 m achter het scherm. Deze CFD berekeningen zijn echter uitgevoerd bij optimale omstandigheden. Berekeningen van jaargemiddelden hebben echter laten zien dat jaargemiddeld de omzetting dan wel met een factor vijf tot zes daalt. Dit hangt samen met het effect van de windrichting (factor 2) de lichtintensiteit (factor 2) het optreden van neerslag en verzadigingseffecten. De jaargemiddelde daling van de NO2 concentratie zou dus volgens deze redenering, bij deze actieve coating, niet meer dan 0.1 µg/m3 zijn1. Bovendien werd in de praktijk in het veldexperiment nog een lagere omzetting waargenomen!! De genoemde waarde lijkt daarmee een bovengrens. Conclusies Uit het onderzoek werden de volgende conclusies getrokken:
1
-
De gekozen meetmethode in het laboratorium bleek uitstekend geschikt om de verschillende coatings met elkaar te vergelijken. De, uit de laboratorium afgeleide parameter, de oppervlakteweerstand is onafhankelijk van de omstandigheden van de reactorexperimenten en daarmee uitstekend geschikt om de verschillende coatings met elkaar te vergelijken.
-
De modelberekeningen geven aan hoe de omzetting van NO en de daling van de concentratie van NO2 afhangt van de oppervlakteweerstand. De uitkomsten van de modelberekeningen maken het daardoor mogelijk de in het laboratorium gemeten coatings op basis van hun oppervlakte weerstand met elkaar te vergelijken. Op basis van deze vergelijking bleken slechts enkele coatings van fabrikant II zeer actief dan wel actief en één coating van fabrikant III actief. Dergelijke coatings zouden onder optimale condities van de concentratie van NO2 met 0.06 tot 2 µg/m3 kunnen verlagen. In
Daarbij is nog geen rekening gehouden met het vrijkomen van stikstofdioxide uit de coatings bij langere blootstelling.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
13 van 73
de praktijk zal onder niet-optimale condities m.b.t. windrichting, lichtintensiteit enz. de omzetting nog lager zijn. -
Gedurende een periode van 5 maanden werden enkele gecoate panelen blootgesteld langs de A1. De meest effectieve coatings uit het laboratorium onderzoek werden daarvoor gebruikt. De hoeveelheid omgezette stikstofoxiden werd vergeleken met de gedurende die periode door het wegverkeer geëmitteerde hoeveelheid stikstofoxiden. Uit de metingen bleek slechts maximaal 0.04% van de emissie door de panelen te zijn omgezet. Een uitgebreide analyse van de metingen toonde aan dat deze lage waarde samenhangt met een verminderde activiteit van de coating in het veld vergeleken met het laboratorium. De meest waarschijnlijke verklaring is het effect van vocht. Een natte coating blijkt geen NO om te zetten.
-
Op basis van de meetgegevens verzameld langs de A1 werd een extrapolatie gemaakt van het jaargemiddelde effect van caotings op de NO2 concentratie. Jaargemiddeld zou de meest actieve coating uit het laboratoriumonderzoek de NO2 concentratie met niet meer dan 0.1 µg/m3 verlagen. Deze schatting is nog afgezien van de verminderde werking van de coating die bleek uit het veldonderzoek. Daardoor zou de werking nog weer veel minder zijn.
-
De conclusies zijn afgeleid uit verschillende onderdelen van het project bestaande uit modelberekeningen en metingen. De nauwkeurigheid in de verschillende onderdelen is geschat. De nauwkeurigheid in de einduitspraak wordt opgebouwd uit de nauwkeurigheid van de verschillende onderdelen. Deze is daardoor niet verwaarloosbaar klein De afstand tussen het geschatte effect, voor wat betreft de verlaging van de concentratie van NO2 en de grenswaarden is echter zodanig groot dat de onzekerheid daarbij in het niet valt.
-
Hoewel de meerkosten van de TiO2 coating beperkt zijn zou het bij de thans onderzochte werkwijze nauwelijks de moeite lonen geluidsschermen te bewerken met een dergelijke coating. De daling van de NO2 concentratie is daarvoor waarschijnlijk te laag. Dit hangt samen met de fractie van de op de snelweg geëmitteerde stoffen die werkelijk het gecoate scherm raakt, de verminderde werking van de coating bij de hoge (Nederlandse) vochtigheden, de hoeveelheid UV straling enz.
-
Het rendement van titaandioxidehoudende coatings voor deze toepassing lijkt niet hoog. Aan de andere kant blijkt uit de metingen in het laboratorium dat de potentie van TiO2 houdende coatings, om NO om te zetten, hoog is. Een verbeterde omzetting kan worden bereikt door een groter gedeelte van de geëmitteerde NO in contact met het scherm te brengen en de eigenschappen van de coating zodanig te veranderen dat deze minder lang nat
TNO-rapport
14 van 73
2006-A-R0359/B
blijft. In een situatie waarin er langduriger contact tussen coating en geëmitteerde NO kan zijn, zal omzetting dus groter kunnen zijn. Dit zou kunnen bij een (mogelijk speciaal ontwikkelde) constructie van geluidsschermen. Ook in andere situaties zoals nauwe straten kan er meer contact zijn tussen coating en geëmitteerde stof met als gevolg een grotere omzetting. Daarnaast zal in meer zuidelijke landen, met een lagere vochtigheid en meer zonlicht, de effectiviteit hoger zijn. -
Het zou de aanbeveling verdienen de de mogelijkheden van gecoate schermen verder te onderzoeken. Wanneer een grotere gedeelte van de vanaf de weg geëmitteerde stoffen het scherm raakt en de efficiency van het scherm hoog blijft kan de verlaging van de NO2 concentratie na het scherm hoger worden. Welke verlaging daarbij bereikbaar is lastig te voorspellen. Dat hang vooral af van de hoeveelheid stoffen die het scherm bereikt. Bij een gelijkblijvende constructie zou de verlaging toch steeds beperkt blijven. Uit de berekening van het jaargemiddelde effect blijkt dat zelfs een reactief scherm niet meer dan 0.5 % van de geëmitteerde hoeveelheid stoffen zal afvangen. De verlaging van de NO2 concentratie zou daarmee ook maximaal enkele tienden µg/m3 zijn.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
15 van 73
Inhoudsopgave Voorwoord................................................................................................................... 3 Samenvatting ............................................................................................................... 5 1.
Inleiding ..................................................................................................... 17
2.
Het project.................................................................................................. 19 2.1 Achtergrond ............................................................................... 19 2.2 Opzet van het onderzoek ........................................................... 22 2.3 Fasering ...................................................................................... 23
3.
Berekeningen met een CFD model ........................................................... 25 3.1 Inleiding en beschrijving van het model ................................... 25 3.2 Resultaten................................................................................... 26
4.
Resultaten................................................................................................... 35 4.1 Experiment op TNO terrein in Apeldoorn ................................ 35 4.2 Laboratorium experimenten ...................................................... 37 4.2.1 Aanpak........................................................................ 37 4.2.2 Interpretatie: De depositiesnelheid en oppervlakteweerstand ................................................ 38 4.2.3 Beschrijving experimenten ........................................ 39 4.2.4 Resultaten ................................................................... 42 4.2.5 Conclusies uit de laboratorium experimenten met de reactor ............................................................. 49
5.
Het veldexperiment bij Terschuur............................................................. 51 5.1 Inleiding ..................................................................................... 51 5.2 Beschrijving van het experiment............................................... 51 5.3 Resultaat van de experimenten.................................................. 53 5.3.1 Toets van de meetmethode ........................................ 53 5.3.2 Resultaten van de afspoelexperimenten .................... 54 5.4 Discussie en conclusies t.a.v. het veldexperiment .................... 55 5.4.1 Afspoelen ................................................................... 55 5.4.2 Vergelijking van de meting met de schattingen op basis van het CFD model ...................................... 56 5.5 Vergelijking van de meting met de schatting op basis van de gemeten concentratie ............................................................ 59 5.6 Schatting van het jaargemiddelde effect met het CFD model.......................................................................................... 60
6.
Discussie .................................................................................................... 63
TNO-rapport
16 van 73
2006-A-R0359/B
7.
Conclusies.................................................................................................. 67
8.
Milieuaspecten........................................................................................... 69
9.
Referenties ................................................................................................. 71
10.
Verantwoording ......................................................................................... 73
Appendix 1
Beschrijving van de reactor en weerstandmodel
Appendix 2
Resultaten van de individuele experimenten
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
17 van 73
1.
Inleiding
De emissie van stikstofoxiden door het wegverkeer leidt op verschillende plaatsen in het land tot overschrijding van kritische waarden van de concentratie van stikstofdioxide (NO2). Om de situatie te verbeteren worden verschillende maatregelen genomen, die variëren van wijzigingen in verkeersstromen tot generieke maatregelen gericht op verlaging van emissies zoals snelheidsbeperkingen. De laatste jaren wordt in buitenlands onderzoek melding gemaakt van de mogelijkheid concentraties langs wegen te verlagen door het aanbrengen van materiaal dat in staat is NOx1 om te zetten. Het gaat daarbij om speciale coatings aangebracht op bij voorbeeld geluidsschermen of gebouwen en zelfs om speciale materialen als wegbedekking. Hoewel de werking van deze coatings in gecontroleerde experimenten al is aangetoond, ontbreken betrouwbare experimentele gegevens van de werking in de praktijk. Dit komt omdat het effect van de omzetting aan het katalysator oppervlak moeilijk te scheiden is van veranderingen en fluctuaties in de concentratie door andere oorzaken. De directie Weg- en Waterbouwkunde van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat (DWW) heeft, in het kader van het InnovatieProgramma Luchtkwaliteit (IPL), TNO gevraagd een experiment op te zetten en uit te voeren waarin de werking van de coatings in de praktijk dient te worden onderzocht. In dit rapport wordt verslag gedaan van het onderzoek Het onderzoek heeft tot doel inzicht te verschaffen in de capaciteit van commercieel verkrijgbaar titaandioxide (TiO2) houdende coatings aangebracht op geluidsschermen om NOX te verwijderen. Het is van belang deze capaciteit langs drukke snelwegen in de praktijk vast te stellen. Tevens zal de invloed van een aantal parameters, zoals type coating, NOx concentratie, meteorologische grootheden (zoals neerslag frequentie, straling, temperatuur), vervuiling enz. op de werking dienen te worden vastgesteld. Tenslotte zal een schatting dienen te worden gemaakt van het effect van toepassing van het materiaal op grotere schaal, de kosteneffectiviteit daarvan en zullen aanbevelingen worden gedaan voor een vervolgtraject. De studie is, vooralsnog, beperkt tot onderzoek naar coatings aangebracht op geluidsschermen. In het projectplan van DWW worden de volgende fasen in het project onderscheiden: 1. Vaststellen meetmethodiek; 2. Vooronderzoek 3. Hoofdonderzoek 4. Eindrapportage
1
Met NOX wordt bedoeld de stoffen stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2).
TNO-rapport
18 van 73
Er is gekozen voor een gefaseerde projectuitvoering met go/no go beslissingen. Ter indicatie stelt DWW, dat bij een verwachte effectiviteit kleiner dan 0,5 µg/m3 moet worden betwijfeld of er moet worden gestart met het hoofdonderzoek. Bij een verwachte effectiviteit groter dan 2 µg/m3 zijn katalytische deklagen dermate kansrijk dat het project zeker zou moeten worden vervolgd. De voorfase werd met een uitgebreide rapportage afgesloten (Duyzer et al., 2006), waarna met de 2e fase werd gestart. De 2e fase werd ook afgesloten met een rapport (Duyzer et al., 2006)In dit rapport worden de werkzaamheden uit de hoofdfase beschreven, worden de resultaten besproken en worden conclusies getrokken.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
19 van 73
2.
Het project
2.1
Achtergrond
Al vele jaren is duidelijk dat titaandioxide, TiO2 (met de anataas structuur) stikstofmonoxide (NO) kan omzetten in nitraat. In de geraadpleegde informatie worden met TiO2-behandelde panelen langs wegen geplaatst dan wel worden weggedeelten behandeld. De beschrijvingen van laboratorium experimenten en de theoretische achtergrond van de werking zijn echter zeer summier. Gedemonstreerd is wel dat TiO2 houdende verf (coating) NOx kan omzetten (Maggos et al., 2005a). Ook in experimenten op wat grotere schaal is het effect gedemonstreerd (Maggos et al., 2005b) Het gaat echter hierbij om experimenten waarbij getracht werd NOx concentraties in nauwe straten te verminderen. De situatie verschilt aanzienlijk van die langs snelwegen. De menging door de wind is in (nauwe) straten veel minder sterk. Daardoor is de contacttijd tussen de lucht met stikstofoxiden langer en kan de omzetting veel groter zijn.
UV
Wind
NO+O3
NO2
NO NO2
NO3
NO3
Figuur 1
Schematische weergave van de verspreiding van stoffen langs de weg en de omzetting van stoffen aan een scherm dat gecoat is met een actieve stof die de geëmitteerde stof omzet. Dit schema vormt ook de basis van het model beschreven in één van de volgende hoofdstukken. Het scherm is 3 meter hoog en de afstand van de bron tot het scherm is 5 meter.
TNO-rapport
20 van 73
2006-A-R0359/B
Voordat NOx omgezet wordt aan het katalysator oppervlak zijn de volgende processen van belang (zie Figuur 1) : − Aanvoer van NOx vanuit de achtergrond. Zeker in dichtbevolkte gebieden draagt de achtergrond bij aan de concentratie van NO2 bij de weg. − Emissie vanuit de uitlaat. De emissie van wegverkeer bestaat voor het grootste gedeelte uit NO en voor een beperkt gedeelte uit NO2. − De geëmitteerde stof wordt door de wind meegenomen en mengt in met de schonere lucht uit de achtergrond. Daardoor daalt de concentratie. − Transport vanuit de uitlaat door de wind naar het katalysator oppervlak. De geëmitteerde stof zal door de wind worden meegenomen en zo (eventueel) naar de katalysator stromen. Een gedeelte zal gewoon over het scherm heen waaien. In dit rapport zijn berekeningen met een model opgenomen die dit beeld fraai illustreren. − Omzetting aan het oppervlak. Ruwweg treden de volgende reacties op: NO + OH + hν + (ΤiΟ2)! NO2 −+ Η + NO2+ OH + hν + (TiO2)! NO3- +H+
(1) (2)
Waarin hν een UV foton voorstelt. De volgende processen spelen een rol: - De vervuilende stof (NO) wordt geadsorbeerd aan het oppervlak en komt in contact met TiO2. - TiO2 absorbeert energie van (UV-)fotonen en geeft deze aan watermoleculen waarbij OH radicalen worden gevormd. Vooral de Anatase kristalstructuur van TiO2 vertoont dit gedrag en is actief. - OH radicalen zijn zeer reactief en reageren met verontreiniging. - De eindproducten van de reactie worden geadsorbeerd door het cement van de ondergrond (of een ander materiaal). - Tijdens regenperioden wordt het gevormde product, nitraat afgespoeld. Opmerkingen 1) Zoals hierboven gemeld, wordt door het autoverkeer vooral NO geëmitteerd. Een beperkte fractie (5-15%) wordt geëmitteerd als NO2. De geëmitteerde NO wordt echter door reactie met ozon (O3) windafwaarts snel omgezet in NO2. (zie ook Figuur 1). Of wel: (3) NO + O3! NO2 Deze reactie is erg snel. Bij concentraties van ozon die normaal voorkomen kan over een afstand van 100 m al een aanzienlijke omzetting plaatsvinden. Als de ozonconcentratie laag is dan is omzetting lager en is de bijdrage ook weer geringer. De gevormde NO2 wordt via een trager proces weer omgezet in NO: (4) NO2 + hν ! NO + O3 Het evenwicht dat voor de weg tussen NO, NO2 en O3 bestond is hierdoor na enkele honderden meters nog nauwelijks terug te vinden. Emissies door het wegverkeer leiden dus op twee manieren tot verhoging van de concentratie van NO2 langs een weg: direct door emissie van NO2 en indirect door emissie van NO. Dit komt omdat NO door reactie met
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
21 van 73
ozon snel wordt omgezet in NO2. Op dit mechanisme berust ook de indirecte werking van de coating: Deze zet NO om en niet NO2. Deze verlaging van de NO concentratie is uiteraard gunstig. De hoeveelheid NOx wordt minder en dat leidt tot minder vorming van NO2. Dicht bij de weg is de omzetting van NO in NO2 door reactie met O3 echter niet oneindig snel. En dus leidt de omzetting van NO moleculen aan het scherm niet direct tot een evenredige daling van de NO2 concentratie in de directe omgeving van de weg. Op een grotere afstand van de weg is verlaging van de NO concentratie ook wel gunstig maar toch van beperkt belang 2) In dit proces wordt de actieve substantie (de katalysator): anataas titaandioxide, dus niet verbruikt. Het gevormde nitraat spoelt door regen van de ondergrond (het geluidsscherm of de muur) af naar een riool of naar het grondwater. Titaandioxide wordt al op grote schaal gebruikt omdat het stabiel is, niet giftig en vanwege zijn katalytische activiteit o.i.v. zonlicht. Op basis van bovenstaande analyse kan worden beredeneerd dat de hoeveelheid NOx die uiteindelijk wordt omgezet een functie is van: − de effectiviteit van het transport vanuit de uitlaat naar het katalysator oppervlak. Deze effectiviteit hangt samen met de specifieke stromingssituatie ter plaatse. Welke fractie van de geëmitteerde hoeveelheid NOx komt in contact met de katalysator? Vooral de windrichting en de aanwezigheid van bebouwing spelen hierbij een belangrijke rol. Zo zal, in het geval dat de wind loodrecht op de weg staat en dus ook loodrecht op het geluidsscherm, de wind voor een gedeelte rechtstreeks over het scherm stromen (en het scherm dus niet ‘raken’). Bij schuine aanstroming zal de wind over een bepaalde afstand langs het scherm gaan stromen waardoor de contacttijd met het oppervlak groter zal kunnen zijn dan bij loodrechte aanstroming. Verder spelen de volgende parameters een rol: − de windsnelheid en de turbulentieintensiteit. De turbulentieintensiteit langs een snelweg is hoger dan in het vrije veld. Door auto’s (en vooral vrachtauto’s), die met hoge snelheid langsrijden wordt veel turbulentie opgewekt. − de afstand van de uitlaat tot het katalysator oppervlak − de ruwheid van het katalysator oppervlak − de ozonconcentratie − de omzettingsefficiency van de katalysator (deze hangt samen met de temperatuur, de lichtintensiteit1 en mogelijk de vochtigheid van de lucht) − de grootte van het katalysator oppervlak (bijvoorbeeld m2 per km wegvak) De bovenstaande analyse laat zien dat het proces waarbij NOx wordt omgezet complex is en dat het bereikte effect niet eenvoudig te voorspellen is. Belangrijk is dat men zich realiseert dat de efficiency van de katalysator slechts één van de parameters is die een rol speelt en waarschijnlijk niet altijd de doorslaggevende. 1
Mogelijk is er ook een verband met de albedo (het reflecterend vermogen van het oppervlak) en de zenithoek (hoek van de lichtinval).
TNO-rapport
22 van 73
2006-A-R0359/B
Hoe goed de katalysator ook werkt, als de lucht er niet langs stroomt wordt er geen NO omgezet. Daarnaast is het van belang zich te realiseren dat de katalytische werking samenhangt met de hoeveelheid UV licht. In de winter zal de UV intensiteit veel lager zijn dan in de zomer. De analyse is gebruikt om de inrichting van het onderzoek en de experimenten te structureren. Zo kan eenduidige interpretatie van de effecten van parameters worden bevorderd. Dit is vooral van belang voor de doorvertaling van de meetresultaten naar gemiddelde effecten en voor de mogelijkheid in een later stadium optimalisatie door aanpassingen in het ontwerp te bereiken.
2.2
Opzet van het onderzoek
Naar verwachting is het effect van het aanbrengen van coatings op de concentratie van NO2 langs een weg, relatief beperkt. DWW stelde in eerdere documenten echter dat zelfs een relatief klein effect belangrijk kan zijn. Deze aspecten spelen een grote rol bij de opzet van het onderzoek. Het is niet te verwachten dat het effect van het aanbrengen van katalytische oppervlakken zo groot is dat het op redelijke termijn, nauwkeurig en tegen redelijke kosten op zelfs maar enkele locaties vast te stellen zal zijn. Daarom is er, in dit voorstel, voor gekozen om het effect op indirecte wijze te bepalen. Niet de verlaging van de NOx (dan wel NO2) concentratie wordt bepaald, maar de hoeveelheid NOx die is omgezet aan het katalysator oppervlak. Schattingen aan de hand van modellen zijn dan nodig om vast te stellen hoe groot de verlaging van de NOx (dan wel NO2) in de praktijk zal zijn. Drie onderdelen zijn daarom van belang in dit onderzoek. Deze sluiten op elkaar aan waarbij het volgende beeld leidraad is: Stoffen (NOx) worden, op de weg, geemitteerd door het verkeer, vervolgens door de wind (turbulente luchtbewegingen) naar het oppervlak van het geluidsscherm getransporteerd. Aan het gecoate scherm worden ze tenslotte omgezet. Als gevolg van deze omzetting daalt de concentratie van de stoffen achter (windafwaarts van het scherm). De daling van de concentratie, achter het scherm hangt dus af van: 1) de hoeveelheid van de geëmitteerde stof die het scherm bereikt (en er dus niet overheen waait) en 2) de effectiviteit van de coating op het scherm om die stof om te zetten. Het onderzoek is in overeenstemming met dit beeld opgezet en bestaat uit: - Modelberekeningen. Een Computational Fluid Dynamics (CFD) model werd opgesteld waarin de verspreiding van emissies door het verkeer op een snelweg en de opname door een reactief geluidsscherm worden gesimuleerd. Met dit model werd onderzocht 1) hoeveel stof het scherm bereikt 2) hoe de omzetting afhangt van de omzettingsefficiency van de coating en 3) wat het effect is van deze omzetting op de concentratie van stikstofoxiden achter het scherm.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
23 van 73
- Laboratorium onderzoek. In het laboratorium is alleen onderzocht hoe effectief de verschillende coatings stikstofoxiden omzetten en hoe de omzetting afhangt van verschillende factoren zoals lichtintensiteit, turbulentie, vochtigheid. - Veldexperiment. In het veldexperiment werden beide aspecten in de praktijk onderzocht. Een aantal gecoate panelen werd gedurende bijna vijf maanden blootgesteld langs de A1. De opname van stikstofoxiden door de coatings werd bepaald. De resultaten van deze experimenten werden uitgebreid geanalyseerd aan de hand van de resultaten van de modelberekeningen en de laboratoriumexperimenten.
2.3
Fasering
Het verslag is opgezet volgens de hierboven geschetste opzet en volgt daarmee minder de fasering van het project. De fasering verliep als volgt. Fase 1 Vaststellen meetmethodiek In deze fase is de meetstrategie verder uitgewerkt. Daarbij zijn berekeningen met het model uitgevoerd met als doel de meetstrategie, waar mogelijk, kwantitatief te onderbouwen. Tevens is contact gelegd met onderzoekers en leveranciers van de materialen met als doel de kennis te vergroten en de mogelijkheden te inventariseren. Op basis van discussie met de begeleidingscommissie is een definitieve meetstrategie opgesteld. Een verslag van deze fase is besproken met de begeleidingscommissie (Duyzer, 2006). Fase 2 Vooronderzoek In het vooronderzoek stonden enkele oriënterende experimenten op het TNO terrein gepland met als doel de meetmethode te toetsen en te verfijnen en de invloed van enkele parameters te onderzoeken. Deze experimenten verliepen echter niet zoals verwacht. In een later stadium werd daarom, in overleg met de opdrachtgever besloten de experimenten in de voorfase in het laboratorium uit te voeren. Deze worden hierna gerapporteerd. Daarna wordt ingegaan op modelberekeningen die zijn uitgevoerd om de grootte van het effect in de praktijk te kunnen schatten. Dit vooronderzoek werd afgesloten met een rapport (Duyzer, 2006). Fase 3 Hoofdfase In de hoofdfase is het praktijk experiment opgezet langs de A1 bij Terschuur. Enkele gecoate panelen werden op een bestaand scherm aangebracht. Gedurende bijna een half jaar werd de hoeveelheid door de panelen opgenomen hoeveelheid stikstofoxiden bepaald en een groot aantal parameters zoals windsnelheid, windrichting enz. gemeten. De resultaten van deze experimenten werden uitgebreid geanalyseerd in samenhang met modelberekeningen. Tenslotte wordt een schatting gemaakt van het effect van een coating langs een snelweg op de concentratie van stikstofoxiden.
TNO-rapport
24 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
25 van 73
3.
Berekeningen met een CFD model
3.1
Inleiding en beschrijving van het model
Zoals hiervoor al gemeld hangt de effectiviteit van de omzetting van stikstofoxiden langs een snelweg samen met een groot aantal processen. De invloed van de verschillende parameters is kwalitatief wel in te zien. Om de invloed kwantitatief vast te stellen is veel lastiger. Dergelijke complexe problemen worden daarom vaak met behulp van simulatiemodellen aangepakt. In dergelijke modellen worden de verschillende fysische en chemische processen, die van belang zijn, wiskundig beschreven en opgelost. Met behulp van die oplossing kan dan wel het belang van verschillende processen worden ingezien en gekwantificeerd. Een probleem is vaak de validatie van het model, m.a.w. zijn er metingen waaraan het model is getoetst, zodat bekend is hoe goed het model de werkelijkheid beschrijft? Een model waarmee de invloed van omzetting van NO (NOx) aan geluidsschermen kan worden vastgesteld is echter niet beschikbaar. Daarom is in het kader van dit project een model speciaal ontwikkeld dat rekening houdt met de verschillende processen. Hiervoor is gebruik gemaakt van een CFD pakket (CFD staat voor Computational Fluid Dynamics) Het model sluit aan bij een model dat al eerder bij TNO gebouwd was en waarmee de invloed van vegetatie werd onderzocht. De vergelijkingen, waarmee turbulente stroming kan worden beschreven, worden in een CFD model (numeriek) opgelost. De gebruiker van een CFD pakket kan de situatie en de processen die hij wil berekenen, beschrijven. Het model lost dan het wiskundige probleem op. Het is de bedoeling dat alle belangrijke processen worden beschreven zodat het model dan een beeld van de te verwachten situatie in de werkelijkheid geeft. In Figuur 1 werd het doorgerekende model al schematisch weergegeven. Het bestaat uit: − − − −
−
Een verkeersweg (van een meter breed) De wind die (van links naar rechts) over deze weg waait Een emissie van stoffen midden op de weg Een geluidsscherm langs de weg - Het geluidsscherm is in eerste instantie niet doordringbaar - Aan het oppervlak van het scherm worden moleculen van de geëmitteerde stof omgezet met een te kiezen snelheid (de oppervlakte weerstand Rc) Het gebied achter de weg
Het model beschrijft de processen die optreden op een dwarsdoorsnede over de weg en berekent nu de verspreiding van de geëmitteerde stoffen windafwaarts. Het model beschrijft natuurlijk slechts een klein gedeelte van de snelweg. Aangenomen is dat de situatie niet verandert als aan een veel langere snelweg zou worden gerekend. De verschillende parameters, zijn daarbij vrij te kiezen Het gaat daarbij vooral om parameters zoals de windsnelheid op 10 m hoogte (er wordt rekening gehouden met een windsnelheidsprofiel), de emissiesterkte door het verkeer, de concentratie van luchtverontreiniging in de wind die wordt aangevoerd (de achtergrond).
TNO-rapport
26 van 73
2006-A-R0359/B
Het zal duidelijk zijn dat het hier gepresenteerde model een vereenvoudiging is van de werkelijkheid. De onzekerheid in de uitkomsten is zeker niet verwaarloosbaar. Wel zal het model goed gebruikt kunnen worden om gevoeligheden voor de waarde van bepaalde parameters te kunnen voorspellen
3.2
Resultaten
Met het model zijn verschillende berekeningen gemaakt om de gevoeligheid van de uitkomsten voor de verschillende grootheden te onderzoeken. Ter illustratie geeft Figuur 2 het berekende windveld langs een windscherm. De verwachte verschijnselen, zoals de wijze waarop de wind over een obstakel waait en het optreden van een lij-wervel (een ruimte waarin de wind stil staat of zelfs de andere kant opwaait achter een object) achter het scherm treden alle op. Dit geeft in ieder geval vertrouwen in de wijze waarop de stroming met het model is berekend.
Figuur 2
Het windveld dwars op een weg met daarnaast een windscherm berekend met een CFD model. Het totale gebied is 100 m breed en het geluidsscherm staat middenin het model domein.
Figuur 3 geeft een berekening, waarbij te zien is hoe een stof zich verspreidt langs de weg en de invloed van het geluidsscherm daarop. Duidelijk is te zien hoe de stof, die dicht bij de weg wordt geëmitteerd, zich verspreidt. De concentratie van de stof, daalt door menging met schonere lucht (verdunning) naarmate de stof verder van de weg afkomt. Figuur 4 geeft dezelfde verspreiding te zien waarbij moleculen van de geëmitteerde stof omgezet kunnen worden aan het oppervlak van het
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
27 van 73
geluidsscherm. Vergelijking met Figuur 3 laat zien dat de concentratie na het scherm aanzienlijk is verlaagd na het passeren van het actieve scherm. Gedurende het project werd het model verder verfijnd (zie Duyzer, et al., 2006).
Figuur 3
De concentratie van de geëmitteerde stof stroomafwaarts van een weg. Het voorbeeld geeft de standaard berekening waarbij de windsnelheid op 10 m hoogte 5 m/s bedraagt en er geen omzetting plaatsvindt aan het scherm. Lage concentraties zijn blauw gekleurd, hoge zijn rood.
Niet alle verbeteringen bleken te werken al werd uiteindelijke een redelijk realistische beschrijving van de verschillende processen geïmplementeerd. De verschillen t.o.v. het model in Duyzer et al. 2006 zijn: - De beschrijving van de omzetting van stoffen in de buurt van het scherm werd meer realistisch. In de eerste versie van het model werden stoffen omgezet in een laag van 30 cm dikte voor het scherm. In de huidige versie is deze laag slechts 1 mm dik (d = 0.001 m) wat realistischer is en in de buurt komt van een stilstaande luchtlaag. Deze (pseudo-laminaire) stilstaande luchtlaag past goed in het beeld van het weerstandmodel beschreven in de appendix. - De emissies van het verkeer werden verdeeld over een weg met vier rijstroken op een afstand van 6.75, 10.25, 14.75, 18.25 m van het scherm. Dit leidt tot een verlaging van de omgezette hoeveelheid stof. De omzetting als fractie van de geëmitteerde hoeveelheid daalt met ruim 30 % t.o.v. de berekeningen met een weg met slechts één rijbaan.
TNO-rapport
28 van 73
Figuur 4
2006-A-R0359/B
De concentratie van de geëmitteerde stof stroomafwaarts van een weg. Het voorbeeld geeft de standaard berekening waarbij de windsnelheid op 10 m hoogte 5 m/s bedraagt en de omzettingsefficiency aan het scherm van overeenkomend met een Rc van 0.05 s/m (k=20 000 s-1) . Dit is een extreem hoge omzettingsefficiency. Lage concentraties zijn blauw gekleurd, hoge zijn rood.
In een beperkte gevoeligheidsanalyse is onderzocht wat de invloed is van de windsnelheid en de omzettingssnelheid aan het oppervlak van het geluidsscherm. Vooral de laatste parameter is belangrijk, omdat deze aangeeft hoe belangrijk de effectiviteit van de coating is. Dit is van belang om de verschillende coatings te beoordelen. De omzettingssnelheid is direct te vergelijken met de in de laboratorium gemeten oppervlakteweerstand Rc (zie appendix 1) De waarde van de oppervlakteweerstand bepaald voor de verschillende coatings in het laboratorium kan daarmee rechtstreeks ingevoerd worden in de modelberekeningen. In de figuren staat de fractie van de emissie op de weg die wordt omgezet op de y-as. Figuur 5 geeft aan dat bij hogere windsnelheid de omzetting steeds lager wordt. Dit hangt samen met de afnemende contacttijd tussen de geëmitteerde stoffen en de coating op het scherm. Aan de andere kant neemt de turbulentie steeds toe bij hogere windsnelheid. Daardoor komen moleculen weer gemakkelijker in contact met het scherm. Bij hogere windsnelheden lijken beide processen elkaar te compenseren en neemt de omzetting niet verder af bij toenemende windsnelheid. Figuur 6 geeft de fractie omgezette stof bij verschillende kwaliteiten van de coating. Deze kwaliteit is uitgedrukt in de oppervlakteweerstand Rc van de coating.
TNO-rapport
29 van 73
omzetting als percentage van emissie (%)
2006-A-R0359/B
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
2
4
6
8
10
12
windsnelheid (m/s)
Figuur 5
De omzetting van de op de snelweg geëmitteerde hoeveelheid stof als functie van de windsnelheid bij een omzettingsefficiency van Rc =2 s/m (k=500 sec-1).
omzetting als percentage van emissie (%)
12
10
8
6
4
2
0 0
200
400
600
800
1000
Rc (s/m)
Figuur 6
De omzetting van de op de snelweg geëmitteerde hoeveelheid stof als functie van de omzettingsefficiency van de coating (zie tekst) bij een windsnelheid van 5 m/s.
Berekeningen bij een nog lagere waarde van Rc geven aan dat er een asymptotische waarde van 11 % omzetting wordt bereikt bij een omzettingsparameter van Rc = 0.05 s/m.Verbetering van de coating heeft dan geen effect meer. Vrijwel alle stoffen, die in aanraking komen met het scherm, worden daar omgezet. Meer kan
TNO-rapport
30 van 73
2006-A-R0359/B
niet worden omgezet omdat onder de gesimuleerde omstandigheden 11% van de geëmitteerde stoffen in aanraking met het scherm komt (de rest waait over het scherm). Dit percentage kan bij iets andere condities hoger (bijvoorbeeld een hoger scherm) of lager zijn (andere windsnelheid). Schermen met een minder hoge activiteit leiden altijd tot een lagere omzetting. In de praktijk zal deze effectiviteit echter nooit worden gehaald omdat: 1) de wind niet altijd op het scherm staat 2) de lichtintensiteit niet optimaal is: in de winter laag en nachts is alle UV straling afwezig 3) de onderzochte coatings alle minder reactief zijn De berekening geeft alleen aan wat maximaal, onder optimale omstandigheden kan worden omgezet door een coating met deze oppervlakteweerstand. Als de lichtintensiteit daalt, zal ook deze coating een lagere fractie omzetten. Verbetering van de situatie (omzetting boven 11%) zou hier moeten komen van het vergroten van de hoeveelheid stof die in aanraking komt met het scherm. Dit zou kunnen door de stroming in een bepaalde richting te forceren of een half doorlatend scherm te bouwen (zie ook hierna). Ten behoeve van de interpretatie van veldexperimenten (zie hierna) zijn berekeningen uitgevoerd waarbij rekening is gehouden met de werkelijke waarden van de windsnelheid, de windrichting en de lichtintensiteit. Dit leidt uiteraard tot een veel lagere omzetting dan de genoemde 11%. Enkele aanvullende berekeningen werden uitgevoerd om de gevoeligheid voor bepaalde aannamen in het model te onderzoeken. Deze berekeningen staan gerapporteerd in Duyzer et al. (2006) -
-
-
De aanstroomhoek De hoek waaronder de wind het geluidsscherm treft. Het blijkt dat de omzetting bij aanstroming van 45º weinig verschilt van die onder loodrechte aanstroming. Een half doorlatend scherm Het thans gesimuleerde scherm is geheel ondoorlaatbaar voor de wind. Onderzocht werd wat gebeurt wanneer een geluidsscherm niet geheel dicht is (voor wat betreft de luchtstroming). De wind kan daarbij gedeeltelijk door het scherm waaien. Wanneer de binnenzijde van het scherm ook met actieve stof is gecoat, kan daar zeer effectief omzetting plaatsvinden. Er is dan veel meer contact tussen de coating en de om te zetten stof. De omzetting bleek daarbij onder standaard condities met een factor twee te kunnen stijgen. De omzetting is dus bij een dergelijk scherm veel groter. In hoeverre een poreus scherm te combineren is met een geluidsscherm is onduidelijk. De turbulentieintensiteit. Door het plaatsen van een obstakel (een auto) voor het scherm wordt de turbulentie intensiteit sterk verhoogd waardoor
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
31 van 73
-
het contact met het scherm wordt versterkt. Dit leidt tot een hogere omzetting van ongeveer 50 %. De hoogte van het scherm De hier genoemde berekeningen zijn alle uitgevoerd bij een schermhoogte van 3 meter. Bij een schermhoogte van 5 meter stijgt de omzetting ook weer met 50% en gaat van ruim 6% naar 9.5 %. De berekeningen werden uitgevoerd voor een oppervlakteweerstand Rc van 2 s/m.
De concentratie achter het scherm Figuur 7 laat de berekende concentratie van NOx zien achter het scherm. Daarbij is uitgegaan van een concentratie van 25 µg/m3 in de achtergrond en de bovengenoemde emissies (4 baansweg) Bij hoge omzetting van Rc = 0.05 m/s (of wel 20000 sec-1) neemt de concentratie van NOx direct achter het scherm met ongeveer 15 µg/m3 af. Verder af van het scherm dempt het effect (door verdunning) uit en bedraagt het verschil nog maar 6 µg/m3 (Figuur 8) De NOx concentratie neemt in de praktijk echter vooral af door omzetting van NO aan het scherm (zoals uit het experimentele onderzoek blijkt) Het is nu vooral de vraag in hoeverre de concentratie van NO2 (de schadelijke stof waarvoor een grenswaarde geldt) ook daalt na een actief scherm. De daling zal, in eerste instantie, de NO concentratie betreffen. Echter, NO reageert na emissie in de lucht met O3 om NO2 te vormen. Omdat er dus minder NO in de lucht is achter een actief scherm zal ook de concentratie van NO2 concentratie dalen achter een scherm. Het is echter lastig te beredeneren met hoeveel precies.
TNO-rapport
32 van 73
2006-A-R0359/B
Afstand 0 m 4.5 4.0 3.5 Hoogte [m]
3.0 2.5 2.0 1.5 omzetting Rc= 10 s/m
1.0
geen omzetting 0.5
omzetting Rc= 10 s/m
0.0 80
90
100
110
120
130
140
150
160
Concentratie [ µ g/m 3]
Afstand 50 m 4.5
omzetting Rc= 10 s/m
4.0
geen omzetting
3.5
omzetting Rc=0.05 s/m
Hoogte [m]
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 50
70
90
110
130
Concentratie [ µ g/m 3]
Figuur 7
De concentratie van NOx direct achter een scherm (boven) en op 50 m achter het scherm al dan niet gecoat met een stof die NOx omzet. Modelberekeningen zijn uitgevoerd met twee omzettingssnelheden.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
33 van 73
Er zijn verschillende werkwijzen onderzocht om het effect van een gecoat windscherm op de NO2 concentratie te bepalen. Helaas is dat bij het ontbreken van een goed model niet eenvoudig. Enkele benaderingswijzen worden hierna besproken. − Grove vuistregel: Naast een snelweg is een realistische situatie dat de achtergrond 25 µg/m3 aan de NO2 concentratie bijdraagt en de snelweg daar tussen 15-25 µg/m3 aan toevoegt. Stel dat de coating maximaal 11 % van deze bijdrage afvangt, zoals blijkt uit de modelberekeningen. Het effect zou dan maximaal 2-3 µg/m3 vermindering van de NO2 concentratie kunnen zijn onder de huidige (optimale) omstandigheden. De laboratoriumexperimenten laten echter en minder hoge omzetting zien. De laagste Rc waarde die werd gevonden was 15 s/m. De omzetting is dan minder dan 3 % (zie Figuur 6) en daarmee vier maal zo laag als de maximale. Het effect op de NO2 concentratie zou dus ook ruwweg 0.5 µg/m3 kunnen zijn. Het gaat dan om de meest gunstige coating en gunstige condities v.w.b. de lichtintensiteit enz. − Empirische relaties tussen NOx en Ozon concentraties: Er zijn empirische relaties tussen de NOx en Ozon concentraties op een bepaalde positie. Daarmee kan de concentratie van NO2 worden berekend, gegeven een bepaalde NOx en ozon concentratie. In het CAR1 model wordt gehanteerd: 3 C NO 2 = CO3 .C NOx /(C NOx + 100) waarbij de C waarden de concentratie in µg/m weergeven en 100 een empirische constante is. Een ozonconcentratie van 40 µg/m3 is dan realistisch. De NOx concentratie in deze relatie is dan de verhoging van de concentratie als gevolg van emissies op de snelweg. Op basis van berekeningen van deze concentratie (weergegeven in Figuur 8) zou de NO2 concentratie onder de genoemde omstandigheden met 0.3 tot bijna 2 µg/m3 dalen op 50 meter achter de snelweg. De hoogste waarde zou dan optreden bij optimale condities en zeer actieve coatings. Aangenomen wordt dat dit effect lineair is. Dat wil zeggen als een coating 10 maal minder actief is (m.a.w. de oppervlakteweerstand 10 maal zo hoog) dat dan ook de verlaging van de NO2 concentratie 10 maal zo laag is Benadrukt moet worden dat de berekende omzettingen plaats hebben gevonden bij optimale omstandigheden met betrekking tot de hoeveelheid UV en de windrichting. Bij windrichtingen vanachter het scherm, en lage lichtintensiteit (gedurende de nacht en in de winter) is de omzetting veel kleiner!
1
Jonkers, (2006).
TNO-rapport
34 van 73
2006-A-R0359/B
Afstand 0 m 5.0 Rc= 10 s/m
4.5
Rc=0.05 s/m
4.0 Hoogte (m)
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verschil in NO2 (µ g/m3)
Afstand 50 m 5.0 Rc = 10 s/m 4.5
Rc=0.05 s/m
4.0
Hoogte (m)
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verschil in NO2 ( µ g/m 3)
Figuur 8
De daling van de concentratie van NO2 op 0 (boven) en 50 m (onder) stroomafwaarts van een gecoat windscherm waarvan de omzettingscoëfficient uitgedrukt als Rc = 0.05 en 10 s/m (of wel k= 20 000 en k = 100 sec-1) bedraagt. Weergegeven staat het verschil in de berekende concentratie bij een berekening met een ‘niet actief scherm en twee schermen met verschillende activiteit.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
35 van 73
4.
Resultaten
4.1
Experiment op TNO terrein in Apeldoorn
De experimentele opzet werd in het eerste fasenrapport beschreven en gerealiseerd (zie Figuur 9) Het onderzoek richtte zich in eerste instantie op het onder de knie krijgen van de experimentele methode en vaststellen van de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid.
Figuur 9
Gerealiseerde opstelling op TNO terrein.
Met de experimenten kon pas worden gestart in de winterperiode. De UV intensiteit is dan laag waardoor de werking van de coatings beperkt zou kunnen zijn. Daarom werd een eerste experiment gestart met een coating, die volgens de leverancier een werking zou hebben bij lage UV-lichtintensiteit. In deze eerste fase van de experimenten werd daarnaast een niet-actieve coating blootgesteld. Verder werd, teneinde de reproduceerbaarheid te onderzoeken, ook een aantal duplo experimenten uitgevoerd. Einde november (2005) werden gecoate Eternit platen blootgesteld. De platen zijn 1.2 bij 1.2 meter groot. Ze werden na de blootstelling afgespoeld met 500 ml demiwater.
TNO-rapport
36 van 73
Uit de experimenten zijn de volgende conclusies getrokken: − Eerste experiment (droge omstandigheden, 9 dagen blootgesteld) Er is geen verschil in activiteit tussen een door fabrikant I geleverde actieve en een niet-actieve coating. Dit wordt afgeleid uit een experiment, waarbij beide coatings gedurende ruim een week zijn blootgesteld. De platen werden na afloop beide afgespoeld met water. Er is geen verschil tussen de concentratie van nitraat in het afgespoelde water. De concentratie in een tweede spoeling is iets lager. −
Tweede experiment (af en toe neerslag, 26 dagen) Tijdens dit experiment werd de neerslag, die langs de platen loopt, opgevangen. De concentratie nitraat in de afgespoelde neerslag was lager dan die in de neerslag die direct werd opgevangen. De conclusie is dat de platen nitraat uit de neerslag opnemen. Onderzocht werd of de coating mogelijk nitraat bevat die niet wordt uitgespoeld. Daartoe werd de coating van een blootgestelde plaat en van een niet blootgestelde plaat afgekrabd. De hoeveelheid nitraat in de niet-blootgestelde plaat was hoger dan in de blootgestelde. Uit analyses bleek verder dat de platen in eerste instantie veel anionen (nitraat, chloride fosfaat enz.) bevatten
De conclusie uit alle experimenten is dat er is geen omzetting waar te nemen met de huidige werkwijze. Dit kan samenhangen met de gekozen werkwijze waarbij de concentratie nitraat in de neerslag die over de platen stroomt word bepaald. Ook wanneer alle blootgestelde coating (die van de ondergrond is afgeschraapt) wordt geanalyseerd, wordt geen omzetting vastgesteld. Verder is vastgesteld dat nietblootgestelde platen veel anorganische anionen bevatten (waaronder nitraat). Uit discussies met medewerkers van fabrikant II kwam verder naar voren dat coatings soms eerst dienen te worden geactiveerd door ze bloot te stellen aan neerslag en UV licht. Helaas is deze activering tot dusver een ‘geheim’ proces en zijn details niet bekend. In de komende maanden zal worden onderzocht in hoeverre deze ‘activering’ iets anders is dan het gedurende korte tijd blootstellen aan weer en wind (neerslag, straling? ) Daarnaast was bekend dat bij lage temperaturen de omzetting erg laag kan zijn. Volgens deskundigen (Anne Beeldens van BRRC, België ) zou er beneden 8 °C geen omzetting zijn. In overleg met de opdrachtgever (DWW) is besloten de experimenten in het laboratorium voort te zetten. Tevens werd het onderzoek uitgebreid met test van nieuwe coatings van fabrikanten III en IV en een groter aantal van de eerste twee leveranciers (zie hierna).
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
37 van 73
4.2
Laboratorium experimenten
In Appendix 1 wordt uitgebreid ingegaan op de werkwijze met de laboratoriumopstelling. Hier wordt de aanpak in grote lijnen geschetst.
4.2.1
Aanpak
In grote lijnen is de werkwijze als volgt: Een glazen reactor, die in eerder onderzoek is gebruikt, werd gereed gemaakt voor dit onderzoek. Deze reactor bestaat uit een halve glazen bol geplaatst op een glazen plaat. Het volume van de (halve) bol bedraagt ongeveer 50 liter. Een stroom schoongemaakte lucht stroomt door de reactor. Deze stroom is geregeld en bevat in te stellen concentraties stikstofoxiden en waterdamp. Zo kan de relatieve vochtigheid in de reactor lucht worden ingesteld. De gemiddelde verblijftijd van de lucht in de reactor is ongeveer 7 minuten. Een bekende concentratie stikstofoxiden wordt in de reactor geleid terwijl proefstukken met gecoat materiaal op de glazen plaat worden geplaatst. De proefstukken zijn meestal ongeveer 30 bij 30 cm groot. De, in de reactor aanwezige stikstofoxiden, kunnen dan worden omgezet en of opgenomen aan het oppervlak van de coating. Figuur 10 laat de gebruikte opstelling zien.
Figuur 10
Opstelling waarmee de omzetting van stikstofoxiden op het laboratorium is onderzocht.
TNO-rapport
38 van 73
4.2.2
2006-A-R0359/B
Interpretatie: De depositiesnelheid en oppervlakteweerstand
De concentratie van stikstofoxiden in de lucht die de reactor ingaat en de concentratie die er uitstroomt, wordt met specifieke monitoren bepaald. Het verschil in concentratie tussen de in- en uitgaande luchtstroom geeft aan in hoeverre de onderzochte coating effectief is in het omzetten (opnemen) van stikstofoxiden in de reactor. De opname door het paneel wordt dus berekend aan de hand van de vergelijking (uitgebreid besproken in de appendix): (Massa stof die de reactor instroomt)- (Massa stof die de reactor uitstroomt)= de flux
Uit de experimenten wordt een grootheid (de depositiesnelheid) afgeleid die aangeeft hoe effectief een bepaalde coating stikstofoxiden omzet. De depositiesnelheid vd (in m/s) is de snelheid waarmee een stof deponeert (zie Appendix 1). Daarmee wordt bedoeld de snelheid waarmee de stof aan het oppervlak wordt opgenomen dan wel omgezet, in ieder geval uit de lucht verdwijnt. De depositiesnelheid is een handige parameter om uit de metingen af te leiden omdat deze kan worden gebruikt om de flux te berekenen bij een ander concentratie of bij een ander oppervlak. De volgende relatie is dan van belang: flux = v d .clucht Daarin is clucht dan de concentratie in de lucht die de reactor uitstroomt. De depositiesnelheid is dus de evenredigheidsconstante tussen de concentratie in lucht clucht (in g/m3) en de flux (bijvoorbeeld uitgedrukt in g/m2/s). Het verschil in depositiesnelheid tussen verschillende coatings geeft dus aan hoe effectief een bepaalde coating is in vergelijking met een andere. Wanneer een coating een twee maal zo hoge depositiesnelheid heeft als een andere dan betekent dit dat deze coating moleculen die aan het oppervlak komen twee maal zo snel omzet als de andere. De oppervlakteweerstand De omzetting door de coating hangt samen met de kwaliteit van de coating maar ook van de snelheid waarmee stoffen door de lucht naar de coating worden aangevoerd. Het beeld is daarbij dat stoffen eerst door de wind (turbulente luchtbewegingen) naar het oppervlak worden getransporteerd en daar vervolgens worden omgezet. Om onderzoek naar dit proces mogelijk te maken kan de lucht in de reactor met variabele intensiteit (turbulentie) worden geroerd. Het verschil met in de literatuur beschreven experimenten is dat deze turbulentie kan worden vastgesteld aan de hand van eenvoudige experimenten. Dit heeft het voordeel dat het resultaat van de experimenten eenvoudig naar de werkelijkheid kan worden vertaald. Uit de metingen kan namelijk een parameter worden afgeleid die kan worden gebruikt in modellen voor de buitenlucht (zie Appendix 1 over het weerstandslagen model). Deze parameter (de oppervlakteweerstand) beschrijft hoe snel moleculen aan dat oppervlak verdwijnen (omgezet of geadsorbeerd) Deze weerstand is dus hoog voor minder actieve coatings en laag voor actieve coatings. Sommige coatings zijn zo actief dat vrijwel elk molecuul NO dat de coating raakt meteen wordt omgezet. De oppervlakte weerstand is dan gelijk aan nul. Bij dit soort coatings wordt de
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
39 van 73
snelheid waarmee stoffen kunnen worden aangevoerd naar het oppervlak (de intensiteit van de turbulentie) de snelheidsbepalende factor. Door kennis over de oppervlakteweerstand (Rc) en de turbulente weerstand (Rb) kan worden bepaald welke stap in het proces snelheidsbepalend is: − de snelheid waarmee stoffen naar het coatingoppervlak worden getransporteerd of (Rc is klein d.w.z. een coating van goede kwaliteit): − de snelheid waarmee de stof aan het oppervlak wordt geadsorbeerd of omgezet (Rc is groot d.w.z. een slechte coating) De turbulentieintensiteit in de reactor wordt vooral bepaald door de snelheid van de roerder. In de buitenlucht wordt deze bepaald door de windsnelheid, het voorkomen van windobstakels enz. In een aantal experimenten in de reactor (beschreven in de appendix ) is de weerstand tegen transport bepaald voor water. Uit gegevens over deze weerstand voor water kan uit de gemeten depositiesnelheid in de reactor de oppervlakteweerstand (zie appendix 1) worden berekend. Deze waarde geeft de werkelijke opnamesnelheid van NO aan het gecoate oppervlak aan. De oppervlakteweerstand is ook gebruikt in de berekeningen met het CFD model en bij de interpretatie van het veldexperiment in de hoofdfase. De oppervlakteweerstand is een betere parameter dan de depositiesnelheid omdat hij niet meer afhankelijk is van de turbulentie-intensiteit (de roerdersnelheid en in de buitenlucht de windsnelheid enzovoort). Als de oppervlakteweerstand gelijk aan nul is dan is het transport door de lucht naar het oppervlak van de coating (de turbulentie) dus snelheidsbepalend. Elk molecuul dat het oppervlak raakt wordt omgezet. De omzetting van NO kan dan niet worden verbeterd door de de activiteit van de coating te verhogen. Bij de situatie langs de snelweg kan het effect van een gecoat scherm dan alleen nog worden verbeterd door het verhogen van de snelheid waarmee stoffen naar het scherm met de coating worden aangevoerd. Het is van belang op te merken dat de genoemde oppervlakteweerstand een zeer geschikte parameter is. Beter dan het soms gerapporteerde omzettingspercentage. Dit percentage is afhankelijk van de experimentele opzet. Vooral de snelheid waarmee de gasstroom door de reactor loopt is belangrijk. Naarmate de contacttijd tussen gas en materiaal langer is wordt meer omzetting bereikt. De oppervlakteweerstand is juist onafhankelijk van deze parameters en daardoor uitstekend geschikt voor gebruik in andere condities. Bovendien kan de oppervlakteweerstand goed worden gebruikt in modellen voor luchtverntreiniging.
4.2.3
Beschrijving experimenten
Werkwijze Er wordt steeds met twee verschillende gasmengsels in de reactor gewerkt. Het ene bestaat uit ongeveer 160 ppb NO2 en vrijwel geen NO. Het tweede gasmengsel
TNO-rapport
40 van 73
bestaat uit 120 ppb NO en 35 ppb NO2. De concentratie van beide gassen, die van ozon en de luchtvochtigheid aan de inlaat en aan de uitstroom kant van de reactor wordt gemeten met specifieke monitoren1. De experimenten vinden plaats in een geconditioneerde ruimte waar geen zonlicht binnendringt. De waarden voor de afbraak worden afgelezen na een periode van enkele uren van stabilisatie van het systeem. Voor elke coating zijn dus 4 experimenten uitgevoerd: − een mengsel van NO2 in lucht onder invloed van UV-licht − een mengsel van NO en NO2 in lucht onder invloed van UV-licht − een mengsel van NO2 in lucht zonder UV-licht − een mengsel van NO en NO2 in lucht zonder UV- licht. Enkele belangrijke kenmerken van de experimenten worden hierna besproken: Turbulentieintensiteit De experimenten worden geïnterpreteerd met het in de Appendix 1 beschreven weerstandslagen model. Een dergelijk model is nuttig omdat daarmee onderzocht kan worden welk proces snelheidsbepalend is; het transport door de lucht naar het katalysator oppervlak of de omzetting aan het oppervlak. Om de reactor te karakteriseren zijn eerst de transportsnelheden bepaald (de waarden van Ra en Rb zie appendix). Dit werd gedaan door de snelheid van verdampen van water te bepalen in de opstelling. Water heeft geen weerstand tegen verdamping (m.a.w. Rc= 0) Experimenten waarbij water verdampt zijn dus zeer geschikt om de turbulentie intensiteit van de lucht in de reactor te onderzoeken. In Appendix 1 staan de resultaten van deze experimenten. Bij de veelal gebruikte snelheid van de roerder (120 rpm) is de weerstand tegen transport (Ra en Rb) ruwweg 100 s/m. Dit betekent dat de maximale depositiesnelheid vd =(1/( Ra+Rb)) maximaal 10 mm/s is. Een coating die deze snelheid haalt zet dus bijna alle gasmoleculen om die de coating raken. Een hogere snelheid is niet bereikbaar onder deze condities. De meeste geteste coatings halen deze snelheid echter niet. Temperatuur en vochtigheid De experimenten werden uitgevoerd bij een temperatuur van 20 ºC en de vochtigheid van de in de reactor stromende lucht was meestal ongeveer 60%. Sommige materialen (zoals de houtwolcementplaten van fabrikant no III). bevatten veel vocht. Tijdens het experiment verdampt een gedeelte van dit vocht en wordt de vochtigheid in de reactor hoger dan de ingestelde waarde. In een later stadium werden experimenten uitgevoerd bij hogere waarden van de luchtvochtigheid tot 95 %. Dergelijke waarden bleken meer representatief voor de waarden die tijdens het veldexperiment langs de snelweg werden aangetroffen. 1
TEI 42 S voor stikstofoxiden, TEI 49C voor Ozon, en een Vaisala hygrometer. De meetwaarden van alle instrumenten worden continu uitgelezen met een Campbell 21 X micrologger.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
41 van 73
Helaas was het niet mogelijk de invloed van de temperatuur te onderzoeken. In de literatuur wordt overigens geen invloed van de temperatuur genoemd. Er zijn echter aanwijzingen dat bij lagere tempratuur geen omzetting plaatsvindt (Mondelinge mededeling A. Beeldens (BRRC) UV lichtintensiteit Voor de bestraling worden OSRAM Vitalux1 lampen gebruikt. Deze worden ook door andere instituten gebruikt voor bestralingen (Magos et al., 2005a en b). Ze bevinden zich (buiten de reactor) op ongeveer een halve meter afstand van de blootgestelde materialen. Door het inschakelen van één of meer lampen kan de lichtintensiteit worden gevarieerd. De lichtintensiteit in de reactor werd bepaald met een UV sensor2) Tijdens meting werd de sensor in de reactor geplaatst op de positie waar in andere gevallen de blootgestelde materialen worden geplaatst. De lichtintensiteit werd gemeten in de reactor, door de UV-sensor op de positie van de blootgestelde platen te plaatsen. De lichtintensiteit op de glazen plaat is ongeveer 12 Watt/m2 gemeten met de Kipp UV sensor. Dit is een redelijke waarde voor een mooie zomerdag. Maximaal wordt deze waarde in Nederland ongeveer 10-20 Watt/m2. De invloed van de lichtintensiteit op de omzettingseffectiviteit van twee van de coatings werd onderzocht. Één van deze coatings is gebruikt in het praktijk experiment langs de A1. De figuur geeft de relatie tussen lichtintensiteit gemeten in de reactor en waarde van Rc aan. Het gaat om platen die in het veldexperiment zijn betrokken (fabrikant II nummer 5) De coating is aangebracht op Eternit3 platen. Figuur 11 geeft aan dat de omzetting (uitgedrukt als Rc de weerstand tegen omzetting) bij dalende lichtintensiteit lang laag blijft (en de omzetting hoog). Pas bij een UV lichtintensiteit lager dan 5 W/m2 neemt Rc snel toe en daalt de opname. Bij lichtintensiteit onder deze waarde is de effectiviteit nog maar 50 %. Uit de veldexperimenten blijkt dat tot november de lichtintensiteit elke dag dergelijke waarden bereikt. De hier gevonden relaties zijn gebruikt in de berekeningen beschreven in Hoofdstuk 5.
1
OSRAM Vitalux 300 W E27ES.
2
Kipp& Zonen Uv sensor CUV3.
3
Gebruikt werden Eflex platen van ETERNIT. Deze bestaan uit Portland cement, minerale vulstoffen, natuurlijke organische versterkingsvezels en toeslagstoffen. De dikte was 7.5 mm.
TNO-rapport
42 van 73
2006-A-R0359/B
Afhankelijkheid opname van lichtintensiteit 3.00E+02
2.50E+02
Rc (s/m)
2.00E+02
Fabrikant II nummer 7 Fabrikant II nummer 5
1.50E+02
1.00E+02
5.00E+01
0.00E+00 0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
UV lichtintensiteit (W/m2)
Figuur 11
4.2.4
De invloed van de lichtintensiteit op de omzetting aan het oppervlak van coating no. 5 van fabrikant II (op Eflex) en de zelfde invloed op coating no 7 van dezelfde fabrikant aangebracht op kunststof folie.
Resultaten
Er zijn grofweg drie soorten experimenten in de reactor uitgevoerd: − onderzoek naar de effectiviteit van de verschillende coatings − duurproeven om het effect van de coating op de lange duur te onderzoeken − experimenten gericht op het bepalen van een geschikte methode om in het veld straks de omzetting te bepalen. Hieronder wordt ingaan op verschillende resultaten van de experimenten: 1) Vergelijking van verschillende coatings Tabel 1 geeft een overzicht van de onderzochte coatings. Er zijn 18 coatings onderzocht van vier leveranciers De spreiding tussen de resultaten van twee duplo experimenten varieert van 10 tot bijna 30% in het slechtste geval. Daarbij is het experiment dus twee maal in zijn geheel uitgevoerd. Er werd een nieuwe folie in de reactor geplaatst en het experiment werd herhaald. Tabel 1 geeft het resultaat van de experimenten weer.
40.0
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
43 van 73
De resultaten van alle uitgevoerde experimenten staan gerapporteerd in Appendix 2. De tabel 2 geeft een ruwe indeling van de resultaten van de experimenten. Deze is gebaseerd op de berekeningen met het CFD model in Figuur 6. Deze indeling is gebruikt voor de classificatie gegeven in Tabel 2. Het is wel zo dat de materialen die als zeer beperkt actief staan in veel gevallen wel NO omzetten. Deze omzetting is ook goed meetbaar. De omzetting is echter relatief laag vergeleken met de andere coatings. Coatings met een oppervlakte weerstand van boven de 1000 s/m zetten in enkele gevallen 2/3 van de in de reactor geleide NO om. Echter uit de CFD modellen blijkt dat ze in de opstelling met een geluidsscherm slechts enkele honderdste procenten van de aangestroomde NO omzetten. Uit Tabel 1 blijkt dat slechts enkele coatings actief of zeer actief zijn. Slechts de coatings van fabrikant II en een enkele van fabrikant III vallen in de categorie actief. Tabel 1
Onderzochte coatings en materialen in laboratorium onderzoek naar omzetting van NOx door TiO2 houdende materialen.
Naam fabrikant
Nummer fabrikant
Coatings
Fabrikant
I
Fabrikant
Fabrikant
Fabrikant
II
III
IV
Omschrijving fabrikant
Aangeleverd
Activiteit (onder standaard condities)
1
001 UV
Verf, door TNO aangebracht op aluminium plaat
Zeer beperkt actief
2
002 VL
Idem
Zeer beperkt actief
3
Not active
Idem
0
4
High Cat
Idem
Zeer beperkt
1
KWRTNO.01
Verf op velletje kunststof
Zeer actief
2
KWRTNO.02
Verf op velletje kunststof
Niet getest
3
KWRTNO.03
Verf op velletje kunststof
Redelijk actief
4
Sylicaat systeem
Verf door TNO aangebracht op Eflex
Zeer beperkt actief
5
KWRTNO 1
Op Eflex
Actief
6
Siloxaan
Idem
Zeer beperkt actief
7
KWRTNO 1
Verf op velletje kunststof
Actief
1
Compleet materiaal op houtwol cement
Beperkt
2
Idem
Actief
3
Idem
Beperkt actief
4
Idem
Beperkt actief
5
Idem
Beperkt actief
6
Idem
Beperkt actief
1
Verf, door TNO aangebracht op aluminium plaat
Zeer beperkt actief
TNO-rapport
44 van 73
Tabel 2
2006-A-R0359/B
Indeling van de experimentele resultaten van het laboratorium onderzoek. Gebaseerd op berekeningen met het CFD model. De verlaging van de NO2 concentratie is gegeven in µg/m3 Deze zijn berekend op een afstand van 50 m achter het scherm onder optimale condities (zie Hoofdstuk 3). En gebaseerd op grove vuistregels.
Rc (s/m) Van
activiteit tot
omzetting (%)
verlaging NO2 concentratie
van
tot
van
tot
11.20
2.97
2
0.3
0
10
extreem actief
10
50
zeer actief
2.97
0.90
0.3
0.06
50
100
actief
0.90
0.50
0.06
0.03
100
500
redelijk actief
0.50
0.20
0.03
0.006
500
1000
Beperkt actief
0.20
0.05
0.006
0.003
1000
10000
Zeer beperkt actief
0.05
0.00
0.003
0.0003
2) Onderzoek naar de mogelijkheden door afspoeling de hoeveelheid afgebroken NOx te bepalen Enkele coatings werden gedurende langere perioden blootgesteld om te onderzoeken in hoeverre afspoeling van het blootgestelde materiaal gebruikt kan worden om te bepalen hoeveel NOx is gebonden (en omgezet in nitraat). Het experiment werd uitgevoerd aan een coating 1 geleverd door fabrikant II en aan een coating geleverd door fabrikant I. De folies werden afgespoeld met gedemineraliseerd water en in de afgespoelde vloeistof werd de hoeveelheid nitraat bepaald met behulp van ion-chromatografie. De hoeveelheid in de afgespoelde vloeistof gevonden materiaal werd vergeleken met de hoeveelheid stikstofoxiden afgebroken in het reactor experiment. Figuur 12 laat zien dat deze hoeveelheden goed met elkaar overeenkomen. De afspoelmethode lijkt daarmee dus goed bruikbaar voor bepaling van de omgezette en geadsorbeerde hoeveelheid stikstofoxiden.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
45 van 73
Vergelijking nitraat in afspoel en in depositie
In reactor gemeten depositie ( µg NO3)
25000
20000
15000
10000 Fabrikant II Fabrikant no I
5000
1:1 "Fabrikant no II beton"
0 0
5000
10000
15000
20000
25000
Nitraat in afgespoelde vloeistof (µ g NO3)
Figuur 12
De hoeveelheid afgebroken stikstofoxiden (berekend als nitraat) afgeleid uit het experiment in de doorstroomreactor, uitgezet tegen de hoeveelheid nitraat aangetroffen in de afgespoelde vloeistof. Experimenten met coatings van fabrikanten I en II. De correlatiecoëfficiënt (ρ2) berekend over alle punten bedraagt 0.74.
3) Onderzoek naar de invloed van de luchtvochtigheid en vorming van NO2 Bij langdurige blootstelling van het gecoate materiaal blijkt de efficiency van de coating om NO om te zetten nauwelijks te dalen. Belangrijk daarbij is dat na een bepaalde periode NO2 wordt gevormd uit de omgezette NO (zie Figuur 6) Als dit in de praktijk op zou treden zou dit een ongunstig effect hebben op de mogelijkheden om het materiaal te gebruiken. De werking van de TiO2 coating zou juist moeten zijn NO om te zetten in nitraat dat wordt gebonden aan de ondergrond zoals beton. Vorming van NO2 uit omgezette NO zou de werking van de coating volledig teniet doen. Waarschijnlijk is de capaciteit, van de folie waarop de coating is aangebracht, om de gevormde NO2 te binden erg beperkt. Beton heeft waarschijnlijk meer capaciteit om NO2 te binden en er zal minder gasvormig NO2 ontsnappen. Dit is te zien in Figuur 13 waarin de opname in twee verschillende experimenten is te zien. De coating aangebracht op folie zet NO effectief om maar er komt vrijwel onmiddellijk NO2 vrij. Na een dag of twee is de omzetting van NO nog even hoog maar komt er bijna evenveel NO2 vrij ( de NO opname is 0.008 ppb m/s de NO2 afgifte 0.006 ppb m/s). Op dat moment komt 75% van de opgenomen NO al weer terug als NO2 . In het tweede experiment waarbij de coating is aangebracht op Eflex is de opname van NO ongeveer gelijk. Na 7 dagen is de emissie van NO2 nog pas op 10% van de NO opname. Dit effect wordt waarschijnlijk veroorzaakt door het grotere aantal vrij-beschikbare plaatsen op de Eflex platen dan op de folie. Aan de andere kant is de opname van NO ook lager waardoor het aantal beschikbare
TNO-rapport
46 van 73
plaatsen ook minder snel daalt. In de praktijk buiten is de kans op een regenbui na een langere periode ook weer groter. Het oppervlak kan dan weer schoonspoelen, vóór het is verzadigd. Verwacht werd dat het effect van de bezetting van beschikbare plaatsen samen hangt met de luchtvochtigheid (dan wel de vochtigheid van de platen zelf). Aan het einde van de hoofdfase werd daarom nog een beperkt onderzoek uitgevoerd naar de invloed van de vochtigheid op de opname dan wel de omzetting. Figuur 14 laat het resultaat van één van deze experimenten zien. Na een bepaalde periode (vergelijk Figuur 14) werd de vochtigheid veranderd. Na een korte instelperiode verandert de opname van NO slechts weinig. Het verschil in de oppervlakte weerstand Rc is slechts gering. Deze Rc waarde loopt slechts gering op bij een verandering van de relatieve vochtigheid van 55 naar 95 %. Opvallender is het verschil in de NO2 flux. Bij hoge luchtvochtigheid wordt de emissie van NO2 steeds groter. Bij experimenten met lage luchtvochtigheid wordt nog wel NO2 opgenomen, maar bij de hogere vochtigheden boven 70 % wordt emissie van NO2 steeds belangrijker1. Eenzelfde experiment werd uitgevoerd een coating nummer 5 van Fabrikant II op Eflex. Ook hier blijkt een vergelijkbaar mechanisme op te treden. Bij hogere vochtigheid treedt beperkte verlaging van de opname van NO op en is de emissie van NO2 belangrijker. Het experiment is echter lastiger uit te voeren omdat het erg lang duurt voordat er evenwicht optreedt na verandering van de vochtigheid. Bij een vochtigheid van 85 % is de NO2 emissie echter nooit veel hoger dan 25 % van de NO depositie. Terwijl bij de folie er na langere blootstelling er wel 50 % van de omgezette NO werd omgezet in NO2. De bovengenoemde experimenten ondersteunen het beeld dat het aantal beschikbare plaatsen om omgezette NO (NO2 of NO3) te binden van belang is voor zowel de omzettingssnelheid van NO als de emissie van NO2. Bij hoge vochtigheid is de snelheid waarmee NO wordt omgezet lager en de emissie van NO2 belangrijker.
1
In het veld experiment bij Terschuur was de relatieve vochtigheid vrijwel altijd hoger dan 70 %.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
47 van 73
0.012 0.01 0.008 flux (ppb*m/s*m2)
0.006 0.004 NO
0.002
Nox
0
NO2
-0.002 -0.004 -0.006 -0.008 -0.01 21-04-06 22-04-06 22-04-06 23-04-06 23-04-06 24-04-06 24-04-06 25-04-06 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 tijd
0.014 0.012
flux (ppb*m/s)
0.01 0.008 NO 0.006
NOx NO2
0.004 0.002 0 -0.002 4-09-06 5-09-06 6-09-06 7-09-06 8-09-06 9-09-06 10-09- 11-09- 12-090:00 0:00 0:00 0:00 0:00 0:00 06 0:00 06 0:00 06 0:00 tijd
Figuur 13
Fluxen van NO, NO2 en NOx (som van de concentraties van NO en NO2) in een reactor experiment met folie 1 van fabrikant II (de bovenste figuur) en dezelfde verf aangebracht op Eflex platen. Positieve fluxen wijzen op verlies in de reactor (absorptie of omzetting) negatieve op vorming/emissie. De fluxen zijn uitgedrukt in ppb.m/s in plaats van µg/m2/s om de vergelijkbaarheid tussen NO en NO2 mogelijk te maken. Daarbij geldt dat 1 ppb.m/s NO2 ongeveer 2 µg/m2/s NO2 is en 1 ppb.ms/ NO ongeveer 1.2 µg/m2/s NO.
TNO-rapport
48 van 73
2006-A-R0359/B
Invloed vochtigheid (fabrikant II coating no 7)
0.02
500 NO flux NO2 flux RC NO
400
0.01 0.005
300
0 0
20
40
60
-0.005
80
100
120 200
-0.01 100 -0.015 -0.02
0
Rc NO (s/m)
Flux NO en NO2 (ppb m/s)
0.015
RH (%)
Figuur 14
De invloed van de luchtvochtigheid (RH) op de omzetting van NO in de reactor. Weergegeven is de flux van NO en die van NO2 en de oppervlakteweerstand voor opname van NO voor de folie 7 van fabrikant II.
4) Blootstelling van panelen die waren blootgesteld in het veldexperiment Na het veldexperiment is nog een experiment in de reactor uitgevoerd met één van de panelen die gedurende enkele maanden in het veldexperiment waren blootgesteld. Daaruit kwam een aantal opmerkelijke resultaten naar voren: -
Na 24 uur in de reactor bij een luchtvochtigheid van de ingaande stroom van 85 % is de luchtvochtigheid nog steeds hoog door verdamping vanaf het paneel (Fabrikant II no.5) . Het paneel blijft dus langdurig nat na regen.
-
Nadat het paneel is gedroogd verloopt de omzetting van NO trager dan de niet blootgestelde (Rc van ruim 200 s/m terwijl deze vooraf ongeveer 100 s/m bedroeg) Mogelijk speelt vervuiling van het oppervlak een rol.
-
De vorming van NO2 is op dat moment 25 % van de omgezette NO.
Dit resultaat suggereert dat de opname van de blootgestelde panelen lange tijd laag blijft na bevochtiging. Bovendien blijkt er een duidelijke emissie van NO2 van de blootgestelde panelen.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
49 van 73
4.2.5
Conclusies uit de laboratorium experimenten met de reactor
De omzetting in de reactor werd onderzocht door metingen van het verlies van de stof wanneer deze door de reactor stroomt. Conclusies over deze experimenten worden slechts op hoofdlijnen en niet per fabrikant getrokken De volgende conclusies komen uit het onderzoek naar voren. − De snelheid van de roerder. De roerder veroorzaakt de turbulentie in de reactor en zorgt daarmee voor transport van stoffen naar het actieve oppervlak. De turbulentie in de reactor bleek goed te beschrijven met het weerstandmodel. Daardoor kon uit alle experimenten direct de zogenaamde oppervlakte weerstand worden bepaald. Deze beschrijft de snelheid van het proces direct aan het oppervlak. De oppervlakteweerstand kan ook direct in het CFD model worden gebruikt om de opname te beschrijven. − Omzetting NO. De onderzochte coatings zetten vooral NO om. Coating no. 1 van Fabrikant II is zeer effectief in het omzetten van NO. Deze zet onder de huidige condities bijna maximaal om. De oppervlakteweerstand daalt tot een lage waarde van 15 s/m. Deze zeer actieve coating was door de leverancier ‘geactiveerd’ volgens een procedure die neerkomt op een versnelde veroudering onder invloed van kunstmatig hoge lichtintensiteit en neerslag. Deze versnelde veroudering zorgt er waarschijnlijk voor dat de TiO2 beter bereikbaar wordt voor de NO moleculen Andere coatings zijn minder effectief, de omzetting is doorgaans minstens een factor twee lager. De coatings geleverd door fabrikant I gaven een onverwacht lage omzetting. Enkele werden nog onderzocht na enkele weken in weer en wind. Dit bleek niet tot verhoging van de omzetting te leiden. De invloed van een aantal parameters op de omzetting werd bepaald: o De invloed van de UV-lichtintensiteit. Ook deze parameter is in het CFD model gebruikt. o De invloed van de luchtvochtigheid. De invloed van de luchtvochtigheid op de opname van NO is, tussen 55 en bijna 95 % RH, niet bijzonder groot. In veel drogere atmosferen zou de omzetting van NO veel groter kunnen zijn en de effectiviteit van de omzetting veel groter (mondelinge mededeling van Anne Beeldens van BRRC) Dergelijke lage vochtigheden doen zich in Nederland minder vaak voor (zie hierna) −
−
Opname van NO2. Blootstelling van het materiaal geleverd door Fabrikant III leidt ook tot verlaging van de NO2 concentratie. In enkele gevallen zelfs zeer effectief. Uit verdere experimenten blijkt dat het hier waarschijnlijk gaat om adsorptie en niet om omzetting. Het proces vindt zowel plaats in het licht als in het donker. Deze omzetting blijft ook over lange tijd voortduren. Vorming van NO2. Uit experimenten over langere perioden blijkt dat de omzetting van NO door coating 1 van fabrikant II lange tijd blijft voortduren. Daarbij blijkt wel dat, naarmate de omzetting langer duurt de omgezette NO steeds minder wordt geadsorbeerd maar meer omgezet wordt in NO2. Dit zou een ongunstige bijwerking zijn. Het vrijkomen van NO2 hangt waarschijnlijk samen
TNO-rapport
50 van 73
−
−
het materiaal waarop de coating is aangebracht; een zeer dunne folie. Bij het materiaal waarvoor de coating is bedoeld (beton/cement) is meer ruimte om de gevormde NO2 moleculen te binden. Daar is omzetting gevolgd door emissie van NO2 inderdaad lager. Bij toenemende luchtvochtigheid blijkt de vorming van NO2 toe te nemen. Er blijkt echter niet meer dan 25 % van de omgezette NO als NO2 te worden geëmitteerd. Bepaling van de hoeveelheid omgezette NO. In de experimenten is de omzetting van NO bepaald aan de hand van afname van de concentratie in de reactor. Aan de hand van experimenten, waarbij de blootgestelde materialen worden gespoeld met water, kan ook de omzetting worden bepaald. De twee verschillende manieren om de omzetting van stoffen in de reactor te bepalen zijn met elkaar vergeleken. Het resultaat van de vergelijking was goed. Er werd een lineaire relatie tussen de op twee manieren bepaalde omzetting gevonden. De methode waarbij de platen worden afgespoeld zal worden gebruikt in het veldexperiment om de omzetting van NO aan de platen te bepalen. Deze methode zal in de veldexperimenten worden gebruikt om de effectiviteit te beoordelen. Effectiviteit van in de praktijk blootgestelde panelen. Platen die gebruikt zijn in het veldexperiment werden ook onderzocht. Daaruit bleek dat deze platen (Fabrikant II no. 5) wanneer ze nat zijn geworden door neerslag gedurende een periode van enkele dagen (tijdens het drogen) veel minder actief zijn. De activiteit komt na enkele dagen (!) weer terug al blijft de effectiviteit wel verminderd. Bij deze coatings zal dit effect in het vochtige Nederlands klimaat de effectieve opname over een langere periode sterk verminderen. Mogelijk is dit effect geringer bij meer hydrofobe coatings.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
51 van 73
5.
Het veldexperiment bij Terschuur
5.1
Inleiding
Bij de keuze van de coating voor het veldexperiment speelt een aantal overwegingen een rol: - Gekozen werd voor de meest effectieve coating op een betonnen ondergrond uit de laboratoriumexperimenten. De overweging was daarbij dat wanneer met deze coating successen zouden worden geboekt andere leveranciers (met minder actieve coatings) alsnog hun producten zouden kunnen verbeteren. Gezien deze overweging richt de analyse van de meetgegevens zich dus ook op de meest actieve coating. Het betreft coating no. 5 van fabrikant II die gelijk was aan KWRTNO1 van deze fabrikant (dit was de meest actieve coating uit de test). - Gekozen werd voor één van de coatings van dezelfde fabrikant met een andere oppervlakte karakteristiek (een meer hydrofobe coating no. 6 van fabikant II)) - Gekozen werd verder voor een coating van fabrikant I die al onder invloed van zichtbaar licht zou werken en daardoor zeker in het najaar veel effectiever zou kunnen zijn - Een niet-actieve coating van fabrikant I werd gebruikt als referentie. Het doel van de coating is het verlagen van de concentratie van NO2 langs de snelweg. Verwacht werd echter dat een dergelijke verlaging in de NO2 concentratie nauwelijks meetbaar is in de praktijk. De opzet van de pilot in Terschuur was daarom omgekeerd. In plaats van de verlaging van de concentratie van NO2 werd de hoeveelheid NO die door het scherm was omgezet, bepaald. Zoals in het laboratorium werd aangetoond kan deze hoeveelheid goed worden bepaald door het bepalen van de nitraat concentratie in de vloeistof waarmee panelen zijn afgespoeld. De vloeistof was gedemineraliseerd water in het laboratorium en meestal neerslag in het veld. Het experiment liep in de tweede helft van het jaar 2006 gedurende een periode van 4.5 maanden Het is lastig de aangetroffen hoeveelheid nitraat direct om te rekenen in de verlaging van de concentratie van NO2. Daarom wordt in dit hoofdstuk, in eerste instantie, de gemeten hoeveelheid nitraat vergeleken met de door het wegverkeer geëmitteerde hoeveelheid stikstofoxiden. Dit sluit aan bij de interpretatie van de berekeningen met het CFD model.
5.2
Beschrijving van het experiment
Langs de A1 bij Terschuur werd op een bestaand houten geluidsscherm aan de Noordkant van de weg een aantal panelen aangebracht. De panelen waren 125 cm breed en 120 cm hoog en bevonden zich aan de bovenzijde op een hoogte van 250 cm boven het maaiveld. Het scherm is ter plaatse 3 m hoog . De panelen van
TNO-rapport
52 van 73
2006-A-R0359/B
de firma Eternit (type Eflex) zijn volgens de gebruiksaanwijzing van de leverancier geverfd na het aanbrengen van de eveneens geleverde primer. In totaal werden vier panelen geplaatst. Op elk paneel werden twee stroken van de zelfde coating aangebracht. Onderaan de panelen bevond zich onder elke strook een goot. Elke goot watert via een slang af in een aparte glazen monsternemingsfles. Op deze wijze kon neerslag die langs het paneel stroomt worden opgevangen. Na de eerste periode werden de panelen eenmalig, handmatig met gedemineraliseerd water afgespoeld. De afgespoelde vloeistof werd ook in de flessen opgevangen. Figuur 15 geeft een overzicht van de meetopstelling.
Figuur 15
Meetopstelling te Terschuur. Te zien zijn de gecoate panelen met daaronder de opvangflessen in aluminium kisten. Vooraan een regenvanger, daarna een windsnelheidsmeter die tegelijkertijd de windrichting meet, en de sensor voor het meten van ultra-violette straling. Achter de witte regendetector (tipping bucket) de kist met meetapparatuur De rechtse foto geeft een detail van de monsterflessen.
De monsternemingsflessen werden in principe elke week geleegd. In de gemonsterde neerslag werd de hoeveelheid nitraat bepaald met behulp van ionchromatografie. De volgende coatings werden blootgesteld: -
fabrikant I coating type: Niet actief fabrikant I coating type: Visible Light Active fabrikant II coating type 05 Styrene Acrylic Paint fabrikant II coating type 06 Siloxane Paint
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
53 van 73
Met de blootstelling werd begonnen op 16 augustus 2006. Het experiment werd gestaakt op 15 december 2006. De blootstelling van de panelen werd gedocumenteerd met behulp van een uitgebreide set metingen. -
UV straling met de Kipp Uv sensor CUV-3 Dit toestel werd ook gebruikt om de lichtintensiteit in de laboratoriumopstelling te bepalen. Windrichting en windsnelheid meter op 5 m hoogte (Young propeller vaan type 05103 Tipping bucket regen meter (Campbell ARG 100) Ozon monitor (Thermo instruments 43C) NOx (NO en NO2) monitor (Thermo Instruments 42i) Temperatuur en vochtigheid (Vaisala HMP45A)
Alle meetwaarden werden geregistreerd met een ter plaatse opgestelde Campbell micrologger (type 21X )
5.3
Resultaat van de experimenten
5.3.1
Toets van de meetmethode
In het laboratorium werd onderzocht in hoeverre door middel van afspoelen de hoeveelheid opgenomen stikstof (oxiden) bepaald kan worden. Dat bleek goed mogelijk. In een beperkt onderzoek werd de methode nog buiten getest. Daarbij werd onderzocht in hoeverre het afspoelen kwantitatief gebeurt. Na de eerste blootstellingsperiode (die erg droog was) werden de platen een aantal keer, direct na elkaar, met gedemineraliseerd water gespoeld. De resultaten van dit experiment zijn vastgelegd in Figuur 16. Daaruit blijkt dat: - De hoeveelheid nitraat in de eerste spoeling ruwweg een factor 10 hoger is dan die in de tweede spoeling. Deze laatste is weer een factor 10 hoger dan de hoeveelheid in de derde spoeling. Dit geldt voor alle blootgestelde panelen. - De hoeveelheid nitraat in de actieve coatings is wel een factor 3 (voor de minst actieve coating) tot 50 hoger dan die in de niet-actieve coating. Deze resultaten geven aan dat methode die hier gebruikt wordt om de hoeveelheid omgezet NO te bepalen voldoet aan de verwachtingen. Al na het afspoelen met behulp van één liter water wordt de meeste nitraat al afgespoeld. Uit de laboratorium experimenten bleek al dat door het afspoelen van blootgestelde platen de hoeveelheid gedeponeerde stikstofoxiden kan worden vastgesteld.
TNO-rapport
54 van 73
2006-A-R0359/B
1000
fabrikant II no 5 fabrikant II no 5 duplo fabrikant I Niet actief fabrikant I Niet actief
100
mg NO3
10
1 0
1
2
3
4
0.1
0.01
spoeling nummer
Figuur 16
5.3.2
Hoeveelheid nitraat in gedemineraliseerd water na afspoeling van de verschillende panelen na blootstelling langs de A1 bij Terschuur in de periode 15 tot 29-9 2006. Bij nummer 1 op de x-as staat de in de eerste spoeling gevonden hoeveelheid nitraat aangegeven. Bij nummer 2 de tweede en bij 3 de derde.
Resultaten van de afspoelexperimenten
Door analyse van het afgespoelde water en de opgevangen neerslag is bepaald hoeveel NOx is opgenomen door de coating. Tabel 3 laat de hoeveelheid materiaal zien die is teruggevonden op de verschillende coatings. Om vergelijking met de emissies eenvoudig te maken is weergegeven met de hoeveelheid stikstof (N)1 die is opgenomen. Uiteraard is ook de emissie in de hoeveelheid stikstof uitgedrukt. Daarbij valt het volgende op: – De meest actieve coating op beton uit het laboratorium onderzoek (fabrikant II coating no. 5) vertoont de hoogste omzetting – De Niet- actieve coating zet vrijwel niets om – De coating van fabrikant I die al actief zou moeten zijn onder invloed van alleen zichtbaar licht zet ook zeer weinig om Net als in de CFD-modelberekeningen is de opname door het scherm weergegeven als fractie van de hoeveelheid NOx die in de meetperiode door het verkeer is geëmitteerd. De van de platen afgespoelde hoeveelheid nitraat is weergegeven. 1
Deze keuze is gemaakt zodat eenvoudig kan worden gerekend tussen de emissie van NO of NO2 en de metingen in de afgespoelde vloeistof waarin de concentratie van nitraat (NO3) is gemeten. Alle gemeten grootheden en emissies zijn omgerend naar de hoeveelheid N.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
55 van 73
Deze is omgerekend naar stikstof. De hoeveelheid stikstof is omgerekend naar een situatie waarbij de panelen één meter breed zouden zijn en drie meter hoog. Deze hoeveelheid stikstof is vergeleken met de per meter snelweg geëmitteerde hoeveelheid stikstof. Daarbij is het volgende van belang: -
-
Tabel 3
Het verkeer emitteert vooral NO. De fractie NO2 is 5 % van de totale hoeveelheid NOx die wordt geëmitteerd. De emissie werd geschat op basis van de best beschikbare gegevens over de verkeersintensiteit, de samenstelling van het verkeer ter plaatse en officiële emissiefactoren (zie Appendix 3) Zoals uit de experimenten is gebleken zet de actieve coating voornamelijk stikstofmonoxide NO om. De door de panelen omgezette hoeveelheid NO wordt daarom vergeleken met de geëmitteerde hoeveelheid NO.
Resultaten van de experimenten langs de A1 bij Terschuur. Weergegeven is de hoeveelheid stikstof die in de afgespoelde neerslag werd aangetroffen. Deze wordt verder gegeven als fractie van de emissie gedurende de periode (zie tekst). Fabrikant II no. 5 (mg N)
Fabrikant II no. 6 (mg N)
Fabrikant I Nietactief (mg N)
Fabrikant I Visible Light (mg N)
Begin datum
aantal dagen
mg N
% van emissie
mg N
% van emissie
mg N
% van emissie
mg N
% van emissie
16-8
8
7.0
0.0087
3.3
0.0041
0.1
0.0002
2.2
0.0028
24-8
7
4.8
0.0068
3.0
0.0044
0.7
0.0010
2.2
0.0032
31-8
8
1.2
0.0014
0.9
0.0011
0.1
0.0001
0.6
0.0007
8-9
7
25.9
0.0359
5.0
0.0069
0.6
0.0008
3.9
0.0054
15-9
14
3.0
0.0021
0.8
0.0006
0.1
0.0001
1.0
0.0007
29-9
10
16.0
0.0168
5.8
0.0061
1.1
0.0012
3.2
0.0034
9-10
11
0.6
0.0006
0.4
0.0003
0.0
0.0000
1.6
0.0015
20-10
6
5.0
0.0089
2.1
0.0036
0.4
0.0008
2.2
0.0039
26-10
8
1.8
0.0023
0.2
0.0003
0.0
0.0000
0.5
0.0007
3-11
10
5.6
0.0065
2.8
0.0033
1.2
0.0014
3.5
0.0041
Uit deze vergelijking blijkt dat de hoeveelheid opgenomen NOx slechts een zeer kleine fractie is van de geëmitteerde hoeveelheid.
5.4
Discussie en conclusies t.a.v. het veldexperiment
5.4.1
Afspoelen
In principe is de gevonden hoeveelheid stikstof in de afgespoelde vloeistof het eindresultaat van het veldexperiment. De conclusie is dat minder dan 0.04 % van de door de snelweg geëmitteerde stikstofoxiden door de plaat wordt afgevangen. Dat is daarmee dus een zeer klein gedeelte van emissie van het wegverkeer die
TNO-rapport
56 van 73
2006-A-R0359/B
door een paneel wordt afgevangen. Afgezien van deze lage waarde zijn de resultaten goed te begrijpen: -
De coating van fabrikant II no.5 was het meest reactief in de laboratoriumexperimenten en vangt ook de meeste stikstofoxiden af.
-
De coating van fabrikant II no. 6 was minder reactief dan no. 5 in het laboratorium en blijkt ook hier een factor 2 tot 4 minder actief. In het laboratorium was coating no. 6 wel een factor 10 minder effectief. Het verschil is dus aanzienlijk kleiner dan in het laboratorium.
-
De coating van fabrikant I ‘Niet- actief’ is inderdaad nauwelijks actief terwijl de coating die gevoelig zou zijn voor zichtbaar licht (Visible light) iets actiever is.
De coatings blijken in elk geval dus niet bijzonder effectief. Dit terwijl op basis van de inzichten opgebouwd door de berekeningen met het CFD model en een grove generalisatie een veel hogere omzetting werd verwacht. Een verklaring voor dit verschil is niet eenvoudig te geven. In de voorgaande hoofdstukken is laten al zien hoe de gebruikte meetmethode (afspoelen) in het laboratorium voldeed om de hoeveelheid opgenomen nitraat te bepalen. Ook is aangetoond dat er na het afspoelen van de panelen geen nitraat achterblijft. De oorzaak lijkt daarmee niet te liggen in meetfouten. Verder zijn de gebruikte gegevens over het berekenen van de emissie relatief betrouwbaar. De verkeerstellingen zijn van goede kwaliteit terwijl gedetailleerde emissiegegevens zijn gebruikt (zie Appendix 3) De enige verklaring kan daarmee bijna zijn dat de effectiviteit van de schermen in het veld lager is dan in het laboratorium. Om dit aspect verder te onderzoeken werden nog aanvullende berekeningen uitgevoerd. Twee onafhankelijke schattingen van de opname werden gemaakt. Eén op basis van de uitgevoerde berekeningen met het CFD model en één op basis van de resultaten van de laboratoriumexperimenten. Daarbij is gebruik gemaakt van ter plaatse gemeten grootheden: windsnelheid, windrichting, lichtintensiteit en de concentratie van stikstofoxiden enz. Deze verwachte opname is vergeleken met de gemeten opname. Beide schattingen worden hierna besproken.
5.4.2
Vergelijking van de meting met de schattingen op basis van het CFD model
In hoofdstuk 3 is de omzetting van de op de snelweg geëmitteerde stof onder optimale omstandigheden beschreven aan de hand van het CFD model. In werkelijkheid zijn de omstandigheden echter lang niet altijd optimaal. Zo varieert de lichtintensiteit op dag- en seizoenschaal. Daarnaast bepaalt bijvoorbeeld de windrichting in welke mate de geëmitteerde stof in contact komt met het scherm. Het CFD
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
57 van 73
model berekent het omzettingspercentage op basis van een waarde voor de omzettingsparameter de oppervlakte weerstand Rc. Voor elk uur in het experiment is een schatting gemaakt van de waarde van Rc. De weerstand die onder optimale omstandigheden in het laboratorium is gemeten wordt de minimale weerstand genoemd. In dit rapport verwijst een Rc waarde altijd naar deze minimale Rc. De werkelijke oppervlakteweerstand kan vanuit deze minimale Rc berekend worden op basis van de werkelijke meteorologische omstandigheden. Ze zijn gebaseerd op: • • • • •
De uit het laboratorium experiment afgeleide relatie tussen de opnameweerstand Rc en de relatieve luchtvochtigheid. De uit het laboratorium experiment afgeleide relatie tussen de opnameweerstand Rc en de UV instraling. De aanname dat alleen wind vanuit richtingen met een component naar het scherm toe kan zorgen voor opname (de A1 bij Terschuur heeft een west-oost oriëntatie, dus betreft het hier wind met een zuidelijke component). De aanname dat er geen opname plaatsvindt ten tijde van neerslag. Meteorologie: uurwaarden van de windrichting, windsnelheid, neerslag, relatieve luchtvochtigheid en UV instraling.
Tijdens de blootstellingsperiode zijn de meteorologische variabelen gemeten langs de snelweg bij Terschuur. Daaruit kan dus per uur een waarde voor de werkelijke Rc bepaald worden. De berekening wordt gemaakt voor coating no. 5 van Fabrikant II. Uitgangspunt is de waarde voor Rc die voor die coating in het laboratorium is bepaald. Met het CFD model wordt vervolgens voor elk uur uit de werkelijke weerstand de omzetting van NO als percentage van de emissie berekend. De emissie wordt geschat op basis van het aantal voertuigen per uur in 2006 en de emissiefactoren per voertuigcategorie. Daaruit kan dan de werkelijke omzetting per uur berekend worden. Tenslotte wordt er in de berekeningen over een bepaalde periode ook rekening gehouden met de verzadiging van NO op het paneel, waardoor na verloop van tijd NO2 afgifte optreedt. Daarvoor is een relatie afgeleid aan de hand van laboratorium experimenten. Voor details over de berekeningen wordt verwezen naar Appendix 3. Figuur 17 laat de dagsommen zien van de berekende en de ter plaatse gemeten omzetting als percentage van de emissie. De blootstelling van de panelen is berekend en gemeten over een periode van een week of langer. Over de afzonderlijke meetperioden is ook het gemiddelde van de geschatte dagsommen bepaald. Dit is direct te vergelijken met het gemiddelde van de gemeten dagsommen. Het volgende valt op:
TNO-rapport
58 van 73
2006-A-R0359/B
-
De berekende opname verschilt enorm per dag. De verschillen in de berekende omzetting tussen de afzonderlijke dagen worden veroorzaakt door de meteorologische omstandigheden in deze periode. Dagen met een lage berekende opname worden gekenmerkt door een lage UV instraling (bewolkt weer), neerslag en/of wind uit noordelijke richting.
-
De berekeningen laten een NO opname zien die fors hoger is (factor 5 tot 10) dan de gemeten opname. De trend over de 5 meetperioden is in de berekeningen en metingen wel gelijk.
-
De berekende omzetting is met waarden tussen de 0 en 0.25 % ook lager dan werd verwacht.
Ondanks dat rekening is gehouden met alle factoren die van invloed zijn op de omzetting is de berekende omzetting nog steeds veel groter dan de gemeten omzetting. De gemeten omzetting is, ook al wordt met alle factoren rekening gehouden, een factor 5 tot 10 lager dan berekend. 0.25
Omzetting als percentage van emissie (%)
schatting met CFD model gemiddelde over meetperiode met CFD model
0.2
schatting met gemeten NO concentratie gemiddelde over meetperiode met gemeten NO concentratie
0.15
meting
0.1
0.05
0 06/08
16/08
26/08
05/09
15/09
25/09
05/10
15/10
25/10
04/11
dag/maand in 2006
Figuur 17
Berekende (blauw) en gemeten (groen) omzetting van NO als percentage van de emissie gesommeerd per dag. De berekeningen beginnen op het moment dat de UV sensor actief werd. In rood is de schatting op basis van gemeten NO concentraties gegeven (zie volgende paragraaf).
14/11
24/11
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
59 van 73
5.5
Vergelijking van de meting met de schatting op basis van de gemeten concentratie
De omzetting van NO kan ook geschat worden door middel van het weerstandmodel (Appendix 1). Dit is een heel andere methode dan hierboven beschreven. Er wordt gebruik gemaakt van de gemeten concentratie van NO dicht bij het scherm. De opname (omzetting) van NO wordt dan berekend op basis van de in het laboratorium gemeten opname. Deze opname is vastgelegd in de gemeten oppervlakteweerstand Rc zodat de invloed van verschillende parameters zoals lichtintensiteit en vochtigheid in rekening kan worden gebracht (zie hiervoor). De omzetting kan berekend worden als de flux naar het scherm toe vermenigvuldigd met de oppervlakte van het paneel. De NO flux is: Flux =
C atm Rb + R c
waarin Catm de gemeten NO concentratie in de lucht dichtbij het scherm is en NO concentratie op het oppervlak. Rc wordt op dezelfde wijze berekend als in de vorige paragraaf. Rb is de weerstand die NO ondervindt tijdens het transport door het laminaire luchtlaagje op het scherm. Deze wordt berekend met een vergelijking gegeven in Appendix 1. Deze schatting gaat dus uit van de gemeten concentratie bij het scherm. Daarmee worden alle onzekerheden die de schatting op basis van de CFD-berekeningen onzeker maken omzeild. De schatting is voor dat stuk van de berekening onafhankelijk van de CFD berekening en daardoor veel betrouwbaarder. Wel wordt gebruik gemaakt van dezelfde berekening om de waarde van de oppervlakteweerstand Rc te berekenen. Figuur 17 laat zien dat deze schatting een goede correlatie heeft met de berekeningen met het CFD model. De omzettingen uit beide methoden hebben bovendien dezelfde orde van grootte en liggen doorgaans binnen 25% van elkaar. De op deze wijze berekende omzetting ook een factor 5 tot 10 hoger is dan de gemeten. Met dit resultaat wordt opnieuw bevestigd dat de gemeten omzetting lager is dan verwacht zou mogen worden op basis van kenmerken van de coating en de meteorologische grootheden. De gemeenschappelijke factor is de oppervlakteweerstand Rc. Dit resultaat kan bijna alleen verklaard worden door een lagere effectiviteit (een hogere oppervlakteweerstand) van de coating tijdens het veldexperiment dan tijdens de laboratoriumexperimenten. Dat de effectiviteit van de coating buiten lager zou zijn, wordt bevestigd door de achteraf met de in Terschuur blootgestelde panelen uitgevoerd experimenten. Blootgestelde vochtige panelen gaven gedurende de opdroogperiode (van enkele dagen) een zeer lage effectiviteit. Deze lage effectiviteit veroorzaakt waarschijnlijk het grote verschil tussen de berekende en de gemeten omzetting/opname. Naast het effect van de vochtigheid zou de lagere tempera-
TNO-rapport
60 van 73
2006-A-R0359/B
tuur tijdens het veldexperiment kunnen zijn. Deze is in de eerste periode ongeveer 15 º C en later, in november ongeveer 10 º C (zie Appendix 3). Het lijkt echter onwaarschijnlijk dat de werking van de coating al bij 15 º C een factor 5 tot 10 achteruitgaat.
5.6
Schatting van het jaargemiddelde effect met het CFD model
Het veldexperiment is uitgevoerd in een periode in het najaar van 2006. Omdat de effectiviteit van de TiO2 in grote mate afhangt van de meteorologische omstandigheden is het interessant om te onderzoeken wat het jaargemiddelde effect bij de A1 bij Terschuur zou kunnen zijn. Om daarvan een schatting te kunnen maken, is met het CFD model een berekening gemaakt op basis van meteorologische gegevens van het KNMI over de periode 1 oktober 2005 tot en met 30 september 2006. Net als bij de berekeningen in de meetperiode geldt de schatting voor coating no. 5 van Fabrikant II. In Figuur 18 is de omzetting tijdens het jaar weergegeven. De jaarlijkse gang in de UV instraling komt duidelijk naar voren. De UV instraling is het hoogst in de zomermaanden en daarmee ook de omzetting. Op onbewolkte zomerdagen kan 0.5% van de emissie omgezet worden. Perioden zonder omzetting worden gekarakteriseerd door een lage UV instraling (bewolkt weer), neerslag en/of wind uit noordelijke richting.
Omzetting als pecentage van emissie (%)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 31/08
30/09
30/10
29/11
29/12
28/01
27/02
29/03
28/04
28/05
27/06
27/07
26/08
dag/maand 2005-2006 Figuur 18
De berekende omzetting van NO als percentage van de emissie gesommeerd per dag over de periode van 1 oktober 2005 tot en met 30 september 2006.
25/09
25/10
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
61 van 73
Omzetting als percentage van emissie (%)
Bovenstaande berekening is gemaakt voor coating no. 5 van Fabrikant II. Een effectievere coating zal meer NO omzetten (en een minder actieve minder!). Om te onderzoeken hoe groot de verschillen zijn, zijn meerdere berekeningen gemaakt. Voor elke berekening is een andere startwaarde voor Rc gebruikt. In Figuur 19 is de omzetting als functie van Rc weergegeven. Daarbij zijn alle berekende uurswaarden van de omzetting in het jaar opgeteld.
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160
R c (s/m) Figuur 19
De berekende omzetting van NO als percentage van de emissie gesommeerd over de periode van 1 oktober 2005 tot en met september 2006, bij verschillende waarden van Rc..
De meteorologische omstandigheden waren in deze periode zodanig dat bij een hoge opname-efficiency (Rc=0.05 s/m) maximaal 1.6 % van de NO emissie gereduceerd wordt. Ter vergelijking, het CFD model berekende onder optimale omstandigheden bij deze waarde van Rc een reductiepercentage van 11%. De combinatie van wind, neerslag, relatieve luchtvochtigheid en UV omstandigheden zorgen dus voor een sterke afname van een factor 5 à 6. De omzetting neemt sterk af met toenemende Rc. Bij de Rc waarde van coating no. 5 van Fabrikant II (100 s/m) is de omzetting nog slechts 0.1 %. De laagste weerstand die in het laboratorium is gevonden lag rond de 15 s/m. Deze coating was echter niet op beton aangebracht maar op folie1. Een weerstand van 15 s/m zou jaargemiddeld een omzetting van rond de 0.4% opleveren. 1
De op folie aangebrachte coating bleek zeer effectief. Dezelfde coating aangebracht op Eflex beton bleek minder effectief. Het is niet duidelijk of deze coating op beton op den duur nog effectiever wordt.
TNO-rapport
62 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
63 van 73
6.
Discussie
Meetstrategie In het laboratorium werd uitgebreid onderzocht hoe goed de verschillende coatings onder invloed van UV licht stikstofoxiden omzetten en van welke grootheden die omzetting afhangt. De coatings zetten alle stikstofmonoxide, er bleek echter een groot verschil in effectiviteit aangetroffen. Sommige geleverde coatings blijken vrijwel niet actief. De gekozen meetmethode in het laboratorium in de reactor bleek zeer gevoelig. Ook de effectiviteit van de minder reaktieve coatings bleek goed meetbaar. Bovendien kan uit de experimenten een parameter worden afgeleid die de omzetting kwantitatief beschrijft. De invloed, die grootheden als lichtintensiteit, turbulentie en vochtigheid op de omzetting hebben, kan via deze parameter worden beschreven. Deze parameter is bovendien onafhankelijk van de omstandigheden in de reactor. De resultaten van in ander onderzoek gebruikte methoden om de activiteit te beschrijven blijven afhankelijk van bijvoorbeeld de turbulentie of de contacttijd tussen de lucht en de coating. Daardoor is de oppervlakteweerstand de geschikte parameter voor gebruik in modellen van de verspreiding van luchtverontreiniging. De oppervlakteweerstand kon gebruikt worden in het CFD model dat speciaal voor deze studie werd ontwikkeld. Het model beschrijft hoe de emissie van het wegverkeer zich verspreidt en in contact kan komen met een actief geluidsscherm opgesteld langs de weg. Uit de berekeningen met het model blijkt dat bij een bijzonder reactief scherm onder ideale omstandigheden (voor wat betreft lichtintensiteit, windrichting etc) tot 11 % van de vanaf de weg geëmitteerde NO omgezet zou kunnen worden. Bij het gebruik van de gegevens van, in het laboratorium onderzochte, coatings is de omzetting onder ideale omstandigheden niet hoger dan 3 % De omzetting zal in de praktijk nog lager zijn als gevolg van niet optimale condities voor wat betreft lichtintensiteit enz. Een aantal coatings uit het laboratorium onderzoek werd gebruikt in het veldonderzoek. Vier gecoate panelen van ongeveer 1 bij 1 meter werden blootgesteld langs de A1 bij Terschuur gedurende bijna 5 maanden in de tweede helft van 2006. Daaronder de meest actieve coating uit het laboratorium onderzoek, een coating met andere, hydrofobe, eigenschappen, een coating gevoelig voor zichtbaar licht en een niet actieve coating. De omzetting van stikstofoxiden door de coating werd bepaald aan de hand van de hoeveelheid nitraat in de, van de panelen afgespoelde, neerslag. Deze werkwijze werd gekozen, omdat verwacht werd dat de daling van de stikstofoxiden concentratie als gevolg van het plaatsen van de panelen niet snel op een meer directe wijze meetbaar zou zijn. De waargenomen omzetting door de panelen bleek erg laag te zijn en lager dan 0.1 % van de geschatte emissie door het wegverkeer in die periode. Teneinde dit resultaat te kunnen verklaren werd een uitgebreide analyse van de resultaten op basis van modelberekeningen en meetgegevens uitgevoerd. Daarbij werd gebruik gemaakt van meetgegevens over de concentratie van NO, UV intensi-
TNO-rapport
64 van 73
teit, enz verzameld op de meetlocatie. Zo kon worden gecorrigeerd voor de werkelijke lichtintensiteit, windrichting enz. gedurende de meetperiode. Op basis van deze berekeningen werd een omzetting van een factor 5 tot 10 hoger dan de waargenomen omzetting geschat. Deze schatting is wel veel lager dan de eerste schatting aan de hand van de CFD berekeningen. Dit is het gevolg van de invloed van factoren zoals windrichting, lichtintensiteit, windsnelheid en vochtigheid. De gevonden waarde is toch nog aanzienlijk hoger dan de gemeten. In de praktijk zijn er dus nog andere factoren die de omzetting remmen. Daarbij lijkt de hoge vochtigheid van de panelen (na een regenbui, of wellicht mist) een belangrijke factor. De meest effectieve coating blijft lang nat na regen waardoor de opname ook lange tijd wordt vertraagd. Op basis van de gegevens uit het veldexperiment, aangevuld met jaargemiddelde meetgegevens werd ook een schatting gemaakt van de jaargemiddelde omzetting van NO langs een snelweg. Deze hangt vooral af van de activiteit van de coating. Bij extreem actieve coatings zou de omzetting tot maximaal 1% van de op de weg geëmitteerde hoeveelheid NOx op kunnen lopen. Bij realistische (maar de meest gunstige uit het laboratorium onderzoek) waarden van de omzettingsefficiency zou de omzetting door het scherm tussen 0.1 en 0.3 % kunnen liggen. Zoals hierboven al vermeld zetten titaanoxide coatings stikstofmonoxide om en niet stikstofdioxide. Het is dus nog de vraag in hoeverre de omzetting van NO leidt tot verlaging van de concentratie van NO2. Op basis van enkele vuistregels is daarvan een schatting gemaakt. De meest actieve coating uit het laboratorium onderzoek zou volgens de berekeningen met het CFD model en deze vuistregel aanleiding kunnen geven tot een verlaging van de NO2 concentratie tussen 0.3 en 0.5 µg/m3 in het gebied tussen 0 en 50 m achter het scherm. Deze CFD berekeningen zijn echter uitgevoerd bij optimale omstandigheden. Berekeningen van jaargemiddelden hebben echter laten zien dat jaargemiddeld de omzetting dan wel met een factor vijf tot zes daalt. Dit hangt samen met het effect van de windrichting (factor 2) de lichtintensiteit (factor 2) het optreden van neerslag en verzadigingseffecten. De jaargemiddelde daling van de NO2 concentratie zou dus volgens deze redenering, bij deze actieve coating, niet meer dan 0.1 µg/m3 zijn1. Bovendien werd in de praktijk in het veldexperiment nog een lagere omzetting waargenomen!! De genoemde waarde lijkt daarmee een bovengrens. Het rendement van titaandioxidehoudende coatings voor deze toepassing lijkt daarmee niet hoog. Aan de andere kant blijkt uit de metingen in het laboratorium dat de potentie van TiO2 houdende coatings, om NO om te zetten, hoog is. Een verbeterde omzetting kan worden bereikt door een groter gedeelte van de geëmitteerde NO in contact met het scherm te brengen en de eigenschappen van de coating zodanig te veranderen dat deze minder lang nat blijft. In een situatie waarin er een langduriger contact tussen coating en geëmitteerde NO kan zijn, zal omzetting 1
Daarbij is nog geen rekening gehouden met het vrijkomen van stikstofdioxide uit de coatings bij langere blootstelling.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
65 van 73
dus groter kunnen zijn. Dit zou kunnen bij een (mogelijk speciaal ontwikkelde) constructie van geluidsschermen. Ook in andere situaties zoals nauwe straten kan er meer contact zijn tussen coating en geëmitteerde stof met als gevolg een grotere omzetting. Daarnaast zal in meer zuidelijke landen, met een lagere vochtigheid en meer zonlicht, de effectiviteit hoger zijn. Nauwkeurigheid De gebruikte meetmethode in de doorstroom reactor bleek zeer gevoelig. De omzetting door alle coatings was goed meetbaar. Spreiding in de resultaten wordt waarschijnlijk veroorzaakt door verschillen in het aanbrengen van de coating en de reproduceerbaarheid van het materiaal waarop de coating is aangebracht. Verder speelt de voorbehandeling van het materiaal waarschijnlijk een rol. Duplo experimenten gaven een verschil van maximaal 30%. Het gebruik van het weerstandmodel om de oppervlakteweerstand te berekenen voegt ook onzekerheid toe. Door al deze onzekerheden zal de onzekerheid in de gemeten oppervlakteweerstand mogelijk wel 50 - 100 % zijn. De verschillen tussen de gemeten coatings is doorgaans echter een factor 10 tot wel 100. Daardoor lijkt de onzekerheid in de duplo experimenten verwaarloosbaar. De onzekerheid in de uitkomsten van de modelberekeningen is niet verwaarloosbaar. Deze uitspraak bij zeer actieve schermen is waarschijnlijk een bovengrens en onzeker en waarschijnlijk tussen 50 en 100 %. De onzekerheid in de uitspraken bij schermen met een lagere activiteit is lager maar ook nog wel groter dan 40%. Door de grote verschillen in effectiviteit van de verschillende coatings speelt deze onzekerheid ook een kleine rol. De metingen in het veldexperiment zijn waarschijnlijk vrij nauwkeurig. Alle nitraatconcentraties in de afgespoelde vloeistof waren goed meetbaar. De onzekerheid ligt hier eerder in de werkwijze. Daarin konden echter niet direct zwakke plekken worden aangetoond. Twee onafhankelijke methoden om de gegevens te beoordelen wezen op een lagere activiteit van de coatings in het veld dan in het laboratorium. Een verklaring voor dit resultaat was waarschijnlijk de invloed van de vochtigheid. De opname van stikstofoxiden door de coating wordt vergeleken met de emissie door het wegverkeer in die periode. Hiervoor werden tellingen en up-to-date emissiefactoren gebruikt. De onzekerheid in deze schattingen is daarmee naar verwachting relatief laag. Tenslotte is er nog de onzekerheid in de schatting van het effect van de coating op de NO2 concentratie achter het scherm. Deze is door het gebruik van vuistregels waarschijnlijk onzeker. De onzekerheid is waarschijnlijk1 wel 100%. Aan de andere kant wordt geschat dat de concentratie van NO2 met maximaal 0.1 µg/m3 zal 1
De hier genoemde fouten zijn geen van alle verwaarloosbaar. De nauwkeurigheid van de einduitspraak wordt gevormd door de sommatie van de fout in onderdelen. Deze zijn waarschijnlijk niet gecorreleerd. Daardoor wordt de fout in de einduitspraak gelijk aan de wortel uit het kwadraat van de som van de onderdelen: 2 2 2 σ 2 = σ lab + σ mod el + σ veld
. Gezien de fouten in de verschillende onderdelen zal de fout in de einduitspraak waarschijnlijk tussen de 100 en 200 % liggen.
TNO-rapport
66 van 73
afnemen. Ook al is de onzekerheid in dit getal meer dan 100 % dan is dit nog een zeer kleine afname. Grenswaarden langs wegen zijn 40 µg/m3 jaargemiddelde. De verlaging is dus hoe dan ook erg klein.
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
67 van 73
7.
Conclusies
Uit het onderzoek werden de volgende conclusies getrokken: -
De gekozen meetmethode in het laboratorium bleek uitstekend geschikt om de verschillende coatings met elkaar te vergelijken. De, uit de laboratorium afgeleide parameter, de oppervlakteweerstand is onafhankelijk van de omstandigheden van de reactorexperimenten en daarmee uitstekend geschikt om de verschillende coatings met elkaar te vergelijken.
-
De modelberekeningen geven aan hoe de omzetting van NO en de daling van de concentratie van NO2 afhangt van de oppervlakteweerstand. De uitkomsten van de modelberekeningen maken het daardoor mogelijk de in het laboratorium gemeten coatings op basis van hun oppervlakte weerstand met elkaar te vergelijken. Op basis van deze vergelijking bleken slechts enkele coatings van fabrikant II zeer actief dan wel actief en één coating van fabrikant III actief. Dergelijke coatings zouden onder optimale condities van de concentratie van NO2 met 0.06 tot 2 µg/m3 kunnen verlagen. In de praktijk zou onder niet optimale condities m.b.t. windrichting, lichtintensiteit enz. de omzetting nog lager kunnen zijn.
-
Gedurende een periode van 5 maanden werden enkele gecoate panelen blootgesteld langs de A1. De meest effectieve coatings uit het laboratorium onderzoek werden daarvoor gebruikt. De hoeveelheid omgezette stikstofoxiden werd vergeleken met de gedurende die periode door het wegverkeer geëmitteerde hoeveelheid stikstofoxiden. Uit de metingen bleek dat slechts maximaal 0.04% van de emissie door de panelen te zijn omgezet. Een uitgebreide analyse van de metingen toonde aan dat deze lage waarde samenhangt met een verminderde activiteit van de coating in het veld vergeleken met het laboratorium. De meest waarschijnlijke verklaring is het effect van vocht. Een natte coating blijkt geen NO om te zetten.
-
Op basis van de meetgegevens verzameld langs de A1 werd een extrapolatie gemaakt van het jaargemiddelde effect van caotings op de NO2 concentratie. Jaargemiddeld zou de meest actieve coating uit het laboratoriumonderzoek de NO2 concentratie met niet meer dan 0.1 µg/m3 verlagen. Deze schatting is nog afgezien van de verminderde werking van de coating die bleek uit het veldonderzoek. Daardoor zou de werking nog weer veel minder zijn.
-
De conclusies zijn afgeleid uit verschillende onderdelen van het project bestaande uit modelberekeningen en metingen. De nauwkeurigheid in de verschillende onderdelen is geschat. De nauwkeurigheid in de einduitspraak wordt opgebouwd uit de nauwkeurigheid van de verschillende onderdelen.
TNO-rapport
68 van 73
2006-A-R0359/B
Deze is daardoor niet verwaarloosbaar klein De afstand tussen het geschatte effect, voor wat betreft de verlaging van de concentratie van NO2 en de grenswaarden is echter zodanig groot dat de onzekerheid daarbij in het niet valt. -
Hoewel de meerkosten van de TiO2 coating beperkt zijn zou het bij de huidige inzichten en de nu gekozen werkwijze nauwelijks de moeite lonen geluidsschermen te bewerken met een dergelijke coating. De daling van de NO2 concentratie is daarvoor waarschijnlijk te laag. Dit hangt samen met de fractie van de op de snelweg geëmitteerde stoffen die werkelijk het gecoate scherm raakt, de verminderde werking van de coating bij de hoge (Nederlandse) vochtigheden, de hoeveelheid UV straling enz.
-
Het rendement van titaandioxidehoudende coatings voor deze toepassing lijkt niet hoog. Aan de andere kant blijkt uit de metingen in het laboratorium dat de potentie van TiO2 houdende coatings, om NO om te zetten, hoog is. Een verbeterde omzetting kan worden bereikt door een groter gedeelte van de geëmitteerde NO in contact met het scherm te brengen en de eigenschappen van de coating zodanig te veranderen dat deze minder lang nat blijft. In een situatie waarin er contact en langduriger contact tussen coating en geëmitteerde NO kan zijn, zal omzetting dus groter kunnen zijn. Dit zou kunnen bij een (mogelijk speciaal ontwikkelde) constructie van geluidsschermen. Ook in andere situaties zoals nauwe straten kan er meer contact zijn tussen coating en geëmitteerde stof met als gevolg een grotere omzetting. Daarnaast zal in meer zuidelijke landen, met een lagere vochtigheid en meer zonlicht, de effectiviteit hoger zijn.
-
Het zou de aanbeveling verdienen de de mogelijkheden van gecoate schermen verder te onderzoeken. Wanneer een grotere gedeelte van de vanaf de weg geëmitteerde stoffen het scherm raakt en de efficiency van het scherm hoog blijft kan de verlaging van de NO2 concentratie na het scherm hoger worden. Welke verlaging daarbij bereikbaar is lastig te voorspellen. Dat hang vooral af van de hoeveelheid stoffen die het scherm bereikt. Bij een gelijkblijvende constructie zou de verlaging toch steeds beperkt blijven. Uit de berekening van het jaargemiddelde effect blijkt dat zelfs een reactief scherm niet meer dan 0.5 % van de geëmitteerde hoeveelheid stoffen zal afvangen. De verlaging van de NO2 concentratie zou daarmee ook maximaal enkele tienden µg/m3 zijn.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
69 van 73
8.
Milieuaspecten
De kosten van het aanbrengen van een TiO2 bevattende coating zijn niet eenvoudig te schatten. Ruwweg zouden de kosten van TiO2 houdende coating 30 % hoger kunnen zijn dan een gewone coating. De kosten van verf bedragen ruwweg weer 15 % van de kosten van het schilderen. De totale kosten van het coaten zouden daarmee dus 5 % hoger kunnen zijn dan het coaten met gewone coating. Hoe deze kosten van het aanbrengen van coating zich verhoudt tot de kosten samenhangend met het plaatsen van het scherm is lastig te becijferen. Ruwweg dezelfde berekening valt te maken voor schermen geleverd door fabrikant III. De milieuaspecten van het met TiO2 gecoate scherm zijn niet onderzocht. Afgezien van de milieuaspecten van het de productie van de coating zijn er enkele opmerkingen te maken. De zuivere stof kan niet op waterwegen of afvoeren worden geloosd. De verf bevat uiteraard slechts een kleine fractie TiO2 en deze zal slechts zeer langzaam ontsnappen uit de coating. In het van het paneel afstromende regenwater bevonden zich na de eerste keer afspoelen enkele anionen zoals sulfaat en chloride. In latere spoeling bleef vrijwel alleen nitraat over. De hoogste concentratie die werd gevonden was ruim 100 mg/liter. Ter vergelijking de norm voor Nederlands grondwater is 50 mg/l. Voor drinkwater wordt een richtwaarde van 30 mg/l voorgeschreven. En een maximaal toelaatbare concentratie van 50 mg/l. De concentratie nitraat in de afgespoelde neerslag zou langs drukkere wegen dan de A1 en meer actieve schermen nog wel factoren hoger kunnen worden. De nitraatbelasting lijkt echter nog steeds niet bijzonder hoog vergeleken met mestgiften van 100 kg stikstof/ha per jaar. Dit is echter slechts een zeer grove redenering en bij besluit tot massale invoering lijkt een meer uitgebreide evaluatie van belang.
TNO-rapport
70 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
71 van 73
9.
Referenties
[1]
Duyzer, J.H. (2006). Conversion of NOx by, TiO2 based, coatings applied on sound barriers along highways. Report on Phase 1, TNO Built Environment and Geosciences, BU Environment Health and Safety, P. O. Box 342, 7300 AH Apeldoorn (22-11-2005).
[2]
Duyzer, J.H. and D. Fowler (1994). Modelling land atmosphere exchange of gaseous oxides of nitrogen in Europe. Tellus, 46B, 353-372.
[3]
Duyzer, J.H., J.H. Weststrate, R. van der Welle (2006). Toetsing van de werking van TiO2 coatings om NOx concentraties langs wegen te verlagen in de praktijk (rapport 2e fase). TNO rapport R2006-A-R0319/B.
[4]
Duyzer, J.H., J.H. Weststrate, H.L.M. Verhagen, H.S.M.A. Diederen (1989). Atmosferische depositie van organische microverontreinigingen op binnenlands oppervlaktewater in Nederland. TNO rapport R 89/484.
[5]
Harbers, J.V. (2004). Meting en filtering van fijn stof, Intern TNO-rapport Apeldoorn R2004/461.
[6]
Jonkers, S. (2006). Handleiding CAR II versie 5.0 maart 2006. Infomil, Den Haag.
[7]
Maggos, Th. D.Kotzias, J.G. Bartzis, P. Leva, A. Bellintani, Ch. Vasilakos (2005a). Investigations of TiO2 –containing construction materials for the decomposition of NOx in Environmental Chambers 5th International Conference on urban Air Quality, Valencia.
[8]
Maggos, Th., A. Plassais, J.G. Bartzis, Ch. Vasilakos, N. Moussiopoulos, L. Bonafous (2005b). Photo- catalytic degradation of NOx in a pilot street canyon configuration using TiO2 mortar panels 5th International Conference on urban Air Quality, Valencia.
TNO-rapport
72 van 73
2006-A-R0359/B
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
73 van 73
10.
Verantwoording
Naam en adres van de opdrachtgever:
Ministerie van Verkeer en Waterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde Delft
Namen en functies van de projectmedewerkers:
J.H. Weststrate – onderzoeker M.H. Voogt – wetenschappelijk medewerker R. van der Welle - wetenschappelijk medewerker
Datum waarop, of tijdsbestek waarin, het onderzoek heeft plaatsgehad:
december 2005 – december 2006
Ondertekening:
Goedgekeurd door:
J.H. Duyzer projectleider
M.P. Keuken coördinator
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
1 van 6
Appendix 1
Appendix 1
Beschrijving van de reactor en weerstandmodel
Doorstroomreactor Een glazen reactor, die in eerder onderzoek is gebruikt, wordt gereed gemaakt worden voor dit onderzoek. Deze reactor bestaat uit een halve glazen bol geplaatst op een glazen plaat. Het volume van de (halve) bol bedraagt zo’n 50 liter. Een bekende concentratie stikstofoxiden wordt in de reactor geleid terwijl proefstukken met gecoat materiaal op de glazen plaat worden geplaatst. De in de reactor aanwezige stikstofoxiden kunnen dan worden omgezet aan het oppervlak van de coating. Het verschil tussen de concentratie van stikstofoxiden in de lucht die de reactor in gaat en de concentratie die er uitstroomt, zal worden bepaald. Dit verschil geeft aan in hoeverre de onderzochte coating effectief is in het omzetten van stikstofoxiden in de reactor. De volgende vergelijking geeft aan hoe het experiment kan worden geïnterpreteerd. Basis is de massabalans over de reactor: wat er in gaat min wat er uit gaat is omgezet in de reactor. In formule: Qin C in − Quit C uit = v d C uit O = flux
waarin Qin en Quit (in m3/s) respectievelijk de grootte van de ingaande en de uitgaande lucht stroom zijn, Cin en Cuit (in g/m3) de concentratie van de stof in de inen uitstromend lucht, en O (m2) de grootte van het oppervlakte van het blootgestelde materiaal. De flux (in g/s) is de hoeveelheid opgenomen (afgebroken) stof De depositiesnelheid vd (in m/s) is de snelheid waarmee een stof deponeert. De depositiesnelheid is een handige parameter om uit de metingen af te leiden. Deze kan gebruikt worden om de depositieflux te berekenen bij een ander concentratie of bij een ander oppervlak. Het verschil in depositiesnelheid tussen verschillende coatings geeft dus aan hoe effectief een bepaalde coating is in vergelijking met een andere. Wanneer een coating een twee maal zo hoge depositiesnelheid heeft als een andere dan betekent dit dat deze coating moleculen die aan het oppervlak komen twee maal zo snel omzet als de andere. De omzetting door de coating hangt samen met de kwaliteit van de coating maar ook van de snelheid waarmee stoffen door de lucht naar de coating worden aangevoerd. Om onderzoek naar dit proces mogelijk te maken kan de lucht in de reactor met variabele intensiteit (de turbulentie) worden geroerd. Het verschil met in de literatuur beschreven experimenten is dat deze turbulentie kan worden vastgesteld aan de hand van eenvoudige experimenten. Dit heeft het voordeel dat het resultaat van de experimenten eenvoudig naar de werkelijkheid kan worden vertaald. Uit de metingen kan namelijk een parameter worden afgeleid die kan worden gebruikt in modellen voor de buitenlucht (zie hieronder)
TNO-rapport
2 van 6
2006-A-R0359/B Appendix 1
Uv lamp
Roerder
Qin Cin
Flux =vd.Cuit.opp
Qin Cuit Plaat met coating Figuur 20
Schematische weergave van de gebruikte opstelling. De blootgestelde platen zijn ongeveer 30 bij 30 cm.
Weerstand model Meestal wordt het beeld van de depositiesnelheid nog verder uitgewerkt in een analogie met de wet van Ohm het weerstand model. De drijvende kracht van de flux (of de elektrische stroom) is dan het verschil in concentratie tussen de lucht en die in de coating. Vergelijk de drijvende kracht bij de wet van Ohm: het potentiaalverschil met de aarde leidt tot stroom door de weerstanden. De moleculen die aan het oppervlak worden omgezet, worden geacht door een aantal luchtlagen heen te gaan die elke een bepaalde weerstand hebben. De weerstand van de eerste laag de turbulente luchtlaag is gelijk aan Ra , de weerstand van de stilstaande laag lucht juist boven de coating is Rb en de weerstand van het oppervlak is Rc. Moleculen moeten dus alle drie lagen door voor ze worden kunnen worden omgezet. Wanneer er veel turbulentie is zijn Ra en Rb klein, In de buitenlucht betekent dit veel wind, ruw oppervlak zoals bossen. vegetatie en in de glazen reactor betekent dit hard roeren. Voor de weerstand van de turbulente luchtlaag geldt in de buitenlucht: Ra =
U u *2
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
3 van 6
Appendix 1
Waarin U de windsnelheid is en u* de zogenaamde wrijvingssnelheid (zie (Duyzer en Fowler, 1994) voor meer informatie over het weerstandsmodel in de buitenlucht). Voor de weerstand van de pseudo laminare luchtlaag geldt de volgende formule:
2 Sc Rb = κu* Pr
0.67
Bij de interpretatie van het veldexperiment in Terschuur is gekozen voor een ruwe benadering: u* ≈ 0.1 ⋅ U , κ = 0.41, Sc = 0.888 voor NO en Pr = 0.71. Het voordeel van dit weerstandmodel is dat gecorrigeerd kan worden voor de hoeveelheid wind door Ra en Rb aan te passen. Ook in de reactor kunnen Ra en Rb worden bepaald. Daardoor kan uit de experimenten in de reactor ook de grootheid Rc worden afgeleid. Deze grootheid kan dan weer in modellen voor de buitenlucht worden gebruikt. Op deze wijze kan dus in het laboratorium een grootheid worden bepaald die gebruikt kan worden in modellen die gebruikt worden om de werkelijke situatie in de buitenlucht te beschrijven. Met de volgende vergelijking wordt het weerstand model beschreven: vd =
1 1 = Ra + Rb + Rc Rtot
De flux is dan gelijk aan: Flux = vd .(clucht − cinwendig ) =
1 (clucht − cinwendig ) Rtot
waarbij Clucht de concentratie in de lucht boven het plaatje is en Cinwendig de concentratie in het blootgestelde materiaal. Van deze wordt aangenomen dat deze gelijk aan nul is. Bij het verdampen van water is de concentratie (Cinwendig) ongelijk aan nul en gelijk aan de verzadigde dampspanning van water bij de heersende temperatuur.
TNO-rapport
4 van 6
2006-A-R0359/B Appendix 1
air CClucht
Ra
Flux
Rb
Rc
C inwendig Figuur 21
Het weerstandslagen model beschreven in de tekst.
Een ander voordeel is dat meting van de effectiviteit van de coating kan plaatsvinden door metingen van het verschil in de concentratie tussen de in en de uitgang van de reactor. Met deze opstelling kan ook eenvoudig invloed van parameters zoals de invloed van de uv lichtintensiteit, de NOx concentratie, de turbulentie enz. op de omzettingssnelheid worden bepaald. Bepaling van de turbulente weerstand in de reactor De weerstand tegen het transport door de lucht (Ra+Rb) in de reactor kan dan worden bepaald door de snelheid van het verdampen van water te bepalen. Zoals hiervoor werd vermeld wordt de totale weerstand tegen opname (Rtot) in de reactor rechtstreeks uit de metingen afgeleid en wel als: Rtot =
Clucht
flux
.
Uit deze waarde kan de oppervlakte weerstand worden afgeleid: Rc = Rtot − Rb
(waarbij Rb gemakshalve wordt samengenomen met Ra) Om de waarde van Rb te berekenen werden relaties beschreven in de literatuur gebruikt (zie bijvoorbeeld Duyzer et al. (1989). De weerstand van de pseudo laminai-
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
5 van 6
Appendix 1
re laag luchtlaag (Rb) op de plaat kan berekend worden uit de relatie δg/Dg waarin δg de dikte van de laminaire laag is en Dg de diffusie coëfficiënt. De dikte van de laminaire laag volgt uit: δg =
2d Sc 0.3 f Re
waarin d de afstand tussen de roerder en de plaat is, Sc het Schmidt getal (de verhouding tussen de kinematische viscositeit en de diffusiecoëfficiënt), Re het Reynolds getal en f de frictiefactor. Figuur 22 geeft het verloop van de totale weerstand tegen verdamping van water. Aangenomen wordt dat deze weerstand gelijk is aan de weerstand van de laminaire laag (Rb) tegen verdamping van water. Met behulp van bovenstaande vergelijking kan vervolgens gecorrigeerd worden het verschil tussen de diffusiecoëfficiënt van NO moleculen en watermoleculen. Voor elk toerental van de roerder kan nu de weerstand van de laminaire laag tegen transport van NO worden berekend. Daaruit blijkt dat: Rb, NO = Rb, H 2O / 0.69
Het verloop van Rb wordt weergegeven in Figuur 22. Duidelijk is dat bij een toerental van ongeveer 300 RPM er nog nauwelijks een weerstand tegen transport door de laminaire laag is. Fabrikant III leverde platen van bijna 10 cm dik. De verwachting was dat deze de turbulentie zouden beïnvloeden. Dat bleek mee te vallen. Ook het opstellen van bekerglazen (bedoeld om de turbulentie te verhogen) bleek weinig effect te hebben.
TNO-rapport
6 van 6
2006-A-R0359/B Appendix 1
300 H2O vlak+bekerglazen H2O vlakke plaat
250
H2O Fabrikant III NO geschat
Rb (s/m)
200
NO2 geschat
150
100
50
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
-50 N (rpm)
Figuur 22
Het verloop van de waarde van de weerstand van de (pseudo laminaire) luchtlaag als functie van het toerental van de roerder in de reactor. Afgeleid uit metingen van de verdamping van water en daaruit berekend met behulp van de vergelijkingen in de tekst.
Koppeling met het CFD model. In het CFD model is een dunne laag gemodelleerd juist op het scherm. Elk molecuul NO dat daarin terecht komt wordt met een bepaalde snelheidsconstante k omgezet volgens ∂c = −kc ∂t
waarin c de concentrtie van NO is. Deze snelheidsconstante is direct gerelateerd met de oppervlakteweerstand via
k=
1 dRc
waarin d de dikte van het laagje is waarin opname plaatsvindt is (1 mm).
450
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
1 van 4
Appendix 2
Appendix 2
Resultaten van de individuele experimenten
In deze Appendix zijn alle experimenten uitgevoerd in het laboratorium zoals beschreven in de hoofdtekst. De resultaten zijn geanonimiseerd. De omschrijving van sommige ‘niet standaard’ experimenten is mogelijk niet altijd duidelijk. De resultaten van dat experiment zijn slechts voor de volledigheid toegevoegd. Voor alle metingen zijn waarden van de oppervlakteweerstand Rc berekend. De nauwkeurigheid van de berekening is bij de lagere snelheden van de roerder niet hoog. Daardoor zijn in enkele gevallen negatieve waarden van deze parameter berekend. Deze hebben geen fysische betekenis en zijn daarom vervangen door een waarde van nul. In sommige gevallen is ook de depositiesnelheid vd negatief. De oppervlakteweerstand heeft dan geen enkele fysische betekenis en is dan ook niet berekend. In de tabel staan de lichtintensiteit (UV), de snelheid van de roerder, de depositiesnelheid (vd) en de oppervlakteweerstand (Rc)
Omschrijving Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 002 VL Fabrikant I 002 VL Fabrikant I 003 NA Fabrikant I 002 VL gespoeld Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld Buiten Fabrikant I 002VL Buiten geweest Fabrikant I 002VL Buiten geweest Fabrikant I 004 High Cat
Omschrijving Fabrikant II KWRTNO.01 1uurgem. Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 bekerglazen Fabrikant II 04 Fabrikant II 04 Fabrikant II 04
Omschrijving Fabrikant III 2 op z'n kop Fabrikant III 2 RH 60% goed Fabrikant III 3 Fabrikant III 4 Fabrikant III 4 +gordijn Fabrikant III 5 Fabrikant III 6 Fabrikant III 2 Goede kant boven Fabrikant III 1 Fabrikant III 7 Fabrikant III 8 Fabrikant III 9
Omschrijving Fabrikant IV
UV (W/m2) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 0,06 0,04 0,00 120 -0,02 -0,03 -0,05 120 -0,02 -0,02 -0,03 120 -0,02 -0,03 -0,06 120 -0,02 -0,03 -0,07 120 -0,02 -0,03 -0,06 120 0,00 -0,03 -0,10 120 -0,01 -0,02 -0,05 120 -0,02 -0,04 -0,09 120 -0,01 -0,04 -0,10 120 -0,02 -0,02 -0,01
Rc (s/m)
Rc (s/m)
NO 17505 -
NO2 723106 -
Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 0,89 0,50 -0,49 120 -0,04 0,10 0,58 120 -0,04 -0,07 -0,17 180 -3,17 0,61 0,97 195 0,24 0,25 0,33 195 0,20 0,21 0,25 195 0,18 0,18 0,18
Rc (s/m)
Rc (s/m)
UV 0 0 0 0 0 0 0
NO 959 4160 4930 5331
NO2 1511 912 2931 3939 5569
Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 1,069 1,204 1,921 120 0,92 1,15 2,36 120 0,86 1,02 1,75 120 0,60 0,75 1,47 120 0,85 0,97 1,40 120 0,46 0,60 1,18 120 0,10 0,22 0,89 120 1,06 1,43 3,73 120 1,51 2,00 4,54 180 1,51 1,85 7,18 180 0,68 0,94 9,54 180 0,73 1,01 11,70
Rc (s/m)
Rc (s/m)
UV 0 0 0 0 donker 0 0 0 0 0 0 0
NO 769 924 1000 1498 1005 1998 9471 777 494 568 1377 1285
NO2 302 206 354 462 494 626 899 49 2 17 -18 -37
Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 0,00 -0,03 -0,08
Rc (s/m)
Rc (s/m)
UV 0
NO -
NO2 -
TNO-rapport
2 van 4
2006-A-R0359/B Appendix 2
Exp. Nummer 7 NO 48 NO 50 NO 56 NO 58 NO 65 NO 73 NO 90 NO 102 NO 104 NO 118 NO
3 4 106 108 136 137 151 153 155 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239
NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO
Omschrijving Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 001 UV Fabrikant I 002 VL Fabrikant I 002 VL Fabrikant I 003 NA Fabrikant I 002 VL gespoeld Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld Buiten Fabrikant I 002VL Buiten geweest Fabrikant I 002VL Buiten geweest Fabrikant I 004 High Cat
UV Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (W/m2) (RPM) NO NOx NO2 13,75 120 0,26 0,06 -0,35 13,75 120 0,22 0,17 0,05 13,75 120 0,18 0,13 0,01 13,75 120 0,63 0,09 -0,46 13,75 120 0,30 0,07 -0,29 13,75 120 -0,07 -0,07 -0,05 13,75 120 0,10 0,05 -0,07 13,75 120 0,16 0,10 -0,02 13,75 120 0,06 0,03 -0,03 13,75 120 0,05 0,03 0,00 13,75 120 0,14 0,02 -0,22
Omschrijving Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 bekerglazen Fabrikant II 003 bekerglazen 2*UV Fabrikant II 04 Fabrikant II 04 Fabrikant II 04 Fabrikant II 04 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 05 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 06 Fabrikant II 04 2 uur gespoeld Fabrikant II 04 Fabrikant II 04 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 07 (folie) Fabrikant II 05 Terschuur Fabrikant II 05 Terschuur Fabrikant II 05 Terschuur Fabrikant II 05 Terschuur
UV Roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (W/m2) (RPM) NO NOx NO2 13,75 120 9,55 5,55 0,90 13,75 120 8,70 4,38 0,01 13,75 120 4,03 1,68 -0,58 13,75 120 2,85 0,94 -0,97 13,75 180 2,69 1,20 -1,06 13,75 180 6,44 2,00 -1,52 13,75 195 -0,05 0,05 0,70 13,75 195 -0,05 0,04 0,57 13,75 195 -0,05 0,03 0,47 13,75 195 -0,06 0,02 0,46 13,75 195 5,69 3,65 0,88 13,75 195 6,31 3,08 0,22 13,75 195 6,21 2,71 0,02 13,75 195 5,97 2,41 -0,12 13,75 195 5,77 2,24 -0,20 13,75 195 5,57 2,10 -0,26 13,75 195 5,12 1,94 -0,27 13,75 195 0,66 0,52 0,10 13,75 195 0,48 0,39 0,12 13,75 195 0,41 0,34 0,09 13,75 195 0,35 0,29 0,09 13,75 195 0,32 0,27 0,11 13,75 195 0,29 0,25 0,09 13,75 195 0,26 0,23 0,10 13,75 195 0,35 0,46 1,06 13,75 195 0,26 0,40 1,41 13,75 195 0,21 0,32 0,98 13,75 172,5 2,65 0,93 -0,53 13,75 172,5 5,59 1,43 -0,53 13,75 202,5 6,95 1,56 -0,55 13,75 210 8,63 1,69 -0,55 13,75 210 10,28 1,76 -0,57 13,75 240 10,78 1,80 -0,56 13,75 292,5 12,19 1,84 -0,58 13,75 292,5 12,29 1,89 -0,56 13,75 367,5 14,39 1,96 -0,55 13,75 367,5 14,74 2,02 -0,53 13,75 367,5 15,22 2,04 -0,55 13,75 367,5 15,45 2,05 -0,54 13,75 367,5 15,51 2,12 -0,53 13,75 420 18,04 2,23 -0,51 25,19 420 29,95 2,68 -0,48 37,2 420 67,61 3,57 -0,30 37,2 420 65,82 4,11 -0,18 37,2 420 65,26 4,43 -0,12 13,75 280 9,45 4,11 0,44 13,75 280 9,74 3,36 0,05 13,75 280 9,28 2,64 -0,27 13,75 280 9,07 2,20 -0,41 13,75 280 8,95 1,94 -0,51 13,75 280 8,34 1,50 -0,65 13,75 228 2,18 0,83 -0,51 13,75 228 4,77 1,01 -0,71 13,75 228 4,62 0,70 -0,84 13,75 228 3,88 0,58 -0,84
Rc (s/m)
Rc (s/m)
NO 3610 4373 5418 1433 3184 9564 6225 15650 18223 6843
NO2 18465 100775 -
Rc (s/m) NO -62 -52 81 184 278 62 97 80 83 89 95 101 117 1436 2025 2359 2757 3091 3317 3726 2778 3825 4602 276 77 73 52 33 54 76 75 69 68 66 65 64 55 33 15 15 15 93 90 95 97 99 107 410 161 168 209
Rc (s/m) NO2 888 89039 1328 1639 2015 2056 1037 4364 53147 10053 8495 11053 10521 9276 10699 9987 845 609 922 2260 19587 -
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
3 van 4
Appendix 2
15 52 54 60 62 67 69 71 84 86 88 96 98 100 116
13 25 110 112 114 129 130 132 134
16 21 31 40 47 77 79 94 125 138 146 150
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 -1,37 0,07 0,25 120 -1,38 0,14 0,36 120 -1,38 0,12 0,33 120 -1,37 0,01 0,18 120 -1,38 0,00 0,17 120 -0,69 -0,11 -0,05 120 -1,38 0,13 0,33 120 -1,38 0,12 0,33 120 -1,38 0,18 0,42 120 -1,38 0,15 0,38 120 -1,38 0,12 0,34 120 -1,385 0,105 0,338 120 -1,385 0,077 0,304 120 -1,38 0,04 0,25 120 -1,39 0,06 0,24
Rc (s/m)
Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
UV Omschrijving (W/m2) Fabrikant I 001 UV Niet buiten 13,75 Fabrikant I 001 UV 13,75 Fabrikant I 001 UV 13,75 Fabrikant I 002 VL 13,75 Fabrikant I 002 VL 13,75 Fabrikant I 003 NA 13,75 Fabrikant I 002 VL gespoeld 13,75 Fabrikant I 002 VL gespoeld 13,75 Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld Bu 13,75 Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld Bu 13,75 Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld Bu 13,75 Fabrikant I 002VL Buiten geweest 13,75 Fabrikant I 002VL Buiten geweest 13,75 Fabrikant I 002VL Buiten geweest 13,75 Fabrikant I 004 High Cat 13,75
NO -
NO2 3729 2584 2814 5219 5582 2789 2828 2174 2426 2754 2743 3075 3760 3903
Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
UV 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 -0,22 -0,18 -0,01 120 -3,35 1,95 2,42 120 -3,44 0,60 1,08 120 -3,40 0,67 1,15 120 -3,46 0,44 0,97 180 -3,18 3,68 4,71 180 -3,11 1,68 2,29 180 -3,30 1,15 1,74 180 -3,27 0,90 1,45
Rc (s/m)
Omschrijving Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 bekerglazen 2*UV Fabrikant II 003 bekerglazen 1*UV Fabrikant II 003 bekerglazen Fabrikant II 003 bekerglazen
NO -
NO2 195 704 650 812 90 314 451 569
Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
UV 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75 13,75
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 -0,61 2,41 2,69 120 -0,60 2,43 2,72 120 0,48 3,41 3,46 120 -0,57 2,20 2,39 120 -0,59 2,05 2,25 120 -0,60 2,04 2,26 120 -0,60 2,07 2,30 120 -0,74 9,01 9,44 120 -0,39 4,97 5,24 180 -0,546 5,977 9,354 180 -0,355 6,560 7,757 180 -0,06 7,49 8,27
Rc (s/m)
Omschrijving Fabrikant III 1 (nat) Fabrikant III 2 op z'n kop Fabrikant III 2 RH 60% goed Fabrikant III 4 Fabrikant III 5 Fabrikant III 6 Let op RH toename Fabrikant III 6 Let op RH toename Fabrikant III 2 Goede kant boven Fabrikant III 3 Fabrikant III 7 Fabrikant III 8 Fabrikant III 9
NO 1923 -
NO2 153 150 71 201 225 225 216 -112 -27 -16 6 -2 Rc (s/m)
UV 13,75
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 -1,39 -0,02 0,16
Rc (s/m)
Omschrijving Fabrikant IV
NO -
Nox 5907
122 NO2
TNO-rapport
4 van 4
2006-A-R0359/B Appendix 2
14 53 55 61 63 66 68 70 83 85 87 95 97 99 115
12 24 109 111 113 127 128 131 133
17 20 30 35 38 46 76 78 93 126 139 145 149
Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 -0,12 -0,02 -0,01 120 -0,22 -0,04 -0,03 120 -0,09 -0,04 -0,03 120 -0,85 -0,06 -0,05 120 -0,64 -0,07 -0,06 120 0,06 -0,04 -0,04 120 -0,64 -0,07 -0,06 120 -0,58 -0,06 -0,05 120 -0,31 -0,04 -0,03 120 -0,26 -0,03 -0,02 120 0,02 -0,04 -0,03 120 -0,334 -0,027 -0,018 120 -0,047 -0,050 -0,042 120 -0,01 -0,05 -0,04 120 -0,90 -0,02 -0,01
Rc (s/m)
Omschrijving UV Fabrikant I 001 UV Niet buiten nee Fabrikant I 001 UV nee Fabrikant I 001 UV nee Fabrikant I 002 VL nee Fabrikant I 002 VL nee Fabrikant I 003 NA nee Fabrikant I 002 VL gespoeld nee Fabrikant I 002 VL gespoeld nee Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld BuiNee Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld BuiNee Fabrikant I 001 UV Extra gespoeld BuiNee Fabrikant I 002VL Buiten geweest nee Fabrikant I 002VL Buiten geweest nee Fabrikant I 002VL Buiten geweest nee Fabrikant I 004 High Cat nee
NO 17007 54964 -
NO2 Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
UV nee nee nee nee nee nee nee nee nee
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 0,04 0,01 0,03 120 -1,29 -0,06 -0,03 120 -2,36 -0,03 0,01 120 -1,36 -0,06 -0,03 120 -0,82 -0,15 -0,12 120 -1,49 0,90 0,95 180 -1,04 0,58 0,62 180 -0,84 0,09 0,12 180 -0,64 0,05 0,08
Rc (s/m)
Omschrijving Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II KWRTNO.01 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Fabrikant II 003 Extra bekerglazen Fabrikant II 003 Extra bekerglazen Fabrikant II 003 bekerglazen Fabrikant II 003 bekerglazen
NO 25713 -
NO2 32727 111010 839 1491 8353 13152
Rc (s/m)
NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2
UV nee nee nee nee nee nee nee nee nee nee nee nee nee
roerder vd (mm/s) vd (mm/s) vd (mm/s) (RPM) NO NOx NO2 120 0,07 2,56 2,59 120 -0,25 2,58 2,63 120 0,03 3,42 3,47 120 -0,08 2,68 2,71 120 0,23 2,07 2,09 120 -0,49 2,05 2,15 120 -0,32 1,99 2,04 120 0,08 1,44 1,45 120 -0,87 7,98 8,39 120 0,02 3,54 3,60 180 -0,401 4,704 5,944 180 0,019 6,251 6,712 180 0,48 7,44 7,82
Rc (s/m)
Omschrijving Fabrikant III 1 Fabrikant III 2 op z'n kop Fabrikant III 2 RH 60% goed Fabrikant III 3 Fabrikant III 4 Fabrikant III 5 Fabrikant III 6 Fabrikant III 6 Let op RH afname Fabrikant III 2 Goede kant boven Fabrikant III 3 Fabrikant III 7 Fabrikant III 8 Fabrikant III 9
NO 14739 29229 4218 12461 40228 52023 1988
NO2 167 162 70 151 260 247 273 470 -99 60 45 26 5
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
1 van 5
Appendix 3
Appendix 3
Beschrijving berekeningen ten behoeve van interpretatie van de metingen bij de A1 Terschuur
Ten behoeve van de interpretatie van de resultaten van de metingen in Terschuur is een zo goed mogelijke inschatting gemaakt van het effect van de verschillende parameters op de omzetting. De schatting van de omzetting wordt daarom gemaakt op basis van alle meetgegevens. Hierna worden eerst de meetgegevens besproken en vervolgens de schatting van de omzetting toegelicht. De meetgegevens Gedurende de meetperiode langs de A1 ter hoogte van Terschuur zijn metingen verricht aan de wind (snelheid en richting), luchtvochtigheid, neerslag en aan de UV instraling. Voor de berekeningen is gewerkt met uurgemiddelde waarden. De UV sensor was vanaf 30 september 2006 actief. De windsnelheid werd gemeten op 5 meter hoogte. Met een windsnelheidsprofiel is deze omgerekend naar 10 meter, de hoogte die in het CFD model als standaard hoogte voor de wind gebruikt wordt. Voor de locatie bij Terschuur is een ruwheidlengte van 1 meter aangenomen. Deze hoge waarde representeert de hoge turbulentie intensiteit op de snelweg. Figuur 23 geeft de gemeten waarden van de verschillende grootheden weer. Duidelijk is het verloop over de dag en de meetperiode te zien.
TNO-rapport
2 van 5
2006-A-R0359/B Appendix 3
400
NO conc Terschuur 1000 900
300
800 250 700 200
600 ug/m3
Windrichting (graden)
350
150
500 400
100
300 50
200 100
0 03-10
13-10
23-10
02-11
12-11
0
dag/maand
03-10
13-10
14
02-11
12-11
NO2 conc Terschuur 160
12
140
10
120 8 100 6
ug/m3
4
60
2
40 20
0 03-10
80
13-10
23-10
02-11
12-11
0
dag/maand
03-10
13-10
16
23-10
02-11
Tem peratuur
12-11
RH 100
80
14
95
70
90
2
UV instraling (W/m )
12 60
Temperatuur (C)
10 8 6 4
85 50
80 75
40
70
30
65 20 60
2
10
0 03-10
13-10
23-10
02-11
dag/maand
Figuur 23
55
0 12-11
03-10
50 13-10
23-10
02-11
dag/maand
De waarden van de verschillende grootheden tijdens het praktijkexperiment in Terschuur. Het betreft de windrichting, de concentratie van NO en NO2, de windsnelheid, de UV-lichtintensiteit en de temperatuur
Berekening van de omzetting De omzetting van NO aan het scherm wordt per uur berekend op basis van de gemeten meteorologische parameters langs de snelweg. Daartoe wordt eerst de omzettingparameter (de oppervlakteweerstand) onder die bepaalde omstandigheden die voor een bepaald uur golden, dan wordt de omzetting voor dat uur geschat uit de resultaten van de berekeningen met het CFD model, vervolgens worden de berekende omzettingen gesommeerd voor de meetperiode. De schatting wordt in detail als volgt berekend:
12-11
Relatieve luchtvochtigheid (%)
Windsnelheid (m/s)
23-10
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
3 van 5
Appendix 3
1) Berekening Rc De belangrijkste parameter voor de opname is de waarde van de oppervlakteweerstand Rc . Eerst wordt de werkelijke Rc tijdens een bepaalde situatie (lichtintensiteit, windsnelheid, vochtsituatie) uit de minimale Rc berekend. Deze minimale waarde is diegene die bij hoge lichtintensiteit in het laboratorium is vastgesteld. Op deze waarde worden, om de omzetting onder de geldende omstandigheden te berekenen, correcties toegepast: - De invloed van de relatieve luchtvochtigheid op de opnameweerstand is bepaald tijdens een laboratorium experiment. De weerstand blijkt groter bij hogere luchtvochtigheid. De relatie die op basis van de experimenten is gevonden is in het omzettingsmodel verwerkt. (§4.2.4) - De invloed van UV instraling op de opnameweerstand is in een laboratorium experiment onderzocht (§4.2.3). Op basis van dit experiment is een logaritmische relatie afgeleid. Op basis van deze gegevens wordt nu de, voor dat bepaalde uur de optredende Rc -waarde geschat. 2) Berekening van de omzetting Vervolgens wordt vanuit de voor dat uur geschatte waarde van Rc de omzetting als percentage van de emissie berekend met het CFD model. Deze is echter afhankelijk van de windsnelheid. Er zijn relaties afgeleid tussen de omzettingsparameter (Rc) en de omzetting bij windsnelheden van 1, 2, 5 en 10 m/s. Voor lage waarden van k is dat een 2e orde polynoom. Voor lage waarden van Rc geldt een logaritmische relatie. De grens ligt voor een windsnelheid van 1 m/s bij Rc =10 s/m, bij de overige windsnelheden bij Rc =5 s/m. Voor de actuele windsnelheid wordt lineair geïnterpoleerd tussen de omzetting behorend bij de naastgelegen windsnelheden. Als de actuele windsnelheid buiten het bereik van het model ligt wordt gerekend met de ondergrens van 1 m/s dan wel de bovengrens van 10 m/s. Er wordt aangenomen dat er geen opname van NO plaatsvindt ten tijde van neerslag. Op die momenten is het oppervlak van het paneel nat en wordt het afgespoeld. Verder bepaalt de windrichting of de op de snelweg geëmitteerde NO naar het scherm toe wordt getransporteerd. Dit is een complex proces dat in dit rekenschema versimpeld wordt door aan te nemen dat alleen wind vanuit richtingen met een component naar het scherm toe zorgt voor transport naar het scherm. Er wordt geen onderscheid gemaakt naar de hoek waaronder de wind het scherm treft, omdat uit de CFD berekeningen blijkt dat de hoek weinig invloed heeft op de opname (§3.2). 3) Berekening emissie De emissie van NO op de snelweg wordt bepaald aan de hand van gangbare emissiefactoren (uitgedrukt in emissie per voertuig). Daarbij worden drie categorieën voertuigen onderscheiden: zwaar vrachtverkeer, middelzwaar vrachtverkeer en
TNO-rapport
4 van 5
2006-A-R0359/B Appendix 3
personenvoertuigen. De verkeersintensiteit is gebaseerd op prognoses van Rijkswaterstaat Oost-Nederland. De prognoses voor 2006 geven het aantal voertuigen per uur uitgesplitst naar maand en dag in de week voor het betreffende telvak op de A1. Voor de maand oktober zijn ook tellingen beschikbaar gesteld. Deze bleken binnen 10% van de prognoses te liggen, waaruit geconcludeerd mag worden dat de prognoses een goede basis vormen voor de schatting van de emissie. Er wordt aangenomen dat van het totale aantal voertuigen 19% vrachtverkeer is en dat van het vrachtverkeer 41% middelzwaar is. Dit zijn specifieke schattingen voor het desbetreffende stuk van de A1 van Barneveld tot Hoevelaken (Den Boeft en Verhagen, 2005). Figuur 24 geeft de geschatte emissie van NO tijdens de hele periode. Het dagverloop is duidelijk herkenbaar.
Emissie 10000 9000 8000
mg NO/m/uur
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 20-09
Figuur 24
30-09
10-10
20-10
30-10
09-11
19-11
29-11
De geschatte emissie van NO tijdens de meetcampagne in Terschuur.
Vanuit de omzetting als percentage van de emissie en de geschatte emissie volgt dan de werkelijke omzetting. Uit de laboratorium experimenten is gebleken dat na verloop van tijd NO2 vrijkomt van het paneel. De afgifte van NO2 is afhankelijk van het totaal gebonden NOx op het paneel (m.a.w. van de ruimte op het paneel die nog beschikbaar is voor opname van NO). Ook blijkt dat dit proces afhankelijk van de luchtvochtigheid is. Naarmate de lucht vochtiger is zal de afgifte van NO2 ook groter zijn. Om dit proces In de berekeningen te beschrijven is in het laboratorium een experiment gedaan bij een relatieve luchtvochtigheid van 85%. Deze waarde is representatief voor de buitenlucht ten tijde en plaatse van het veldexperiment.
TNO-rapport
2006-A-R0359/B
5 van 5
Appendix 3
Omzetting op jaarbasis Om een schatting te maken van de omzetting als percentage van de emissie op jaarbasis is gebruik gemaakt van meteorologische data van het KNMI voor de locatie De Bilt. Voor de wind, relatieve luchtvochtigheid en neerslag zijn slechts daggemiddelden beschikbaar. Ieder uur van een dag krijgt dus dezelfde waarde. Bij neerslag is dat niet gewenst, want dat betekent dat er de hele dag geen opname van NO plaatsvindt als er neerslag is. Daarom wordt aangenomen dat de dag droog is verlopen bij neerslaghoeveelheden kleiner dan 1 mm/dag. De meethoogte van de wind is in De Bilt 20 meter. Met een windsnelheidsprofiel is deze omgerekend naar 10 meter, de hoogte die in het CFD model als standaard hoogte voor de wind gebruikt wordt. Voor De Bilt is een ruwheidlengte van 0.05 meter aangenomen. De beschikbare UV metingen van het KNMI zijn uitgevoerd met een sensor met een ander golflengtespectrum dan de UV sensor die gebruikt is tijdens de meetcampagne. De KNMI gegevens worden daarom gecorrigeerd naar het bereik van de UV sensor die tijdens de meetcampagne is gebruikt. De UV data waren beschikbaar tot en met half oktober 2006. Daarom is gekozen voor de periode oktober 2005 tot en met september 2006 om een schatting van de omzetting op jaarbasis te maken. Orientatie van de weg t.o.v. de windrichting Hoeveel stof er in contact komt met een scherm hangt af van de windrichting en de ligging van de weg. De A1 is bij Terschuur west-oost georiënteerd. Om te onderzoeken of de oriëntatie van de weg nog een rol speelt is ook een berekening gemaakt voor een snelweg met een noord-zuid oriëntatie. Onder de meteorologische omstandigheden in deze periode blijkt dat er nauwelijks verschil is tussen beide oriëntaties.
