Vertrouwelijk
(Contract 991595)
Uitbouw milieu-impactmodule Verslag n°1: Beschrijving van de bestaande milieu-impactmodule en andere bestaande methodologieën en modellen voor het berekenen van emissies van het wegverkeer N. Lewyckyj, A. Colles, C. Mensink, E. Cornelis, I. De Vlieger en L. Janssen
Studie uitgevoerd in opdracht van AMINAL (sectie Lucht)
2001/TAP/R/022 VITO Maart 2001
Inhoud SAMENVATTING INLEIDING………. .............................................................................................................................................. 1 HOOFDSTUK 1: BESCHRIJVING VAN DE BESTAANDE METHODOLOGIEËN VOOR HET BEREKENEN VAN EMISSIES VAN HET VERKEER ................................................. 2 1.1 GEMIDDELDE SNELHEID-METHODE................................................................................................................ 3 1.1.1 MEET (1999) ........................................................................................................................................ 4 Warme emissies ..........................................................................................................................................................4 Koude emissies............................................................................................................................................................5 Verdampingsemissies..................................................................................................................................................6
1.1.2 COPERT-III (Ntziachristos & Samaras, 1999)..................................................................................... 7 Warme emissies ..........................................................................................................................................................8 Koude emissies............................................................................................................................................................9 Verdampingsemissies................................................................................................................................................10
1.1.3. Vergelijking tussen MEET en COPERT............................................................................................. 10 1.2 ALTERNATIEVE METHODES ......................................................................................................................... 10 1.2.1 Duits/Zwitserse methode ..................................................................................................................... 11 1.2.2 Versnellingsmethode ........................................................................................................................... 11 1.3 AANVULLENDE GEGEVENS .......................................................................................................................... 12 HOOFDSTUK 2: BESCHRIJVING VAN DE BESTAANDE MODELLEN VOOR HET BEREKENEN VAN EMISSIES VAN HET VERKEER ......................................................................... 13 2.1 HET MOBILE MODEL ................................................................................................................................. 13 2.2 HET FOREMOVE MODEL .......................................................................................................................... 13 2.3 HET TREMOVE MODEL ............................................................................................................................. 14 2.4 HET AMORTEC MODEL (PROF. W. HECQ, ULB, PERSOONLIJKE MEDEDELING)........................................ 14 2.5 HET "VEHICLE SIMULATION PROGRAMME" MODEL (VAN MIERLO, 2000A,B) ............................................ 15 2.6 HET DWTC MODEL (INSTITUT WALLON, PERSOONLIJKE MEDEDELING)..................................................... 15 2.7 HET TREMOD MODEL (HTTP://WWW.IFEU.DE)........................................................................................... 15 2.8 HET PARK (VERSIT) MODEL (I. RIEMERSMA, TNO-NEDERLAND, PERSOONLIJKE MEDEDELING) ............ 16 2.9 HET ADVISOR MODEL (HTTP://WWW.CTTS.NREL.GOV/ANALYSIS) ............................................................ 16 2.10 HET HYGEIA MODEL (HTTP://WWW.MIRA.CO.UK/AIC)............................................................................. 17 2.11 HET TEMAT MODEL................................................................................................................................. 17 2.12 HET HBEFA MODEL ................................................................................................................................. 18 2.13 HET ‘DIGITALISED GRAZ’ MODEL ............................................................................................................. 19 2.14 ANDERE MODELLEN .................................................................................................................................. 20 HOOFDSTUK 3: BESCHRIJVING VAN DE BESTAANDE VERKEERSEMISSIEMODULE ............... 21 3.1 HET VERKEERSSTROMENMODEL.................................................................................................................. 21 3.2 VERKEERSSTATISTIEKEN ............................................................................................................................. 23 3.2.1 Emissietijdsfactoren ............................................................................................................................ 23 3.2.2. Verdelingen in weg-, voertuig- en bransdstoftypes ............................................................................ 24 3.2.3. NMVOS opsplitsing............................................................................................................................ 26 3.2.4. Snelheden per weg- en per voertuigtypes.......................................................................................... 27 3.3 EMISSIEFACTOREN ...................................................................................................................................... 27 3.4 OUTPUT VAN HET MIMOSA MODEL ........................................................................................................... 29 3.5 VALIDATIE VAN HET MODEL........................................................................................................................ 31 HOOFDSTUK 4: TOEPASSINGEN VAN DE MIMOSA MODULE............................................................ 33 4.1 DE POBIELSKISTRASSE OEFENING................................................................................................................ 33 4.2 HET AURORA MODEL .................................................................................................................................. 34 HOOFDSTUK 5: BESLUIT ............................................................................................................................... 36
BIJLAGE 1: OPLSPLISTING VAN DE NMVOS COMPONENTEN .......................................................... 37 B1.1 VOLGENS DUFFY ...................................................................................................................................... 37 B1.2 VOLGENS VELDT ...................................................................................................................................... 38 REFERENTIES
Samenvatting In dit rapport wordt er een beschrijving gegeven van de drie belangrijkste methodologieën betreffende de berekening van de emissiefactoren van het wegverkeer. De eerste methodologie (gebruik makend van de gemiddelde snelheid) is de oudste en de meeste bekende. Ondanks de talrijke parameters die nodig zijn om de wegverkeersemissies te simuleren, zijn berekeningen voor alle type scenario's mogelijk. De tweede methodologie (gebaseerd op de ‘Handbuch der Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs’) maakt gebruik van de metingen van de emissiefactoren voor een aantal situaties die gedefinieerd zijn door het parameterkoppel ‘snelheid en versnelling’. De parameters zijn bovendien verbonden aan een ‘visuele’ beschrijving van de situatie (hoogte, helling van de weg, enz…). Het resultaat daarvan is dus één waarde voor de emissiefactoren per situatie. Het grootste nadeel van deze methodologie is de specificiteit van de parameterwaarden voor de Duitse en de Zwitserse verkeerssituaties. Aanpassing van deze methode voor Vlaanderen is dus moeilijker. De laatste methodologie is de ‘state-of-the-art’ voor simulaties van emissies van het wegverkeer en werd de laatste jaren ontwikkeld. Ze maakt ook gebruik van het koppel ‘snelheid en versnelling’ of ‘snelheid en snelheid ´ versnelling’. De emissiefactoren zijn afkomstig van zowel rollenbanktesten als van metingen uitgevoerd in reële omstandigheden. Een kritisch punt is de keuze van de te bestuderen rijcycli. Bovendien kunnen slechts een beperkt aantal situaties gemeten worden. De emissiefactoren voor de resterende situaties moeten dan geïnter- of geëxtrapoleerd worden. De inter- en extrapolatie methodes gevonden in de literatuur voor deze methode zijn ook niet helemaal duidelijk. En ‘last but not least’, verschillende parameterkoppels van snelheid en versnelling komen in aanmerking voor een emissiefactor. Het resultaat daarvan is dus een grotere onzekerheid van de emissiefactor. Al deze elementen maken het gebruik van deze methode redelijk zwaar. Het bestaande wegverkeersemissiemodel van Vito-TAP (MIMOSA) wordt in detail beschreven. Het model is gebaseerd op de COPERT-II methodologie (gemiddelde snelheid). Op basis van een analyse van andere bestaande modellen (zowel in België als in het buitenland) en de resultaten van vergelijkende studies ligt het voor de hand om met het MIMOSA model verder te werken. Het model moet nog aangepast worden om de meest recente onderzoeksresultaten (COPERT-III/MEET) in rekening te brengen. Enkele voorbeelden van toepassingen van het MIMOSA model worden kort beschreven om een idee te geven van het brede gamma van situaties die gesimuleerd kunnen worden.
Inleiding In het kader van deze studieopdracht wordt gevraagd een milieu-impactmodule te ontwikkelen die rechtstreeks gekoppeld moet zijn aan de multi-modale verkeers- en vervoersmodellen gebruikt door de Mobiliteitscel en AWV. De uitbreiding van de verkeersen vervoersmodellen met een milieu-impactmodule moet toelaten de milieu-effecten beter in kaart te brengen en per beleidsmaatregel de haalbare emissiereducties in te schatten. Het resultaat bestaat uit emissiegegevens voor de verschillende wegtransportmodi na doorrekening van beleidsgerichte scenario’s d.m.v. de verkeers- en vervoersmodellen (tijdshorizon 2010). De resultaten dienen eveneens ruimtelijk te worden weergegeven in een GIS-omgeving. Vertrekpunt voor de realisatie van de studie is een bestaande milieu-impactmodule die reeds door Vito ontwikkeld is. Een operationele versie van dit model, MIMOSA (Milieu Impact MOdule voor de Stad Antwerpen) genaamd, is gekoppeld aan het verkeers- en vervoersmodel voor Antwepen. Dit tussentijds rapport rondt de taak n°1 (beschrijving van de bestaande milieu-impactmodule en andere bestaande methodologiëen en modellen voor het berekenen van emissies van het wegverkeer) af. Het beschrijft in hoofdstuk 1 de bestaande methodologieën voor het berekenen van emissies van het wegverkeer zoals MEET/COPERT, INFRAS/UBA-BUWAL, enz… . Hoofdstuk 2 beschrijft enkele bestaande verkeersemissiemodellen zoals TEMAT, “MODAL MODELING”, MOBILE, FOREMOVE, TREMOVE, AMORTEC, HYGEIA, ADVASIOR, TREMOD, enz… . De MIMOSA module wordt in hoofdstuk 3 beschreven, specifieke toepassingen van dit model in het vierde hoofdstuk. Een korte discussie over de toekomstige implementatie is terug te vinden in hoofdstuk 5.
1
Hoofdstuk 1: Beschrijving van de bestaande methodologieën voor het berekenen van emissies van het verkeer Er kunnen verschillende methodes gebruikt worden om verkeersemissies te berekenen, en deze kunnen worden ondergebracht in vier groepen (MEET, 1999): · · · ·
Berekeningen gebaseerd op transportactiviteit Berekeningen gebaseerd op energieverbruik Koolstofbalansberekeningen Polluentspecifieke berekeningen
Berekeningen gebaseerd op transportactiviteit is de basismethode voor de emissies afkomstig van wegverkeer en voor het energieverbruik van ‘non-road’ transportwijzen. Op deze manier berekende emissies kunnen “warme” emissies (motor en nabehandelingssystemen op temperatuur) bevatten, koude start emissies (rit-start emissies met niet volledig opgewarmde motor) en verdampingsemissies. Berekeningen gebaseerd op energieverbruik is de standaard methode voor emissies afkomstig van ‘non-road’ transportwijzen en SO2 en Pb-emissies van voertuigen. De soorten emissies die worden inbegrepen (warm, koud, verdamping), zijn afhankelijk van de beschikbaarheid ervan in de schatting van het energieverbruik. Berekeningen van brandstofverbruik of CO2-emissies kunnen gebaseerd zijn op de vergelijking van de massabalans van koolstof in de brandstof en de verbrandingsproducten. Voor wegvoertuigen (met verbrandingsmotoren) wordt deze methode gebruikt om het brandstofverbruik te berekenen. Voor andere transportmiddelen wordt deze methode gebruikt om CO2-emissies te berekenen. De methode kan rekening houden met warme, koude en verdampingsemissies. Polluentspecifieke berekeningen: sommige polluenten zijn subcategorieën van anderen. Dan kunnen schattingen gemaakt worden op basis van de hoofdpolluent (vb. VOS) en details van speciatie en grootteverdeling (vb. PM). Warme, koude en verdampingsemissies kunnen worden inbegrepen. Tabel 1 geeft een gedetailleerde indicatie welke methodes volgens MEET het best toepasbaar zijn in verschillende situaties in functie van het transporttype en de polluent.
2
Tabel 1: Berekeningsmethoden volgens MEET voor verschillende polluentemissies volgens de transportwijze en motortype. (MEET, 1999)
Uitlaatemissies en verdampingsemissies
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Energieverbruik CO2 CO VOC NOx PM SO2 Pb N 2O CH4 NMVOC VOC spec. PM size NH3 H 2S NO2 HM
Weg 1 2, 3 2, 3 2, 9 2, 3 2, 3 4 4 2, 3 2, 6 2, 6 7 8 2 2 2 2
Verbrandingsmotoren Spoor Water Lucht 2 2 2 5 5 5 4 4 4 4 4 4
Elektrische motors (weg, spoor) 2
brandstofverbruik = f(CO, CO2, VOC, PM) [koolstofbalans] berekening volgens activiteit emissie = “warme” emissie + “koude” emissie emissie = f(energieverbruik) [energiespecifieke emissiefactoren] emissie = f(brandstofverbruik, CO, VOC, PM) [koolstofbalans] NMVOC + CH4 = VOC VOC soorten = f(VOCuitstoot, VOCverdamping, VOCsamenstelling) PM grootte = f(PM, PMgrootteverdeling) Emissie = “warme” emissie+”koude” emissie+verdampingsemissie
Voor schattingen van wegverkeersemissies kunnen drie belangrijke methodes onderscheiden worden die vooral verschillen in de beschrijving van de interactie tussen de voertuigwerking en de overeenkomstige emissies: · · ·
de gemiddelde snelheid-methode, de duitse/Zwitserse methode volgens het ‘Handbuch der Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs’, en de versnellingsmethode
Bovendien wordt soms een vierde type model gebruikt. Het gaat over modellen die emissies van maar één voertuig tegelijkertijd simuleren (op basis van de nauwkeurige beschrijving van de motortoestand - engine map). Enkele van deze modellen werden verder heel kort beschreven (b.v. het Vehicle Simulation Programme model (Van Mierlo, 2000a)), maar het is niet de bedoeling gelijkaardige modellen te gebruiken in het kader van deze studie. 1.1 Gemiddelde snelheid-methode Deze langst ingeburgerde methode maakt gebruik van het feit dat gemiddelde emissies over een rit variëren naargelang de gemiddelde snelheid tijdens die rit. De karakteristieke
3
emissiecurven kunnen wel lichtjes verschillen afhankelijk van het type voertuig en de polluent, maar vertonen algemeen hoge emissies bij lage snelheden (inefficiënte motorwerking), minimale emissies bij middelmatige snelheden en hoge emissies bij hoge snelheden (vraag naar hogere aandrijfkracht van de motor). De metingen waarop deze snelheid-emissiecurven zijn gebaseerd, zijn bijna altijd afkomstig van rollenbanktesten. Bij deze testen wordt het testvoertuig in een testbedding geplaatst en voor een bepaalde rijcyclus worden de emissies verzameld en geanalyseerd. De relatie met de gemiddelde snelheid wordt bepaald door de resultaten van rijcycli met verschillende gemiddelde snelheid te combineren. Het gaat dus hier duidelijk over "statische" emissiefactoren, d.w.z. over emissiefactoren die alleen afhankelijk zijn van de voertuigtypes en van de gemiddelde snelheid (geen ogenblikkelijke variatie). Deze methode wordt gebruikt in MEET en COPERT. In beide gevallen is de emissie een functie van de gemiddelde snelheid en wordt gestart van hetzelfde basisprincipe, nl. E totaal = E warm + E koud + E verdamping
met: Etotaal Ewarm Ekoud Everdamping
(1)
= totale emissie = geproduceerde emissie bij een warme motor = geproduceerde emissie bij een koude motor = emissie bij VOC verdamping
1.1.1 MEET (1999) Het MEET-programma (Methodologies for Estimating air pollutant Emissions from Transport) werd opgericht om op Europese schaal tot een basisprocedure (harmonisering van methodologieën) te komen om de impact van transport op luchtvervuiling te evalueren. Volgens MEET worden elk van bovenstaande bijdragen tot de totale emissie uitgedrukt in functie van een emissiefactor en verschillende parameters in verband met de activiteit van het voertuig. (2) E x = ex ´ a met: Ex = één van de bijdragen tot de totale emissie ex = een activiteitsgerelateerde emissiefactor a = de hoeveelheid verkeersactiviteit relevant voor dit type van emissie Warme emissies Warme emissies zijn emissies geproduceerd wanneer de motor en de uitlaatnabehandelingssystemen hun normale werkingstemperatuur hebben bereikt. E warm = e ´ m
(3)
met: Ewarm = de emissie in massa-eenheid per tijdseenheid e = warme emissiefactor in g/km m = de activiteit, in afgelegde afstand per tijdseenheid (meestal in km/j)
4
De activiteitsverbonden emissiefactor e wordt uitgedrukt als functie van de gemiddelde snelheid. De activiteit m is de mate van werking (voertuig x kilometers) bij een bepaalde snelheid, op wegen met een bepaalde helling, voor voertuigen met een bepaalde lading. m = n´l
(4)
met: n = het aantal voertuigen in een klasse l = de gemiddelde afgelegde afstand door een gemiddeld voertuig van de klasse in km/j MEET en COPERT houden rekening met verschillende andere parameters zoals het type voertuig, de weghelling, de voertuiglading, de hoogte, veroudering van uitlaatnabehandelingssystemen, de omgevingstemperatuur en eventuele aanwezigheid van airconditioning. Samengevat kan gesteld worden dat emissiefactoren voor warme emissies allereerst berekend worden als functie van de gemiddelde snelheid van het voertuig. Afhankelijk van het voertuigtype worden een aantal correctiefactoren ingevoerd om te corrigeren voor effecten van weghelling, voertuiglading, aantal gereden kilometers en de omgevingstemperatuur: ewarm = f (v ) ´ GC ´ LC ´ MC ´ TC (5) met: ewarm = de gecorrigeerde warme emissiefactor f(v) = de gemiddelde snelheidsafhankelijke emissie voor standaard condities GC, LC, MC & TC = correctiefactoren voor de helling, de lading, het totaal aantal gereden kilometers en de temperatuur Deze correctiefactoren zijn gebaseerd op statische gegevens, vermits de dynamische gegevens niet gekend zijn. Koude emissies Koude emissies worden enkel geproduceerd aan het begin van de rit wanneer de motor en uitlaatnabehandelingssystemen nog niet op normale werkingstemperatuur draaien. Deze emissies worden berekend als ‘extra emissies’ die opgeteld moeten worden bij emissies voor een warme motor. Voor elke polluent en voertuigklasse werd uit Europese testprogramma’s een referentiewaarde bekomen voor deze extra emissies, gedefinieerd als de waarde bij een starttemperatuur van 20°C (omgevingstemperatuur) voor een gemiddelde snelheid van 20 km/u voor een rit lang genoeg voor de motor om op normale werkingstemperatuur te komen. Er werden functies ontwikkeld om te corrigeren voor de werkelijke starttemperatuur, gemiddelde snelheid en afgelegde afstand. De extra emissie wordt uitgedrukt in termen van gemiddelde snelheid, omgevingstemperatuur en afgelegde afstand: Bijkomende emissie = w ´ [ f (V ) + g (T ) - 1]´ h(d )
(6)
met: bijkomende emissie = uitgedrukt in g f(V) = functie van de gemiddelde snelheid in km/h gedurende de koude periode g(T) = functie van de temperatuur in °C (omgevingstemperatuur voor koude start, starttemperatuur van de motor bij een intermediaire temperatuur) h(d) = functie van de afgelegde afstand w = referentie bijkomende emissie 5
Ook hier wordt rekening gehouden met andere parameters wat volgende vergelijking oplevert: E c = å tf i ´ i
é p j ´ pk ´ pm ìï d m üïù cm(s, vi ) { ( ) } ( ) ´ w i ´ ååå ê ´ + ´ f V g T 1 h í ýú j k 6 ( ) 100 d V ´ 10 d ï ïþúû j k m ê c j m î ë
(7)
met: Ec = de startgebonden bijkomende verkeersemissies over 1 km voor een bepaalde polluent (in g) tfi = de verkeersflow voor het bestudeerde voertuigtype i vi = de gemiddelde snelheid van het verkeer voor het bestudeerde voertuigtype i (km/h) i = het voertuigtype s = het seizoen (winter, zomer, tussenseizoen) De andere gegevens zijn interne modelgegevens: cm(s, vi) = het percentage van de verreden kilometers onder koude start of bij intermediaire temperatuurcondities voor seizoen ‘s’ en totale snelheid vi voor voertuigtype i wi = de referentiewaarde bijkomende emissie voor voertuigtype i j = de snelheidsklasse voor het koude deel van de rit k = de motor-starttemperatuursklasse m = de ritlengteklasse pj = het percentage ritten afgelegd aan snelheid j met een koude motor, voor de totale gemiddelde beschouwde snelheid pk = het percentage ritten afgelegd met een motor-opstarttemperatuur Tk pm = het percentage ritten gestart met een koude motor volgens de ritlengte en de gemiddelde snelheid van het koude gedeelte van de rit dm = de gemiddelde lengte van de ritten onder koude startcondities in klasse m (km) Vj = de gemiddelde snelheid van het koude gedeelte van de rit overeenkomstig klasse j (km/h) Tk = gemiddelde motor-opstarttemperatuur overeenkomstig klasse k (°C) dc = afstand afgelegd met koude motor f, g, h en dc = functies gedefinieerd in (6) Deze procedure is enkel van toepassing op personenwagens en lichte vrachtwagens. Voor zware vrachtwagens worden de koude bijkomende emissies uitgedrukt in gram per koude start. Verder wordt verondersteld dat elk voertuig 1 koude start per dag maakt. De koude bijkomende emissies per dag zijn dan het aantal voertuigen per dag vermenigvuldigd met de geschikte emissiefactor. Verdampingsemissies Verdampingsemissies kunnen op verschillende manieren voorkomen en dus zijn er ook een aantal verschillende emissiefactoren. In het algemeen zijn deze factoren functie van de omgevingstemperatuur en de vluchtigheid van de brandstof. Er worden vier soorten verdampingsverliezen onderscheiden: 1. Vul-verliezen: verliezen die optreden wanneer de brandstoftank wordt bijgevuld, 2. “Diurnal breathing”-emissies: deze zijn het resultaat van de nacht-dag temperatuurscyclus die de inhoud van de brandstoftank doet inkrimpen of uitzetten en zo verzadigde dampen wegduwt,
6
3. “Hot soak” -emissies: treden op wanneer een voertuig wordt stilgelegd na werking en het afkoelen van de motor leidt tot verdamping van brandstof in bepaalde delen van de motor, 4. “Running” -emissies: treden op tijdens de werking van het voertuig. Vulverliezen worden meestal toegeschreven aan de brandstofhandeling en niet aan de voertuigemissies en worden dan ook niet behandeld. De tweede en derde soort leveren de grootste bijdrage aan de verdampingsverliezen. In nieuwere voertuigen (vanaf 1993, 91/441/EEG)worden deze dampen grotendeels opgevangen door actieve-koolfilters. De hoofdvergelijking voor het schatten van de verdampingsemissies is:
(
)
E eva,voc , j = 365 ´ a j ´ e d + S c + S fi + R
(8)
met: Eeva, voc, j = de VOC-emissies ten gevolge van de verdampingsverliezen door voertuig j aj = het aantal benzine voertuigen van klasse j ed = de gemiddelde emissiefactor voor diurnal verliezen van benzine-aangedreven voertuigen, uitgerust met metalen tanks, afhankelijk van de gemiddelde maandelijkse omgevingstemperatuur, de temperatuurvariatie en de vluchtigheid van de brandstof. c S = de gemiddelde hot en warm soak emissiefactor voor benzine-aangedreven voertuigen uitgerust met een carburator Sfi = de gemiddelde hot en warm soak emissiefactor van benzine-aangedreven voertuigen uitgerust met fuel injection R = de hot en warm running emissies Functies om de geschikte emissiefactoren te berekenen voor de warme, koude en verdampingsemissies zijn terug te vinden in verschillende tabellen in het MEET-handboek (1999). 1.1.2 COPERT-III (Ntziachristos & Samaras, 1999)
De ontwikkeling van COPERT-III werd volledig gefinancierd door de European Environment Agency (EEA) in het kader van de activiteiten van het European Topic Centre on Air Emissions. Er wordt voorgesteld dat alle EEA-lidstaten deze methode zouden gebruiken voor het opstellen van de CORINAIR emissie-inventaris. In principe kan de COPERT-IIImethodologie gebruikt worden voor het berekenen van verkeersemissieschattingen op een relatief hoog aggregatieniveau. Dit kan zowel temporeel als ruimtelijk, op jaarsbasis voor NUTS 0 (nationaal niveau), maar ook werd aangetoond dat deze methodologie bruikbaar is met een voldoende kleine onzekerheidsgraad voor hogere resolutie, voor het opstellen van stedelijke emissie-inventarisaties met een ruimtelijke resolutie van 1x1 km² en een temporele resolutie van 1 uur. Hier wordt de derde versie (COPERT-III) besproken. De initiële versie dateert van 1989 voor de CORINAIR 1985 emissie-inventaris (Eggleston et al., 1989). Een eerste update kwam er in 1991 voor de CORINAIR 1990 inventaris (Eggleston et al., 1993) en werd opgenomen in het ‘Atmospheric Emission Inventory Guidebook (EMEP/CORINAIR, 1996). Een tweede update
7
van de methodologie (Ahlvik et al., 1997) werd geïntroduceerd in het softwarepakket COPERT-II (Ntziachristos & Samaras, 1997). Alle informatie over COPERT-III is te bekomen op de website http://vergina.eng.auth.gr/mech/lat/copert/copert.htm. Naast de hoger vermelde algemene formule voor de totale emissie, wordt hier ook nog een andere opdeling gebruikt. Voertuigemissies zijn namelijk sterk afhankelijk van motorwerkingscondities. Verschillende rijsituaties veronderstellen ook verschillende motorwerkingscondities en dus verschillende emissies. Daarom wordt in COPERT-III onderscheid gemaakt tussen rijden op autosnelwegen, op landelijke en op stedelijke wegen. E totaal = E stad + E landelijk + E autosnelweg
(9)
met Estad, Elandelijk en Eautosnelweg de emissies (g) voor een polluent voor de overeenkomstige rijsituatie. PS: Met MEET kan ook een onderscheid gemaakt worden tussen verschillende rijsituaties (wegtypes). De gebruiker kan dit doen door de snelheid en de emissiefuncties aan te passen.. Warme emissies De basisformule voor het schatten van warme emissies, gebruik makend van meestal experimenteel verkregen emissiefactoren is: Emissies per tijdseenheid (g) = emissiefactor (g/km) x aantal voertuigen x gereden kilometers per voertuig per tijdseenheid (km/voertuig) Deze gegevens moeten voor elke voertuigklasse worden ingegeven. COPERT-III veronderstelt dat warme emissiefactoren enkel afhankelijk zijn van de gemiddelde snelheid. De formule voor de berekening van emissies is: E warm,i , j ,k = N j ´ M j ,k ´ ewarm,i , j ,k
(10)
= emissies van de polluent i in g, geproduceerd in het referentiejaar door voertuigen van klasse j op wegen van type k met thermisch gestabiliseerde motor en uitlaatnabehandelingssysteem ewarm, i, j, k = representatieve basis-emissiefactor (voor een gemiddelde vloot) in g/km voor polluent i, relevant voor voertuigklasse j, op wegtype k, met thermisch gestabiliseerde motor en uitlaatnabehandelingssysteem N = aantal voertuigen van klasse j in circulatie in het referentiejaar Mj, k = aantal km per voertuig gereden op wegen van type k door voertuigen van klasse j i = 1-33 voor polluenten van groep 1 en groep 3 (zie COPERT-III) j = 1-99 voor de voertuigklassen gedefinieerd in de voertuigonderverdeling k = 1-3 voor “stedelijk”, “landelijk” en “autosnelweg”
met: Ewarm,
i, j, k
De voertuigsnelheid, die in de berekening wordt doorgerekend met de drie wegtypes, heeft een grote invloed op de emissies van de voertuigen. Er werden verschillende benaderingen ontwikkeld die de rijpatronen in rekening brengen. Hier worden twee alternatieve methodes voorgesteld:
8
1. Eén enkele gemiddelde snelheid selecteren, representatief voor elk van de wegtypes “stedelijk”, “landelijk” en “autosnelweg” en de emissiefactoren berekend met de vergelijkingen (emissie-beta-functies) toepassen, 2. Definiëren van gemiddelde snelheidsdistributiecurven fk, j (V) en de integraal nemen over de emissiecurven: ewarm,i , j ,k = ò e(V ) ´ f k , j (V ) dV (11)
[
]
met: V = voertuigsnelheid op wegklassen “stedelijk”, “landelijk” en “autosnelweg” (k=1..3) e(V) = wiskundige uitdrukking van de snelheidsafhankelijkheid van ewarm, i, j, k fk, j(V) = de frequentieverdeling als functie van de gemiddelde snelheden overeenkomstig de rijpatronen van voertuigen op de wegtypes “stedelijk”, “landelijk” en “autosnelweg”, afhankelijk van het wegtype k en de voertuigklasse j De eerste benadering is veel gemakkelijker en het is dan ook meest waarschijnlijk dat de meeste landen opteren voor die methode. De software applicatie stelt dan ook enkel deze eerste benadering ter beschikking voor de berekeningen van de ‘warme’ –emissiefactoren. De emissiefactoren die door de methodologie worden voorgesteld werden verkregen in het kader van verschillende wetenschappelijke programma’s. De emissiefactoren voor personenwagens en light duty voertuigen werden ontwikkeld in het kader van de oudere COPERT/CORINAIR-activiteiten (Eggleston et al., 1989). Emissies van recente voertuigen worden berekend aan de hand van het werk uitgevoerd in het kader van MEET (Samaras & Ntziachristos, 1998). Emissiefactoren voor zware vrachtwagens, bussen en reisbussen zijn afkomstig van het Duits/Zwitsers Handboek voor Emissiefactoren. Emissiefactoren voor bromfietsen en motorfietsen komen van dezelfde bron, maar werden nog verder behandeld door TNO (Rijkeboer R.C., 1997). Koude emissies Koude emissies worden berekend als extra emissies t.o.v. de warme emissies. Er wordt gebruik gemaakt van een factor (de verhouding koude emissies t.o.v. warme emissies) die toegepast wordt op de fractie kilometers gereden met koude motor. Deze factoren kunnen verschillen van land tot land.
(
E koud ,i , j = b i , j ´ N j ´ M j ´ ewarm ,i , j ´ e koud / e warm
i, j
)
-1
(12)
met: Ekoud, i, j
= koude start emissie van de polluent i (voor het referentiejaar), door voertuigklasse j bi, j = fractie kilometers gereden met een koude motor Nj = aantal voertuigen in circulatie in voertuigklasse j Mj = totaal kilometers per voertuig in voertuigklasse j ekoud/ewarm|i, j = verhouding koude en warme emissies voor polluent i, relevant voor voertuigklasse j
Hoewel het model beschreven in COPERT 1990 nog steeds gebruikt wordt voor het berekenen van de emissies tijdens de koude start fase, worden wel nieuwe extraemissieverhoudingen gebruikt voor benzinevoertuigen uitgerust met een katalysator. Deze
9
nieuwe verhoudingen zijn gebaseerd op een meer recente methode die ontwikkeld werd in het kader van MEET (Hickman A.J. (ed), 1998). Verdampingsemissies Wat verdampingsemissies betreft, wordt het zelfde onderscheid gemaakt als in MEET. Deze drie verdampingsemissies worden beïnvloed door de vluchtigheid van de gebruikte brandstof, de absolute omgevingstemperatuur en temperatuursveranderingen en de voertuigkenmerken. Voor emissietype 2 en 3 is ook het rijpatroon van belang. De methode om VOC verdampingsemissies te schatten werd voorgesteld door CONCAWE (1990) en is dezelfde als deze gebruikt in COPERT 1990 en in MEET. 1.1.3. Vergelijking tussen MEET en COPERT
MEET (Methodologies to Estimate Emissions from Transport) is een methodologie, terwijl COPERT een computer programma is (COPERT staan voor Computer Programme to calculate Emissions from Road Transport). Een grote verschil tussen COPERT en MEET is dat COPERT in eerste instantie bedoeld is voor het opstellen van de emissie-inventaris, terwijl MEET ook reeds kijkt naar toekomstige evoluties. Emissies van voertuigen met nieuwe technologie (bv. bio-diesel, CNG, elektrisch, hybried, brandstofcel met waterstof of met methanol,…) worden dus niet in rekening gebracht in de COPERT methodologie. Ondanks een wat verschillende wiskundige formulering zijn de resulterende emissiefuncties in MEET en in COPERT heel gelijkaardig. Verschillende kleine afwijkingen zijn echter te merken tussen de twee methoden, zoals b.v. voor de emissiefunctie voor stadsbussen (tot een maximaal snelheid van 50 km/h). Ook zijn de emissie-reductiefactoren in COPERT-III voor Euro-II t.em. Euro-V klassen over het algemeen wat hoger dan degenen gebruikt in MEET. 1.2 Alternatieve methodes
Ritten worden niet alleen gekenmerkt door een gemiddelde voertuigsnelheid, maar ook door de graad van snelheidvariatie. Een bepaalde gemiddelde snelheid kan namelijk op verschillende wijzen tot stand komen: ongeveer een zelfde snelheid over heel de rit, een hoge snelheid in het begin van de rit (koude motor!) en een lage snelheid aan het einde van de rit, een lage snelheid in het begin van de rit en een hoge snelheid aan het einde van de rit, … Deze variaties in snelheid veroorzaken ook verschillen in emissies. Het grote nadeel van het gebruik van 'statische' emissiefactoren met gemiddelde snelheid is dat er hiermee geen rekening wordt gehouden. De volgende twee methodes proberen de werking van het voertuig te klasseren en ook in rekening te brengen. De emissies worden dan berekend op een dynamische manier. Het gebruik van statische emissiefactoren houdt ook in dat bepaalde correctiefactoren gebruikt worden. Dit gebeurt echter ten nadele van de nauwkeurigheid van de resultaten. Het gebruik van dynamische factoren verplaatst het probleem van deze onzekerheden naar de correcte beschrijving van de motorcycli en beschrijving van de verkeerstoestand.
10
1.2.1 Duits/Zwitserse methode
In het Duits/Zwitsers ‘Handbuch der Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs’ (BUWAL, 1999) wordt naast de gemiddelde snelheid geen kwantitatieve parameter gebruikt, maar een verbale beschrijving van het soort verkeerssituatie waarvoor de emissiefactor bruikbaar is. Deze methode staat ook bekend als de INFRAS-methode. INFRAS is een Zwitsers consulting-bedrijf dat advies geeft aan overheidsinstellingen, internationale instituten en privé-ondernemingen op gebied van milieu, economie en verwante beleidsonderwerpen. Voor elke verkeerssituatie, polluent en voertuigtype bestaat er een unieke emissiefactor. Emissiefactoren kunnen bepaald worden voor warme, koude of verdampingsemissies. Er wordt rekening gehouden met de voertuigklasse, het jaar, de verkeerssamenstelling, de gekozen polluenten, de verkeerssituatie, de weghelling, de temperatuur, de ritlengte, de stoptijden en het rijpatroon. De verschillende parameters, en dan vooral de verkeerssituatie, zijn dermate in detail uitgewerkt dat voor andere landen redelijk moeilijk is dergelijke gedetailleerde informatie te verzamelen. Daar verkeersituaties van land tot land sterk kunnen verschillen, kunnen de emissiefactoren van Duitsland of Zwitserland niet zomaar overgenomen worden. Dit maakt deze methode gebruiksonvriendelijk voor toepassing door andere landen dan Duitsland en Zwitserland. Meer informatie over deze gedetailleerde uitwerking van de parameters is te vinden onder de help-functie van de cd-rom. Deze methode werd echter vroeger op Vito geïmplementeerd op niveau van Vlaanderen (Cornu et al., 1999). Verschillende verkeerstoestanden werden toen bekeken: · · · · · ·
HN (highway normal): normaal verkeer op autosnelweg HP (highway peak): druk verkeer op autosnelweg UN (urban normal): normaal verkeer in stad UP (urban peak): druk verkeer in stad RN (rural normal): normaal verkeer op landelijke weg RP (rural peak): druk verkeer op landelijke weg.
Een bijkomende opdeling op basis van cilinderinhoud wordt gemaakt. Meer details zijn terug te vinden in het volgende rapport. Het is ook hier de bedoeling om deze methode te implementeren op niveau van Vlaanderen en de resultaten te vergelijken met degenen gekregen door the COPERT/MEET methode. 1.2.2 Versnellingsmethode
Deze derde methode gebruikt naast de gemiddelde snelheid als bijkomende parameter een numerieke variabele om de voertuigwerking te beschrijven (MEET, 1999). Meestal wordt hiervoor de versnelling gebruikt of het product van de versnelling en de snelheid. Hier wordt niet meer de gemiddelde emissie voor een rit berekend, maar wel een emissie-interval voor elke combinatie van de twee parameters voor meestal elke seconde. Een groot verschil met de INFRAS methode is dat de emissiefactoren die gebruikt worden in de versnellingsmethode niet gecorreleerd zijn aan een verbale beschrijving van het soort verkeerssituatie (zoals b.v. de helling van de weg, ....) maar alleen aan fysische parameters direct afhankelijk van de verschillende motorcycli.
11
De nodige gegevens voor deze “ogenblikkelijke emissiefactoren” methode worden gehaald uit continue metingen van de snelheid (waaruit de versnelling kan berekend worden) en de emissies. Dit leidt tot een tweedimensionale matrix van emissiefactoren, met enkel een aantal vakjes die ingevuld zijn (het is inderdaad onmogelijk alle motorcycli uit te testen voor alle soorten motoren). De andere waarden moeten dus geïnter-of geëxtrapoleerd worden. Om deze methode te gebruiken is het nodig het volledige snelheidsprofiel van de rit te kennen, en dat, voor alle voertuigen en seconde per seconde. Meer algemene resultaten kunnen echter verkregen worden door een verdeling van snelheid - versnellingsparen te gebruiken gebaseerd op een bredere selectie van voertuigwerking i.p.v. een enkele rit. Door gebruik te maken van enkel versnelling (of versnelling maal snelheid) kunnen bij berekening verschillende emissies worden bekomen. Ook de manier waarop de versnelling wordt afgeleid van de snelheid-tijdscurve kan de emissieberekening beïnvloeden. Zelfs bij enkelvoudige toepassingen kan de onzekerheid soms groot zijn als het motorregime elke seconde perfect bepaald moet worden en de emissiefactoren voor alle mogelijke motorcycli die kunnen voorkomen moeten gekend zijn. In het slechtste geval kan deze methode tot verkeerde resultaten leiden. Deze ‘state-of-the-art’-methode stond de laatste jaren het meest in de belangstelling in de onderzoekswereld, maar werd toch niet geselecteerd als basis voor de MEETemissieberekeningen. Welke van deze drie methoden het meest geschikt is, is sterk afhankelijk van de aard van de toepassing. De nood aan gedetailleerde informatie voor de methode volgens het Duits/Zwitsers Handboek maakt deze methode redelijk gebruiksonvriendelijk en moeilijk toe te passen. Voor de meeste toepassingen volstaan emissiefactoren gebaseerd op gemiddelde snelheid om emissieschattingen te bekomen met voldoende betrouwbaarheid. Voor plaatsen waar veranderingen van emissies ten gevolge van veranderingen in rijgedrag belangrijk zijn, kan de “ogenblikkelijke” methode leiden tot betrouwbare resultaten. Voor meer algemeen gebruik wordt echter de gemiddelde snelheidmethode aangeraden die ook in andere landen gemakkelijk kan gebruikt worden wat dan aanleiding geeft tot uniforme resultaten. 1.3 Aanvullende gegevens
Naast deze drie methodologieën om emissiefactoren te berekenen, bestaat er ook de Zwitserse NOREM-gegevensbank (BUWAL, 1998). Deze geeft een samenvatting van beschikbare informatie over niet-gereglementeerde emissies van gemotoriseerde voertuigen uit internationale literatuur. Met deze cd-rom is het mogelijk emissiefactoren te verkrijgen voor 300 polluenten, voor verschillende voertuigklassen, met verschillende technische uitrusting en verschillende brandstof. Voor elke emissiefactor wordt met een nummer de bron aangeduid die kan opzocht worden in een literatuurlijst met abstracts voor elk artikel.
12
Hoofdstuk 2: Beschrijving van de bestaande modellen voor het berekenen van emissies van het verkeer Zoals eerder vermeld beschrijft dit hoofdstuk bestaande verkeersemissiemodellen. Er wordt hier een kort overzicht gegeven van de volgende modellen: TEMAT, MODAL MODELING, MOBILE, FOREMOVE, TREMOVE, AMORTEC, TREMOD, VERSIT, ADVISOR, HYGEIA, … . De bedoeling is zeker niet een uitgebreide beschrijving te geven van deze modellen, maar wel de voor- en nadelen van deze modellen naar voren te brengen. Verschillende aspecten worden hierbij onderzocht zoals bv. de tijds- en de ruimtedefinitie van het model, de mate van de detail, de beperkingen, enz... . 2.1 Het MOBILE model
De eerste versie van het MOBILE programma werd ontwikkeld in de V.S. in 1978. De meeste recente versie (5a) werd gepubliceerd in 1992 (US-EPA, 1992). Het emissiemodel gebruikt een methode die conceptueel gelijkaardig is aan de COPERT methodologie maar sterk gebaseerd is op de emissiegegevens van de ‘Federal Test Procedure’. Het is dus sterk gelinkt aan de Amerikaanse wetgeving, en er wordt daarom meer gedetailleerde informatie gebruikt op niveau van bv. katalysatoren dan in de COPERT methodologie. Het model is alleen bruikbaar in landen waar een uitgebreide database beschikbaar is en wanneer de voertuigsamenstelling gelijkaardig is aan deze van de V.S. (zoals bv. in Duitsland). Toch werd MOBILE vroeger veel gebruikt als richtlijn voor de ontwikkeling van de COPERT methode. De output van MOBILE bestaat uit jaarlijkse gemiddelde emissiewaarden voor grote gebieden (landen). Een recente vergelijking van de resultaten van dit model (versie 5a) met de COPERT methode voor Griekenland heeft duidelijk de beperkingen en limieten van de toepasbaarheid van dit model voor Europese landen (Samaras & Zachariadis, 1998) aangetoond. De resultaten voor NOx-emissies waren bijvoorbeeld 65 % groter volgens het MOBILE model dan emissies berekend m.b.v. het COPERT model. 2.2 Het FOREMOVE model
Het ‘FORecast of Emissions from Motor Vehicles’ (FOREMOVE) model werd ontworpen in het begin van de jaren 90 voor de E.U. Het model werd gebruikt om de evolutie van de emissies van het wegverkeer in Europa te voorspellen tot het jaar 2010 (Samaras et al., 1993). Het is een directe toepassing van de COPERT-II methodologie. Dit model is gebaseerd op brandstofverkoop en is dus gemakkelijker toepasbaar voor de verschillende situaties dan het MOBILE model (zeker wanneer beperkte informatie beschikbaar is i.v.m. de verkeersstatistiek). Een bijkomend algoritme wordt gekoppeld aan het hoofdprogramma om het effect van katalysatorenveroudering in rekening te brengen. Recente aanpassingen werden ingebracht in het model om rekening te houden met slijtage van de emissie controlesystemen in functie van de tijd (Zachariadis & Samaras, 1999). Informatie over zowel het aantal voertuigen als de leeftijd van de voertuigen komt uit een dynamische voertuigmodule die gelinkt is aan het emissiedeel. Het model wordt daarna ingebracht in een algemener model: het TREMOVE model.
13
2.3 Het TREMOVE model
Het TREMOVE model is een samenstelling van verschillende modellen (of delen van modellen) die ontwikkeld werden voor de E.U (European Commission et al., 1999). De emissiemodule van het wegverkeer is gekoppeld aan een ‘transport’ module, met gebruik van statische emissiefactoren. In het TREMOVE model werden een aantal belangrijke aanpassingen ingebracht (in vergelijking met de COPERT-II methode) om de meest recente ontwikkelingen in rekening te brengen. Het gaat hier over: · Emmisiefactoren voor toekomstige technologieën. Emissiefactoren voor de klassen Euro II, III, IV en V werden ingebracht in het model. Deze emissiefactoren werden uitgedrukt als vermindering van de emissies in vergelijking met de klasse Euro I. · Koude-start emissies voor dieselmotoren. Emissiefactoren werden aangepast om de kortere ‘light-off’ tijd van wagens met katalysatoren in rekening te brengen. · Verdampingsemissies van de klassen Euro III en IV. De verdampingsemissies van deze categorieën wordt op 20% van de klasse Euro II gezet. · Impact van brandstofspecificatie. Alhoewel nog niet algemeen aanvaard, werd de zogenoemde EPEFE vergelijking (Zie het Auto-Oil I document) ingebracht in het model. · Degradatiefactoren voor katalysatoren in dieselvoertuigen. Er wordt verondersteld dat de degradatie van de emissies voor de meeste recente klassen van voertuigen met katalysatoren lineair zijn met het aantal kilometers. Deze relatie is echter direct afhankelijk van het regime en de kwaliteit van de onderhoudscontroles. · Inbrenging van methaanemissies voor voertuigen met katalysatoren. Er wordt een emissie van methaan van ongeveer 15 % van de VOC verondersteld. · Benzeenemissies. Benzeenemissies worden berekend in functie van de VOC emissies. · Verbetering van de brandstoffen. In COPERT-II wordt er geen rekening gehouden met de verbetering van de kwaliteit van de brandstoffen in functie van de tijd. Een emissiereductie van 1.3 % per jaar wordt aangenomen tot het jaar 2003, 3.5 % per jaar tussen 2003 en 2008 en 1 % per jaar daarna. · PM10 deeltjes afkomstig van benzinemotoren. COPERT-II veronderstelt dat emissies van PM10 deeltjes alleen afkomstig zijn van diesel motoren. Meer en meer gegevens bewijzen echter ook de uitstoot van PM10 deeltjes door de benzine motoren. · PM10 deeltjes niet afkomstig van de uitlaat. Er wordt rekening gehouden met de emissie van PM10 deeltjes afkomstig van remmen, beschadiging van het wegoppervlak. Resuspensie wordt ook beschouwd.
2.4 Het AMORTEC model (Prof. W. Hecq, ULB, persoonlijke mededeling)
Het AMORTEC model wordt door Université Libre de Bruxelles ontwikkeld. Het model is gebaseerd op MEET en COPERT (II en III). Alle voertuigcategorieën die in MEET en COPERT zijn gedefinieerd zijn in het programma geïmplementeerd. Het model is bedoeld om verkeersemissies in Brussel en de periferie te berekenen. Het TRIPS model (Tritel N.V.) werd gebruikt als simulatiepakket voor de verkeersstromen. Dit pakket wordt echter als te zwaar en
14
te duur geëvalueerd, zodat de ontwerpers van AMORTEC nu op zoek zijn naar een ander simulatiepakket. 2.5 Het "Vehicle Simulation Programme" model (Van Mierlo, 2000a,b)
De Vrije Universiteit Brussel heeft een verkeersemissie model (VSP) ontwikkeld met als doel het vergelijken van verschillende beleidsmaatregelen die de vermindering van de milieuoverlast en het primair energieverbruik beogen. Het gaat vooral over maatregelen die gebaseerd zijn op de introductie van alternatieve energiebronnen in het algemeen en elektrische en hybriede voertuigen in het bijzonder. Het programma laat toe te kiezen tussen statische emissiefactoren (COPERT-II) of emissiefactoren berekend met een eigen ontwikkeld voertuigmodel VSP. De verkeersstromen worden gemodeleerd aan de hand van het TRIPS model. Een extra programma zorgt voor de communicatie tussen TRIPS en VSP. Emissies van zowel elektrische, hybriede als conventionele (met interne verbrandingsmotor) wagens kunnen gesimuleerd worden. De gebuiker moet een testcyclus definiëren waaraan de modelauto onderworpen wordt. Op basis daarvan berekent VSP de trekkracht die de wagen moet ontwikkelen. Het VSP model geeft als output de energiebehoefte van de wagen, emissies (CO2, CO, NOx, HC, SO2, CH4, PM) en de performantie (versnelling, snelheidsbereik, maximum helling). VSP baseert zich hiertoe op motorkenvelden; tabellen waarbij de emissiefactor of het brandstofverbruik uitgezet worden t.o.v. koppel en belasting. Het huidig model werd gebruikt om scenario’s uit te testen, waarbij in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest auto’s met verbrandingsmotoren geweerd worden, al dan niet ten voordele van elektrische of hybriede wagens. 2.6 Het DWTC model (Institut Wallon, persoonlijke mededeling)
In het kader van het "Adéquation d’un modèle de simulation de traffic et d’un modèle de simulation d’émissions” DWTC-project, hebben Institut Wallon en Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix te Namen een vlot model ontwikkeld voor het bepalen van de impact van structuuraanpassingen op de verkeersstromen en de emissies ten gevolge van het verkeer in een bepaalde stad. De huidige versie beperkt zich echter tot het beschrijven van de situatie in Namen. Emissiefactoren zijn gebaseerd op COPERT en er wordt geen rekening gehouden met de evolutie van het wagenpark. De verkeerstromen worden gemodeleerd aan de hand van het PAXIM model van de Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix (Namen). 2.7 Het TREMOD model (http://www.ifeu.de)
Het TREMOD (Traffic Emission Estimation Model) model werd door Institut für Energieund Umweltforschung (Heidelberg-Duitsland) ontworpen. Het model is bedoeld om de effectiviteit van bepaalde beleidsmaatregelen of van de gevolgen van bepaalde evoluties in het verkeer op de totale emissies veroorzaakt door het verkeer in een bepaald gebied (Duitsland) te voorspelen.
15
Het model maakt gebruik van emissiefactoren gegeven door Infras en houdt rekening met de geplande evolutie van de wetgeving (t.e.m. Euro IV voor personenwagen, Euro V voor vrachtwagens). Niet alleen personen- en goederenvoertuigen kunnen in rekening gebracht worden, maar ook emissies van treinen, boten en vliegtuigen. Output van het model bestaat zowel uit voorspelling van energieverbruik als van de emissies van NOx, SO2, KWS (CH4, benzeen, tolueen, xyleen), CO, CO2, PM, Pb enNH3. TREMOD werd op vraag van FEBIAC gebruikt om de evoluties van de uitstoot van CO, HC, NOx, PM, CO2 door het wegverkeer in België vanaf 1980 tot 2020 in kaart te brengen (resultaten voorgesteld op 12/1/2000). 2.8 Het PARK (VERSIT) model (I. Riemersma, TNO-Nederland, persoonlijke mededeling)
TNO (Nederland) heeft het PARK verkeersemissiemodel ontwikkeld om emissies ten gevolge van het wegverkeer in Nederland te bepalen. Het model maakt gebruik van de emissiefactoren van het VERSIT voertuig-model. Het VERSIT model (COST-346, 2000) wordt ontworpen om emissiefactoren van bestaande voertuigen (personen- en vrachtwagen) te berekenen voor stads-, plattelands- en snelwegverkeer in functie van voertuigparameters. Emissiefactoren (CO, CO2, NOx, PM en VOC) zijn gegeven in functie van koppel en snelheid. Ze zijn gebaseerd op steekproefmetingen op vracht- en personenwagen tijdens karakteristieke ritten. Bij de simulatie van een rit bepaalt VERSIT het belastingspatroon waaraan het voertuig onderworpen is en leidt daaruit af in welk punt van het motorkenveld het voertuig zich bevindt, waaruit de emissies berekend kunnen worden. Boven de specificatie van het voertuig (type, Euro-classe, …) moeten de karakteristieken van een bepaald parcours (lengte, helling, type weg, beoogde snelheid, …) gespecifieerd worden. 2.9 Het ADVISOR model (http://www.ctts.nrel.gov/analysis)
ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator) is ook een voertuig-model. Het werd ontwikkeld door de National Renewable Energy Laboratory (Virginia, USA) en is vooral bedoeld om emissies en energieverbruik van alternatieve voertuigen te berekenen (Sengers, 1997). De karakteristieken zowel van de wagen (opbouw van de wagen uit de verschillende componenten, gewicht, lengte, …) als van een bepaald parcours (lengte, helling, type weg, beoogde snelheid, …) moeten gespecifieerd worden. Emissies van HC, CO en NOx worden bepaald, samen met energieverbruik (ook een opdeling van het verbruik per component van de wagen) voor de bestudeerde voertuig. De emissiefactoren zijn gegeven in g/kWh. In het geval van een elektrische wagen worden ze uitgezet in functie van de hoeveelheid stroom geleverd door de motoreenheid (Ampère) en de spanning van de batterij (Volt). Ze worden bepaald in stationaire toestand op een testbank. Bij het simuleren van een testrit met een wagen wordt voor elk ogenblik een overeenkomstige hoeveelheid stroom en batterijspanning berekend, zodat via de hierboven vermelde functie de uitgestoten
16
hoeveelheid van een bepaalde polluent afgeleid kan worden. De mogelijkheid bestaat om de performantie van die wagen te vergelijken met deze van een conventionele wagen. 2.10 Het HYGEIA model (http://www.mira.co.uk/aic)
Het Hybrid, Gas, Electric, and ICE Assessment Tool (HYGEIA) model wordt door de Engelse Motor Industry Research Association ontwikkeld. Dit voertuig-model dient om emissies van voertuigen van verschillend type (elektrische, hybriede voertuigen, wagens met fuel cell, voertuigen met interne verbrandingsmotor) te simuleren. De drie hoofdzakkelijke doelen zijn: · · ·
voertuig- of componentparameters te optimaliseren milieu-impact van verschillende voertuigen te beoordelen geavanceerde voertuigconcepten te evalueren
Gegevens betreffende de opbouw van de wagen, d.w.z. zowel de karakteristieken van de individuele componenten (fuel cell, batterij, convertor, …) als de karakteristieken van de volledige wagen (opbouw van de wagen uit de verschillende componenten) moeten als input ingevoerd worden. De keuze van de test cyclus (gestandaardiseerde cyclus of cyclus door de gebruiker bepaald) moet ook gespecifieerd worden. Energieverbruik en emissies (polluenten niet gespecifieerd) van het bestudeerde voertuig vormen de output van het model. 2.11 Het TEMAT model
TEMAT staat voor Toekomstige Emissies van MAatregelen in Transport. Dit model werd op Vito ontwikkeld om het effect van verschillende types maatregelen op de wegverkeersemissies te kunnen doorrekenen. Voor spoor en binnenvaart worden op Vito eenvoudige excellmodellen gebruikt. Het TEMAT model is een database waarin de input- en de outputgegevens weergegeven worden voor alle mogelijke combinaties van diverse brandstoffen, cilinderinhouden, jaartallen, tonnages, technologieën, leeftijden, wegtypes, verkeerstypes en emissiesoorten. De emissies (g.j-1) zijn berekend door de emissiefactoren (g.km-1) te vermeningvuldigen met de gemiddelde jaarkilometrage (km.voert-1.j-1) en het aantal voertuigen. De emissiefactoren kunnen ofwel constant ofwel snelheidsafhankelijk zijn. Het gaat hier dus duidelijk over het eerste type methodologie. De voertuigen worden opgesplitst in 6 categorieën: personenwagens, minibussen, lichte vrachtwagens, bussen, zware vrachtwagens en motorfietsen. Buiten de conventionele brandstoftypes (diesel, benzine en LPG) worden er 6 andere soorten brandstoffen in rekening gebracht: aardgas (CNG), elektrisch, hybriede, brandstofcel methanol, brandstofcel waterstof en biodiesel. Emissies kunnen berekend worden voor CO, CO2, NOx, VOS, PM, SO2 en Pb. De wegtypes worden opgesplitst in 3 categorieën: stedelijk, landelijke omgeving en autosnelweg. Parameters zoals aandeel per wegtype, verkeerstype (piekverkeer, normaal verkeer, …), de mobiliteitsvraag (totaal of kilometers per voertuig / brandstoftype), gebruiksfactoren, normfracties (introductie nieuwe technologiëen), correctiefactoren voor het aantal km gereden (nieuwe wagens kunnen meer km rijden dan eerder), correctie op
17
maximale toegelaten inhoud van Pb en zwavel in de brandstof voor de komende jaren, enz… kunnen in rekening gebracht worden. In TEMAT wordt een onderscheid gemaakt tussen vier types van emissies: 1. 2. 3. 4.
‘warme’ emissies (opgewarmde motor en katalysator) koude start emissies VOS-verdampingsemissies Emissies die vrijkomen bij de productie en het transport van brandstoffen.
Deze laatste worden normaliter niet ondergebracht bij de emissies van het verkeer. Ze kunnen wel nuttig zijn om de impact van de verschillende brandstoffen met elkaar te vergelijken. De emissies worden berekend volgens de MEET methode (gemiddelde snelheid), d.w.z. dat een grote hoeveelheid emissiefactoren nodig is. De output gebeurt op niveau van grote gebieden (bv. Vlaanderen) en geeft lange termijn (jaarlijkse) gemiddelde waarden. Het nadeel van het model is dat talrijke inputgegevens nodig zijn om de verschillende situaties te simuleren. Het voordeel is dat elke situatie kan gesimuleerd worden en dat voorspellingen mogelijk zijn voor heel gedifferencieerde scenario's. De gebruikte parameters worden aangepast in functie van de jaren. De parameterstabellen kunnen gemakkelijk in een Excel spreadsheet ingebracht worden voor aanpassingen. Een volledig beschrijving van het model is in Cornu (2000) terug te vinden. 2.12 Het HBEFA model
Het model uit de ‘HandBuch der EmissionsFAktoren des Strassenverkehrs’ (HBEFA) is direct bebaseerd op de UBA-BUWAL methodologie. De emissiefactoren zijn van het type ‘snelheid vs versnelling’ met specificatie van de exacte omstandigheden (bv. weg denivelatie, hoogte, verandering van het emissiepatroon vanwege de slijtage van de wagen, enz...). Het probleem van dit model is de hoeveelheid gegevens die nodig is voor elke situatie: dit model is meer geschikt voor micro-toepassingen. De gegevens die momenteel beschikbaar zijn, zijn echter specifiek voor de Zwitserse en de Duitse situaties en zijn heel moeilijk aan te passen voor andere landen (bv. voor België). Een van de voordelen van dit model is de mogelijkheid om simulaties uit te voeren voor heel lage snelheden, waar men een probleem ondervindt met de COPERT methodologie. De voornaamste oorzaak daarvan is de mogelijkheid om ‘stop en go’ simulaties uit te voeren. Volgens de UBA-BUWAL methode is het bovendien ook mogelijk emissiefactoren voor PM10 te bepalen voor benzinewagens (en niet alleen voor de diesel voertuigen). Eigenlijk is dit model beter geschikt om snelheidsveranderingen goed in rekening te brengen. In een vergelijkende oefening voor de warme emissiefactoren met een model gebaseerd op de COPERT-II methodologie merkten Samaras & Zachariadis (1998) op dat het HBEFA model veel hogere CO emissies gaf voor wagens met katalysatoren op lage snelheid. Het tegenovergestelde werd gerapporteerd voor de gemiddelde snelheid. Zowel de NOx emissies van wagens met katalysatoren als CO emissies voor dieselwagens waren hoger wanneer de COPERT methode werd gebruikt. Over het algemeen, komen soms grote verschillen in de emissiefactoren naar voren uit de vergelijking tussen modellen gebaseerd op de twee
18
methodologieën (tot een factor twee). Maar wanneer alle verschillende gevallen worden opgeteld (simulatie van de totale verkeersemissies), blijft de afwijking tussen de twee modellen echt redelijk. 2.13 Het ‘Digitalised Graz’ model
De Digitalised Graz Model (DGV) is een van de eerste modellen die de ‘snelheid*versnelling’ methodologie gebruikte (Pisinger & Haghofer, 1984; Sturm et al., 1994). In de laatste versie van het model (Sturm et al., 1998) is het model bestemd voor kleine- en mesoschaal simulaties. De emissiefactoren worden berekend vertrekkende van zowel metingen op rollenbank als ogenblikkelijke metingen verkregen in reële omstandigheden. De collectie van data gebeurt op een continue wijze maar wordt bewaard in bepaalde tijdsintervallen (‘Modal Modelling’). Het grootste voordeel van deze methodiek is dat het mogelijk is om veel verschillende situaties in detail te simuleren. Het is ook de enige manier om het rijgedrag op een goede manier in rekening te brengen in emissiemodellen. Het gebruik van zulke modellen is echter redelijk moeilijk (gegevens niet altijd beschikbaar). Het is ook niet helemaal duidelijk welke inter- en welke extrapolatiemethoden worden gebruikt om de matrices in te vullen voor ontbrekende gegevens (situaties waarvoor geen metingen werden uitgevoerd). Bovendien kunnen verschillende combinaties van snelheid*versneling parameters tot hetzelfde resultaat leiden, wat duidelijk een probleem vormt. De onzekerheid kan tenslotte groot zijn (van ~ -50 % tot ~ +50 %) voor bepaalde ‘driving’ cycli (wanneer gemodelleerde en gemeten waarden werden vergeleken). Dit soort onnauwkeurigheid kan soms tot verkeerde resultaten leiden wanneer het effect van maatregelen i.v.m. het rijgedrag bekeken worden. Een zeer belangrijk aspect in deze aanpak is de correcte simulatie van de ‘driving’ cycli. Sturm et al. (1998) hebben duidelijk aangetoond dat toepassing van cycli zoals gedefinieerd door de Amerikaanse en de Europese wegeving totaal onvoldoende waren. Bijkomende cycli moeten getest worden om de werkelijkheid te simuleren, zeker voor lagere snelheden. De auteurs hebben ook duidelijk gemaakt dat weinig verschil in de resultaten te merken was wanneer de ‘snelheid-versneling’ methode vergeleken werd met de ‘snelheid(snelheid*versneling)’. Het effect van de mate van de ‘gridding’ van de metingen werd ook onderzocht. Zij vonden geen grote invloed van de resolutie van de matrix op de resultaten. Tenslotte vonden ze de grootste spreiding van de resultaten voor de benzinewagens, wat een negatief effect heeft op de nauwkeurigheid van de emissieberekeningen. Lacour et al. (2000) hebben een vergelijking tussen ogenblikkelijke emissiemodellen (zoals het model van Sturm) en modellen werkende met een gemiddelde snelheid uitgevoerd. Op basis van 18 verschillende cycli en 10 wagens met katalysator werd gevonden dat de resultaten vanuit het ogenblikkelijk model niet echt nauwkeuriger waren dan de resultaten afkomstig van het model met gemiddelde snelheid. Maximale afwijking van 135 %, 60 % en 26 % voor respectievelijk, CO, NOx en CO2 werden gekregen wanneer resultaten verkregen met 'statische' modelen werden vergeleken met de gemeten resultaten. Waarden van 87 %, 69% en 19 % werden gerapporteerd voor dezelfde polluenten wanneer gemeten waarden werden vergeleken met resultaten verkregen door 'dynamische' modellen.
19
2.14 Andere modellen
Naast de hierboven beschreven modellen werden in de literatuur nog andere modellen en/of emissiedatabestanden gevonden. Deze modellen en databestanden brengen echter geen nieuwe interessante gegevens of opmerkingen in vergelijking met de hierboven vermelde modellen. Het gaat over bv. het DTU model (Winther, 1998), de DRIVE/MODEM model (Jost et al., 1998), het LOTOS emissie databestand (Hulshoff, 1991) en het PHOXA emmisie databestand (Meinl et al., 1989; Veldt, 1992). In een vergelijkingsstudie voor ECE 15/04 benzinewagens (cylinderinhoud tussen 1.4L en 2.1L) wordt opgemerkt dat het DTU model totale emissies van CO ongeveer 50-75% hoger gaf dan het COPERT model en dan de Deense gemeten waarden (Winther, 1998). Het DRIVE/MODEM model gebruikt dynamisch emissiefactoren. Dit model is gelijkaardig aan het GRAZ model. LOTOS en PHOXA databestanden zijn bestanden die de tijdsafhankelijkheid van de emissies proberen te simuleren. Tijdens de GENEMIS oefening werd duidelijk opgemerkt dat het gebruik van zowel het LOTOS als het PHOXA databestand voor simulatie van tijdsvariatie van het verkeer slechtere resultaten gaven dan wanneer een meer gedetailleerde (gebruik maken van uitgebreide verkeerstroommodellen gekoppeld aan verkeersemissiemodellen) aanpak werd gebruikt (Lenhart et al., 1995).
20
Hoofdstuk 3: Beschrijving van de bestaande verkeersemissiemodule In dit hoofdstuk wordt een volledige beschrijving gegeven van de bestaande Milieu-Impact MOdule voor de Stad Antwerpen (MIMOSA). Het betreft een samenvatting van drie internationale publicaties (Mensink, 2000; Mensink et al., 2000a; Mensink et al., 2000b). Dit model moet in het kader van deze studieopdracht aangepast worden om de meest recente onderzoeksresultaten (state of the art) te gebruiken. Aanpassingen worden uitgebreid besproken in het tweede tussentijdsrapport. MIMOSA is een fortran code die, in de huidige versie, zowel de uurlijkse emissies van CO, NOx, NMVOS, PM, SO2 en Pb voor individuele straten en wegsegmenten genereert als de totale emissies per polluent en per vierkant kilometer. De NMVOS emissies kunnen naar verschillende componenten als benzeen, tolueen, xyleen, enz. opgesplitst worden. De straten en wegsegmenten zijn gelegen in een gebied van 20 x 20 km rond de stedelijke kern van Antwerpen. Drie onderdelen kunnen geschetst worden met betrekking tot de nodige inputgegevens. Allereerst wordt gebruik gemaakt van de resultaten van een verkeersstromenmodel voor Antwerpen. Dit model (beschreven in sectie 3.1) berekent de verkeersvolumes voor 1963 wegsegmenten in het bovenvermeld gebied. De resultaten van het verkeersstromenmodel werden geïmplementeerd in een GIS omgeving en dienen als basis voor het berekenen van de uurlijkse emissies. Het tweede onderdeel bestaat uit statistische gegevens (o.a. wegtype, voertuigtype, brandstoftype, leeftijd van het voertuig, de frequentieverdeling van de verplaatsingafstanden en de actuele omgevingstemperatuur). De volledige beschrijving van deze gegevens is terug te vinden in sectie 3.2. Het derde deel (sectie 3.3) bevat de emissiefactoren waarmee in het model emissies worden berekend. Deze tijdsafhankelijke factoren worden gedefinieerd volgens de COPERT-II methodiek (Ahlvik et al., 1997). Dezelfde methodiek wordt ook beschreven in het EMEP/CORINAIR handboek (McInnes, 1996). Emissies ten gevolge van koude start en verdampingsverliezen (NMVOS) worden ook in rekening gebracht. De output van het model (sectie 3.4) is uit 8 bestanden samengesteld: één bestand met de uurlijkse emissies van alle bestudeerde polluenten, één bestand per polluent met de totale emissies per straat, en één bestand voor de relatieve bijdrage van de verschillende NMVOS componenten aan de emissies wanneer opgesplitst in de verschillende componenten. Validatieoefeningen werden uitgevoerd voor het model en worden in sectie 3.5 besproken. 3.1 Het verkeersstromenmodel
Het verkeersstromenmodel voor de stad Antwerpen wordt hier kort beschreven. Meer details zijn terug te vinden in Mensink (2000) en in Mensink et al. (2000b). Een uitgebreide beschrijving werd gemaakt door Nys (1995). Het is zeker niet de bedoeling van dit document om alle deze informatie samen te vatten omdat in het kader van dit project dit model door het TRITEL model vervangen zal worden. Een aantal aspecten i.v.m. de structuur van de gegevens en van de output zijn echter heel gelijkaardig in beide modellen. Daarom worden ze hier summier opgesomd.
21
Het verkeersstromenmodel is modulair. Een eerste onderdeel berekent het totale verkeersvolume dat in de stad wordt gegenereerd, met het dagelijks aantal verplaatsingen geschat op 2 miljoen. Hiertoe wordt de stad opgedeeld in een aantal verkeerszones (max. 250). Op basis van zowel de activiteiten per zone (industrieel, residentieel, commercieel, handel en diensten, gemengd) als de bevolkingsgegevens per zone (aantal inwoners, aantal arbeidsplaatsen, aantal leerlingen in scholen gevestigd in de zone, autobezit, enz.) worden de verkeersstromen berekend. Dit is duidelijk in analogie met de opbouw van het multimodaal verkeers- en vervoersmodel van de Mobiliteitscel en AWV. In de andere modules wordt een link gelegd tussen de oorsprong en de bestemming van de gegenereerde verkeersstromen (via een distributiematrix). Een wegennetwerk met 1963 straten en wegsegmenten werd gedefinieerd.
Figuur 1: Wegennetwerk (1963 segmenten) voor de stad Antwerpen
De wegsegmenten werden in 6 wegtypecategorieën ingedeeld en worden door middel van knooppunten met elkaar verbonden (Figuur 1). De categorieën werden als volgt ingedeeld: a) b) c) d)
snelwegen, gewestwegen (N-wegen) binnen de bebouwde kom, gewestwegen (N-wegen) buiten de bebouwde kom, doorgangswegen binnen de bebouwde kom, 22
e) secundaire wegen binnen de bebouwde kom, en f) wegen in het havengebied. Deze verdeling laat toe om per wegtype en per voertuigcategorie een gemiddelde snelheid te definiëren. Uiteindelijk werden de verschillende verkeersstromen aan het netwerk toegekend. Hierbij wordt er rekening gehouden met de weerstand van het netwerk. De uitvoer van het verkeersstromenmodel bevat de XY coördinaten van het begin en van het einde van elk wegsegment, de verbonden verkeersstromen (aantal voertuigen per uur) tijdens het drukste uur (van 16h30 tot 17h30) van een gemiddelde werkdag, het wegtype en het aantal baanvakken dat beschouwd moet worden. Een andere belangrijk output van deze module is de distributie van de gemiddelde ritafstand. Een gemiddelde waarde van 8.6 km werd gevonden voor Antwerpen, met meer dan 30 % van de ritten korter dan 3 km (zie Tabel 2). Tabel 2: Distributie van de gemiddelde ritafstanden (Lrit) voor de stad Antwerpen.
Lrit < 1 km 1 – 2 km 2 – 3 km 3 – 4 km 4 – 6 km 6 – 8 km 8 – 10 km 10 – 15 km 15 – 20 km > 20 km
Percentage van de ritten 7.68 15.21 12.97 9.69 14.73 10.69 6.00 6.17 1.33 15.53
Deze informatie is van het hoogste belang bij de berekening van emissies bij koude start. 3.2 Verkeersstatistieken 3.2.1 Emissietijdsfactoren
Zoals eerder gezegd worden de verkeersstromen gegeven door het verkeersstroommodel en dit voor een gemiddelde werkdag tijdens het drukste uur (van 16h30 tot 17h30). Om willekeurige tijdstippen in het jaar te kunnen bestuderen, moeten de uurlijkse variaties verkregen worden door het toepassen van emissietijdsfactoren (Mensink et al., 1999). Met behulp van factoren voor het beschrijven van de maandelijkse (fm), (week)dagelijkse (fd) en uurlijkse (fu) variaties wordt per wegsegment de uurlijkse verkeersstroom voor maand m, weekdag d en uur h Fm,d,u berekend volgens: Fm,d,u = F · fm · fd · fu / f17u,wd
(13)
Waarbij f17u,wd de emissietijdsfactor is voor een gemiddelde werkdag om 17h00. De fm, fd en fu tijdsfactoren moeten genormaliseerd worden, d.w.z. dat: (12.7.24) -1
å(f
m , d ,u
m
. fd . fu ) = 1
(14)
23
De emissietijdsfactoren (Figuur 2) werden samengesteld op basis van een groot aantal verkeerstellingen voor de Antwerpse regio (Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, 1997). Deze emissietijdsfactoren dienen om het totaal jaarlijkse verkeer te kunnen op een realistische manier verdelen in uurlijkse fluxen.
emissiefactor
1.2
fm
1.1 1.0 0.9 0.8 j
f
m
a
m
j
j
a
s
o
n
d
m aand (van het jaar)
emissiefactor
1.2
fd
1.1 1.0 0.9 0.8 mo
tu
we
th
fr
sa
su
dag (van de w eek)
emissiefactor
2.0
fu
1.5 1.0 0.5 0.0 1 2 3
4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 uur (van de dag)
Figuur 2: Variatie van de maandelijkse ( fm), dagelijkse (fd) en uurlijkse (fu) emissietijdsfactoren.
3.2.2. Verdelingen in weg-, voertuig- en bransdstoftypes
Om aan te sluiten bij de gebruikte methodiek voor het bepalen van emissiefactoren werd voor elk van de 6 wegtypes een verdeling gemaakt naar voertuigtype. De opsplitsing volgt de UNECE classificatie in het EMEP/CORINAIR handboek (McInnes, 1996) en maakt een onderscheid tussen personenvoertuigen (PC), lichte vrachtvoertuigen (LDV) en zware vrachtvoertuigen (HDV). De laatste categorie bevat, boven de zware vrachtwagens, ook de stadsbussen (openbaar vervoer) en de reisbussen. Tweewielers (bromfietsen, motoren) konden niet in de verdeling worden opgenomen wegens gebrek aan gegevens over deze categorie. De verdeling van de voertuigtypen per wegtype wordt gegeven in Tabel 3. Deze verdeling is gebaseerd op gedetailleerde verkeerstellingen voor 30 locaties in Antwerpen (Verkeerspolitie Antwerpen, 1998).
24
Tabel 3: Verdeling van de voertuigtypen per wegtype.
Wegtype
snelwegen gewestwegen (N-wegen) binnen de bebouwde kom gewestwegen (N-wegen) buiten de bebouwde kom doorgangswegen binnen de bebouwde kom secundaire wegen binnen de bebouwde kom wegen in het havengebied.
PC 0.716 0.869 0.869 0.909 0.933 0.564
LDV 0.065 0.060 0.060 0.040 0.029 0.031
HDV 0.219 0.071 0.071 0.051 0.038 0.405
De verschillende voertuigtypen werden ook onderverdeeld naar brandstoftype (Tabel 4). Deze tabel werd gehaald uit statistische gegevens van 1996. Er wordt verondersteld dat de LDV en/of HDV voertuigen geen LPG gebruiken. Tabel 4: Verdeling van de voertuigtypen per brandstoftype.
Brandstof Benzine Diesel LPG
PC 0.536 0.452 0.012
LDV 0.117 0.883 0.000
HDV 0.006 0.994 0.000
De voertuigtypen worden ook opgesplitst in verschillende categorieën volgens de EMEP/CORINAIR methodologie (Tabel 5). Tabel 5: Opsplisting van de voertuigtypen volgens de EMEP/CORINAIR methodologie. PC BENZINE ECE 15-00 & 15-01 (& PRE ECE) ECE 15-02 ECE 15-03 ECE 15-04 Improved Conventional Open Loop 91/441/EEC 94/12/EEC EC Proposal I (Post - 2000)
DIESEL
Conventional 91/441/EEC 94/12/EEC EC Proposal I (Post - 2000)
LPG
Conventional 91/441/EEC 94/12/EEC EC Proposal I (Post - 2000)
LDV HDV 0.006 Conventional 0.844 gewicht < 7,5 ton 0.025 93/59/EEC 0.156 7,5 ton < gewicht < 16 ton 0.175 EC Proposal II (96/69/EEC) 0.000 16 ton < gewicht < 32 ton 0.249 gewicht > 32 ton 0.000 91/542/EEC Stage I : gewicht < 7,5 ton 0.000 91/542/EEC Stage I : 7,5 ton < gewicht < 16 ton 0.545 91/542/EEC Stage I : 16 ton < gewicht < 32 ton 0.000 91/542/EEC Stage I : gewicht > 32 ton 0.000 91/542/EEC Stage II : gewicht < 7,5 ton 91/542/EEC Stage II : 7,5 ton < gewicht < 16 ton 91/542/EEC Stage II : 16 ton < gewicht < 32 ton 91/542/EEC Stage II : gewicht > 32 ton stadsbussen, conventional reisbussen, conventional stadsbussen, 91/542/EEC Stage I reisbussen, 91/542/EEC Stage I stadsbussen, 91/542/EEC Stage II reisbussen, 91/542/EEC Stage II 0.455 Conventional 0.844 gewicht < 7,5 ton 0.545 93/59/EEC 0.156 7,5 ton < gewicht < 16 ton 0.000 EC Proposal II (96/69/EEC) 0.000 16 ton < gewicht < 32 ton 0.000 gewicht > 32 ton 91/542/EEC Stage I : gewicht < 7,5 ton 91/542/EEC Stage I : 7,5 ton < gewicht < 16 ton 91/542/EEC Stage I : 16 ton < gewicht < 32 ton 91/542/EEC Stage I : gewicht > 32 ton 91/542/EEC Stage II : gewicht < 7,5 ton 91/542/EEC Stage II : 7,5 ton < gewicht < 16 ton 91/542/EEC Stage II : 16 ton < gewicht < 32 ton 91/542/EEC Stage II : gewicht > 32 ton stadsbussen, conventional reisbussen, conventional stadsbussen, 91/542/EEC Stage I reisbussen, 91/542/EEC Stage I stadsbussen, 91/542/EEC Stage II reisbussen, 91/542/EEC Stage II 0.455 0.545 0.000 0.000
0.165 0.368 0.301 0.014 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.046 0.106 0.000 0.000 0.000 0.000 0.165 0.368 0.301 0.014 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.046 0.106 0.000 0.000 0.000 0.000
25
De opsplitsing gebeurt aan de hand van nationale statistische gegevens m.b.t. leeftijd en brandstofverbruik (EMIS, 1999). De personenvoertuigen (PC) en de lichte vrachtvoertuigen (LDV) werden respectievelijk in 9 en in 3 subcategorieën onderverdeeld. Voor de zware vrachtvoertuigen (HDV) gebeurt de verdeling (12 subcategorieën) op basis van gewicht, waarbij stadsbussen (openbaar voervoer) en reisbussen in aparte categorieën werden ondergebracht. Verder worden de personenwagens ook per cylinderinhoud verdeeld (Tabel 6). Drie categorieën werden beschouwd: voertuigen met cylinderinhoud kleiner dan 1.4 liter, voertuigen met cylinderinhoud tussen 1.4 liter en 2.0 liter en voertuigen met cylinderinhoud groter dan 2.0 liter. Tabel 6: Verdeling van de voertuigtypen volgens drie cylinderinhoud categorieën.
Brandstof Benzine Diesel LPG
< 1.4 liter 0.380 0.009 0.380
1.4-2.0 liter 0.451 0.639 0.451
> 2.0 liter 0.169 0.352 0.169
Het zwavelgehalte voor benzine en diesel wordt respectievelijke gelijk gesteld (in 1996) aan 3.10-4 en 5.10-4 kg/kg (Mensink & De Vlieger, 1998). LPG wordt verondersteld geen zwavel te bevatten. Voor loodhoudende benzine werd een loodgehalte van 0.15 g/l aangenomen. Voor loodvrije benzine werd een loodgehalte van 0.013 g/l verondersteld (Geuzens et al., MIRA-T 1998). 3.2.3. NMVOS opsplitsing
De opsplitsing van de NMVOS componenten kan volgens twee methoden gebeuren. De eerste komt uit de COPERT-II methodologie (Ahlvik et al., 1997) en wordt door Veldt voorgesteld. Deze opsplitsing deelt de VOS in 42 componenten. De opsplitsing wordt gedefinieerd voor zowel benzinewagens als voor dieselwagens en wagens die LPG gebruiken. Een bijkomende opsplitsing wordt gemaakt tussen conventioneel en 3-weg katalysator benzinewagens. Bovendien wordt er ook een categorie gedefinieerd voor de verdamping van benzine tijdens het rijden (‘running losses’) van de conventionele benzinewagens. Alle categorieën worden gedefinieerd voor warme motoren. Een recentere verdeling werd voorgesteld door Duffy et al. (1999). Deze verdeling wordt voor het Australische wagenpark gedefinieerd op basis van banktesten. Naast de 5 categorieën gedefinieerd volgens Veldt bekijkt de ‘Duffy verdeling’ ook de verdeling tussen de 47 beschouwde componenten voor koude motoren. Een volledige beschrijving van deze twee alternatieven is in Bijlage 1 terug te vinden. Hoewel de ‘Duffy verdeling’ recenter is blijkt ze minder representatief te zijn voor de Europese toestand. Er werd een vergelijking gemaakt van de profielen tussen die twee verdelingstype en emissieprofielen gemeten tijdens een meetcampagne uitgevoerd in Antwerpen van september 1994 tot juni 1996 (Van Langenhove et al., 1996). Acht gemeenschappelijke componenten werden gevonden en vergeleken. Uit deze vergelijking wordt vastgesteld dat, hoewel niet perfect, de Veldt verdeling beter scoort dan de Duffy verdeling (Figuur 3).
26
100% 1,3,5-trimethylbenzene
80%
1,2,4-trimethylbenzene styrene
60%
o-xylene m,p-xylene
40%
Ethylbenzene 20%
Toluene Benzene
0% Measured
Veldt
Duffy et al.
Figure 3: Vergelijking van de VOS profielen.
Er moet opgemerkt worden dat aannamen i.v.m. de Veldt verdeling voor koude motoren werden gemaakt om deze vergelijking te kunnen uitvoeren. Er werd verondersteld dat: (i) de verdeling van de componenten voor koude motoren (zowel conventionele als 3-weg katalysatoren benzinewagens) gelijkaardig is aan degene gebruikt voor warme motoren (ii) de verdeling gebruikt voor verdamping voor de 3-weg katalysator benzinewagens exacte dezelfde zijn als degene gedefinieerd voor de conventioneel benzinewagens. Deze twee hypothesen zijn zeker niet perfect maar werden genomen wegens gebrek aan nauwkeurigere gegevens. 3.2.4. Snelheden per weg- en per voertuigtypes
Per wegtype (6) en per voertuigtype (3) wordt een gemiddelde snelheid toegekend (Tabel 7). Deze snelheden zijn gebaseerd op actuele snelheidsmetingen op de weg (De Vlieger, 1997) en op snelheidsbeperkingen die gelden voor de verschillende voertuigtypes en wegtypes. Tabel 7: Voertuigtypen snelheden (km/uur) in functie van de weg- en voertuigtypes.
Wegtype
snelwegen gewestwegen (N-wegen) buiten de bebouwde kom gewestwegen (N-wegen) binnen de bebouwde kom doorgangswegen binnen de bebouwde kom secundaire wegen binnen de bebouwde kom wegen in het havengebied.
PC 100 51 36 29 22 29
LDV 100 51 36 29 22 29
HDV 75 45 36 29 22 29
3.3 Emissiefactoren
De emissiefactoren voor voertuigen met een opgewarmde motor worden beschreven in het joint EMEP/CORINAIR handboek (McInnes, 1996). De hierin vermelde methode om
27
emissies te berekenen is identiek aan die in COPERT-II (Ahlvik et al., 1997). Deze methode wordt door meerdere lidstaten gebruikt om te rapporteren aan CORINAIR. De emissiefactoren voor CO, NOx, NMVOS en PM worden gedefinieerd in functie van de snelheid van het voertuig, voertuigcategorie, brandstoftype en cylinderinhoud. De emissiefactoren voor SO2 en Pb worden berekend aan de hand van het brandstofverbruik onder de aanname van zwavel- en loodgehalte zoals beschreven in sectie 1.2.2 (Verdelingen in weg-, voertuig- en bransdstoftypes). Emissiefactoren voor koude start zijn relatief belangrijk in een stedelijke omgeving vanwege het grote aantal korte verplaatsingen waarbij de motor onvoldoende is opgewarmd. Koude start emissiefactoren (EFkoude,i,j,k) voor personenvoertuigen voor polluent i, voertuigcategorie j en wegtype k werden berekend met behulp van de COPERT-II methodologie volgens: EFkoude,i,j,k = bj (Lrit,T) · EFwarme,i,j,k · [ai(T)-1]
(15)
Waarin: - EFwarme,i,j,k de emissiefactoren warme motoren van personenvoertuigen voor polluent i, voertuigcategorie j en wegtype k, - bj de fractie van de rit gereden met een koude motor of wanneer katalysatoren onder de ‘light-off’ temperatuur werken. bj is een functie van de omgevingstemperatuur en van de lengte (km) van de rit (Lrit) zoals gedefinieerd in Tabel 2. - ai de verhouding (per polluent i) tussen koude en warme emissies in functie van de omgevingstemperatuur, - T de uurlijkse omgevingstemperatuur, in een interval van –10°C tot +30°C. Koude start emissiefactoren voor lichte en zware vrachtvoertuigen zijn niet in deze methodologie voorzien. Ze worden echter berekend met behulp van enkele aannames zoals beschreven door Sérié & Joumard (1998). Ze veronderstellen dat het teveel aan emissies vanwege koude start dezelfde is voor LDV als voor PC voertuigen. Voor de HDV voertuigen wordt verondersted dat het teveel aan emissies vanwege koude start proportioneel is aan de verhouding tussen emissies van HDV met warme motor en de emissies van PC ook met warme motor, allebei op een snelheid van 20 km/uur. Deze veronderstelling van een gelijkaardig verhouding tussen warme en koude emissies voor personenwagens en voor zware vrachtwagens is gemaakt vanwege gebrek aan bettere schatting. Additionele verdampingsverliezen voor NMVOS werden alleen berekend voor rijdende voertuigen, d.w.z. voor verdampingsverliezen in de tank die tijdens het rijden optreden. Deze verliezen zijn significant bij hoge temperaturen (zomer) zoals aangetoond werd in Mensink et al. (2000a). Er wordt verondersteld dat de verdampingsverliezen voor rijdende voertuigen direct afhankelijk zijn van de “Reid Vapour Pressure” die op 70 kPa wordt gezet onder STD omstandigheden. Verdampingsverliezen tijdens het parkeren en expansieverliezen t.g.v. dagnacht variaties in temperatuur voor stilstaande voertuigen werden niet in beschouwing genomen omdat de parkeergegevens ontbreken. Wanneer de verkeersstromen en emissiefactoren gekend zijn, kan de actuele emissievracht E(t) (g·h-1) op tijdstip t voor polluent i, voertuigcategorie j, wegtype k en wegsegment n berekend worden volgens: Ei,j,k,n(t) = EFi,j,k · Fm,d,h(n,t) · L(n)
(16)
28
waarin EF de emissiefactor (g·km-1) is voor polluent i, voertuigcategorie j en wegtype k, F de tijdsafhankelijke verkeersstroom is voor wegsegment n (h-1) en L de weglengte (km) per wegsegment. Twee bijkomende modules worden bovendien geïmplementeerd in het MIMOSA programma. De eerste berekent de mogelijke vertraging van de verschillende voertuigtypes vanwege files. Er moet benadrukt worden dat deze optie experimenteel van opzet is en een grote impact heeft op de totale rekentijd van een ‘run’ van het programma. Wanneer bijvoorbeeld het verkeer in Antwerpen (20 x 20 km, 1963 wegsegmenten) gesimuleerd wordt voor een heel jaar, zal de simulatie 50 maal langer duren wanneer de files in rekening worden gebracht dan wanneer dit niet wordt gedaan. Een tweede experimentele module berekent de mogelijke vertraging van de voertuigen te wijten aan regenweer. Gegevens over de dagelijkse hoeveelheden regen en de totale dagelijkse duur van de regen zijn hiervoor nodig. Deze gegevens zijn terug te vinden samen met de uurlijkse temperatuur in het bestand betreffende de meteogegevens van het bestudeerde domein. 3.4 Output van het MIMOSA model
De uiteindelijke resultaten van de emissiemodule zijn de emissiegegevens: (i) voor verschillende polluenten: CO, NOx, NMVOS (totaal en opgesplitst naar verschillende componenten als benzeen, tolueen, xyleen, enz.), PM, SO2 en Pb (ii) voor ieder willekeurig gekozen tijdstip of periode op een jaar (uitgedrukt als maand, dag, uur); in elk van de 1963 wegsegmenten deel uit makend van het wegennetwerk VOC emissies op vrijdag 26-01-1996 1,8 evap
Emissies (ton)
1,5
hot cold
1,2 0,9 0,6 0,3 0,0 1
2 3 4
5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tijd van de dag (uur) VOC emissies op vrijdag 9-8-1996
1,8
evap hot
1,5
Emissies (ton)
cold 1,2 0,9 0,6 0,3 0,0 1
2 3 4
5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tijd van de dag (uur)
Figure 4: Verloop van de uurlijkse NMVOS emissies (ton) geïntegreerd over de Antwerpen agglomeratie op vrijdag 26 januari 1996 en vrijdag 9 augustus 1996.
29
Figuur 4 toont het gemodelleerde emissieverloop op de koudste en de warmste dag in 1996 voor NMVOS. Daarnaast kunnen de resultaten per wegsegment in de tijd worden geïntegreerd om zo bijvoorbeeld jaargemiddelden te bekomen. Anderzijds kunnen de momentane of jaargemiddelde emissies per wegsegment worden geaggregeerd tot bijvoorbeeld een jaargemiddelde per gemeente of een tot een zelfgekozen aantal roostervlakken. Figuur 5 toont de jaargemiddelde NOx emissies (1996) geaggregeerd tot een rooster van 1 km x 1 km.
Figure 5: Totaal NOx emissies per km² (ton/jaar) afkomstig van het verkeer.
Een vergelijking van de verkregen resultaten met de jaargemiddelde emissies afkomstig van de Emissie Inventaris voor de Vlaamse Regio (EIVR) duidt aan dat in de EIVR de geïnventariseerde emissies voor snelwegen en de belangrijkste gewestwegen duidelijk op de voorgrond treden, terwijl aan secundaire wegen binnen en buiten de bebouwde kom eerder een achtergrondwaarde wordt toegekend. 30
3.5 Validatie van het model
Om een beeld te krijgen van de nauwkeurigheid en de onzekerheden in het model werden de gemodelleerde verkeersstromen op verschillende momenten in 1996 vergeleken met de geobserveerde aantallen voertuigen (Mensink, 2000). De verkeerstellingen komen uit het jaarlijks rapport van de Verkeerspolitie Antwerpen voor het jaar 1996 (Verkeerspolitie, 1998). De tellingen werden uitgevoerd in de periode september-oktober 1996 (tussen 16u30 en 17u30) op een dertigtal plaatsen. De cijfers werden verder geëxtrapoleerd voor het gans jaar 1996. Deze vergelijking gebeurde voor verschillende wegtypen (Figuur 6).
Gemeten aantal voertuigen
10000
1000
100 100
1000
10000
Gemodellerde aantal voertuigen
Figuur 6: Gemodellerde versus gemeten verkeersfluxen voor snelwegen (¨), gewestwegen (s), stedelijke doorgangswegen (n) en secundaire wegen (·).
De regressiecoefficient (r²) was 0.94. Dit goede resultaat is echter moeilijk interpreteerbaar indien grote aantallen (~ 8000 voertuigen) moeten vergeleken worden met resultaten verkregen voor kleinere aantallen (~ 400 voertuigen) in dezelfde grafiek. De enige conclusie die getrokken kan worden is dat voor snelwegen (¨), gewestwegen (s) en stedelijke doorgangswegen (n) een goede overeenstemming werd gevonden. Voor de secundaire wegen (·) binnen de bebouwde kom was dit minder het geval. De verkeersstromen op deze kleinere wegen vertonen duidelijk een minder uniform of constant patroon dan de grotere doorgangswegen en snelwegen. Denk bijvoorbeeld aan secundaire wegen in de buurt van een school: deze wegen zullen een zeer specifiek tijdspatroon vertonen dat niet correct wordt gerepresenteerd door de uniforme emissietijdsfactoren in de vergelijking. Tabel 8: Vergelijking van gemodelleerde en gemeten emissiefactoren voor CO, NOx en VOS. De variatieintervallen van gemodelleerde warme emissiefactoren zijn tussen haakjes gezet.
Emissiefactoren (g.km-1) CO - warm CO – koud NOx - warm NOx – koud VOS - warm VOS – koud
Gemodellerde waarden 2.6 7.5 (4.8 – 11.2) 0.38 0.63 (0.52 – 0.77) 0.25 1.11 (0.61 – 1.57)
Gemeten waarden 7.2 ± 5.0 15.1 ± 4.5 0.25 ± 0.20 0.32 ± 0.20 1.1 ± 1.0 2.2 ± 1.1
31
In dezelfde publicatie werd een verdere validatie uitgevoerd door de gemodelleerde emissiefactoren te vergelijken met gemeten emissiefactoren in realistische omstandigheden op de weg (Tabel 8). Hiervoor werd gebruik gemaakt van de meetresultaten zoals gepubliceerd door De Vlieger (1997) voor zes benzinepersonenvoertuigen voorzien van een drieweg katalysator. De variatieintervallen (waarden tussen haakjes gezet) voor emissiefactoren van een koude start zijn de variaties t.g.v. veranderingen in buitentemperatuur. De resultaten van deze vergelijking laten zien dat het model de CO en NMVOS emissiefactoren onderschat, terwijl de emissiefactoren voor NOx licht worden overschat. Dit is typisch wanneer ‘on-the-road’ metingen vergeleken worden met resultaten uitgevoerd op basis van rollenbanktesten.
32
Hoofdstuk 4: Toepassingen van de MIMOSA module. Verschillende toepassingen van de MIMOSA module werden in het verleden uitgevoerd, zowel voor validatie als voor vergelijking met andere modellen. Twee van deze toepassingen worden hier kort beschreven: de Pobielskistrasse oefening en de toepassing in het Aurora model. 4.1 De Pobielskistrasse oefening
In het kader van deze internationale vergelijkingsoefening worden een 24-tal verkeers-, emissie- en dispersiemodellen getest. De bedoeling is de concentraties van bBenzeen, NOx en CO te berekenen op verschillende plaatsen in één straat in Hanover: de Pobielski straat. In een eerste fase werd er geen informatie in verband met de verkeerstatistiek aan de deelnemer gegeven buiten de totale hoeveelheid voertuigen per dag. Straatafmetingen en jaarlijkse achtergrond waarden van de te beschouwen polluenten werden wel beschikbaar gesteld. In de tweede fase van de oefening werd de voertuigverdeling gegeven. De MIMOSA module werd dus aangepast om emissies te kunnen berekenen in die straat alleen. Voor de eerste deel van de oefening werd de voertuigverdeling geldig voor de stad Antwerpen gebruikt, terwijl de opgegeven cijfers werden gebruikt in de tweede fase. De berekeningen werden uitgevoerd op uur basis maar de resultaten werden uitgedrukt als jaarlijkse gemiddelden. De resultaten (participant nummer 18) waren in goede overeenkomst met de resultaten van de meerderheid van de andere modellen. Figuur 7 toont de resultaten voor de jaarlijkse emissiedensiteit (mg.m-1.s-1) van NOx in één van de receptorenpunten in de Pobielski straat. Step 1 en 2 refereren respectievelijk tot de fase 1 en 2 van de oefening.
Figuur 7: jaarlijkse emissiedensiteit van NOx
De emissies werden dan gekoppeld aan een dispersie model (het OSPM model) om de concentraties te berekenen voor de verschillende receptorenpunten. Figuur 8 geeft de 33
resultaten voor jaarlijkse gemiddelde concentraties in NOx en benzeen weer voor het receptorpunt n°1.
Figuur 8: Jaarlijkse gemiddelde concentraties in NOx en benzeen voor receptorpunt n°1
De resultaten waren opnieuw in goede overeenkomst met de resultaten van de ander modellen. 4.2 Het Aurora model
In het kader van een eigen onderzoeksproject wordt een emissie- en dispersiemodel ontwikkeld voor stedelijke omgeving. De emissies voor de stad Antwerpen (gebied van 20x20 km) werden berekend met behulp van het MIMOSA programma. De emissies van de 1963 straatstukken werden uurlijks en apart berekend en daarna geïntegreerd per km² en per jaar. Het resultaat voor de jaarlijkse NOx verkeersemissies wordt al getoond in het 3de hoofdstuk (figuur 5, p. 26). Wanneer vergelijking met de EIVR gegevens (figuur 9, zie volgende pagina) is gedaan, merkt men duidelijk het verschil tussen de twee aanpakken: de resultaten van de MIMOSA module zijn veel nauwkeuriger, zeker voor wat betreft het gebied rond het stadcentrum.
Het MIMOSA model kan dus zowel op niveau van één straat als op het niveau van een stad of een land gebruikt worden.
34
Figuur 9: Totaal NOx emissies per km² (ton/jaar) afkomstig van het verkeer volgens EIVR.
35
Hoofdstuk 5: Besluit Tussen de drie methodologieën voorgesteld in het eerste hoofdstuk is de ‘gemiddelde snelheid’ methode de meest bekende en aanvaarde in de wetenschappelijke wereld. Het is ook de methode die gemakkelijkst geïmplementeerd kan worden voor andere gebieden (zowel op kleine als op grote schaal). De twee andere methoden zijn heel complex en vragen veel informatie die dikwijls niet beschikbaar of moelijk te vinden is. Bovendien blijkt de upgrade van gegevens voor nieuwe voertuigen dan moeilijker te zijn. Ondanks zijn ‘state-of-the-art’ karakter, werd de dynamische aanpak ook niet gekozen voor the MEET methodologie. Het verkeersstromenmodel voor Antwerpen bevat o.a. een wegennetwerk met 1963 segmenten en heeft een vrijwel identieke structuur als het verkeers- en vervoersmodel zoals voorgesteld in het bestek (TRIPS software). Het MIMOSA model wordt tot nu toe toegepast voor verschillende situaties. Het kan zowel op het straatniveau als op het niveau van een stad of een land gebruikt worden. Bepaalde aanpassingen zijn nog nodig om de nieuwste cijfers van COPERT-III / MEET methodologie in te brengen en om gepaste verkeersstatiestiek te gebruiken voor Vlaanderen. Hiervoor zal worden gerapporteerd in een volgend tussentijds verslag. De INFRAS methodologie zal ook geïmplementeerd worden als een optionele keuze voor de eindgebruiker. Het grootste probleem om deze methode te gebruiken is waarschijnlijk het gebrek aan nodige gegevens om de dynamische simulatie uit te voeren. Het TRIPS model geeft inderdaad geen informatie over de ogenblikkelijk toestand van de verschillende voertuigen. Andere aanpassingen (zoals b.v. de PM10 emissie voor benzine wagens…) kunnen gehaald worden uit andere bestaande modellen (zie hoofdstuk 2).
36
Bijlage 1: Oplsplisting van de NMVOS componenten B1.1 Volgens Duffy
In Duffy et al. (1999) werden de NMVOS componenten in 47 subcategorieën onderverdeeld. Deze verdeling wordt voor het Australische wagenpark gedefinieerd op basis van rollenbanktesten. Een verschil werd ook gemaakt tussen (i) benzine, diesel and LPG wagens en (ii) conventionele en 3-weg katalysator benzinewagens. Bovendien werd de verdeling tussen de verschillende componenten ook beschreven in functie van de toestand van de motor; warm of koud. Tenslotte werd de verdeling van de componenten voor emissies door verdamping van zowel warme als koude motoren ook in rekening gebracht.
benzene toluene ethylbenzene m & p-xylene o-xylene styrene 1,2,4-trimethylbenzene 1,3,5-trimethylbenzene n-heptane n-octane nonane ethane ethene (ethylene) propane propene ethyne (acetylene) propyne i-butane n-butane 1-butene + i butene trans-2-butene cis-2-butene butyne cyclopentene cyclopentane i-pentane n-pentane 1,3-butadiene isoprene C5 unsaturates methylcyclopentane cyclohexane 2,3-dimethylbutane 2-methylpentane 3-methylpentane n-hexane C6 unsaturated C7 cycloalkanes 2,4-dimethylpentane methylcyclohexane 2- & 3-methylhexane 2,2,4-trimethylpentane decane m & p ethyltoluene n-propylbenzene o-ethyltoluene undefined hydrocarbons
convent. warm benzine 0.085 0.146 0.021 0.074 0.025 0.003 0.012 0.006 0.006 0.002 0.001 0.011 0.065 0.002 0.057 0.075 0.009 0.01 0.023 0.025 0.005 0.004 0.004 0.002 0.002 0.07 0.041 0.011 0.001 0.016 0.008 0.002 0.005 0.025 0.021 0.018 0.009 0.003 0.003 0.002 0.02 0.004 0.001 0.015 0.004 0.004 0.042
3-weg katal. warm benzine 0.095 0.13 0.018 0.073 0.025 0.001 0.009 0.006 0.008 0.003 0.001 0.027 0.071 0.003 0.036 0.04 0.002 0.015 0.033 0.017 0.004 0.004 0.005 0.001 0.003 0.098 0.051 0.006 0.001 0.013 0.011 0.001 0.006 0.036 0.027 0.024 0.007 0.004 0.004 0.003 0.026 0.005 0.001 0.013 0.003 0.004 0.026
convent. verdamp. benzine 0.035 0.045 0.004 0.017 0.005 0 0.001 0.001 0.005 0.001 0 0 0 0.006 0.001 0 0 0.057 0.119 0.005 0.006 0.006 0.007 0.002 0.004 0.295 0.137 0.001 0.003 0.042 0.014 0.002 0.012 0.048 0.037 0.029 0.014 0.002 0.003 0.002 0.016 0.002 0 0.004 0.001 0.001 0.008
3-weg katal. verdamp. benzine 0.047 0.104 0.01 0.046 0.015 0.009 0.015 0.004 0.004 0.002 0 0.002 0.002 0.046 0.001 0.001 0 0.089 0.15 0.008 0.008 0.007 0.001 0.001 0.004 0.176 0.078 0.001 0.001 0.03 0.009 0.001 0.004 0.031 0.02 0.019 0.009 0.002 0.002 0.002 0.009 0.001 0 0.016 0.006 0.005 0.002
convent. koud benzine 0.081 0.15 0.022 0.081 0.026 0.003 0.011 0.007 0.008 0.002 0.001 0.008 0.059 0.003 0.043 0.049 0.007 0.009 0.027 0.02 0.005 0.003 0.005 0.002 0.002 0.074 0.047 0.011 0.001 0.02 0.01 0.002 0.007 0.03 0.027 0.023 0.013 0.004 0.004 0.003 0.026 0.004 0.002 0.015 0.004 0.003 0.039
3-weg katal. koud benzine 0.083 0.136 0.02 0.085 0.028 0.001 0.008 0.007 0.008 0.003 0.001 0.012 0.056 0.001 0.028 0.126 0.002 0.01 0.021 0.015 0.003 0.004 0.004 0.001 0.002 0.07 0.038 0.005 0.001 0.015 0.01 0.001 0.005 0.03 0.024 0.021 0.018 0.004 0.003 0.003 0.025 0.004 0.001 0.013 0.002 0.004 0.038
alle diesel
alle LPG
0.02 0.015 0.005 0.015 0.005 0 0 0 0 0 0 0.01 0.12 0.01 0.03 0.04 0 0 0.02 0 0 0 0 0 0 0 0.02 0.02 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.67
0 0 0 0 0.001 0 0 0 0 0 0 0.03 0.15 0.439 0.1 0.22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.06
37
De opsplitsing wordt gedefinieerd voor zowel benzinewagens als voor dieselwagens en wagens die LPG gebruiken. Een bijkomende opsplitsing wordt gemaakt tussen conventionele en 3-weg katalysator benzinewagens. Bovendien wordt er ook een categorie gedefinieerd voor de verdamping van benzine tijdens het rijden (‘running losses’) van de conventionele benzinewagens. Alle categorieën worden gedefinieerd voor warme motoren. B1.2 Volgens Veldt
In de Veldt opsplitsing (zie Ahlvik et al., 1997) worden er maar 42 component in rekening gebracht. Dezelfde onderverdeling voor benzine, diesel en LPG, als voor conventioneel of 3weg katalysatorwagens wordt gemaakt. Er wordt geen onderscheid gemaakt tussen warme en koude motoren, maar men heeft wel rekening gehouden met verdampingsemissies van warme motoren.
benzeen tolueen ethylbenzeen mp-xyleen o-xyleen styreen 1,2,4-trimethylbenzeen 1,3,5-trimethylbenzeen heptaan octaan nonaan ethaan propaan n-butaan i-butaan n-pentaan i-pentaan hexaan alkanen C>10 ethyleen acetyleen propyleen propadieen methylacetyleen 1-buteen 1,3-butadieen 2-buteen 1-penteen 2-penteen 1-hexeen 1,3-hexeen alkenen C>7 1,2,3-trimethylbenzeen andere aromaten C9 aromaten C>10 formaldehyde acetaldehyde andere aldehyde C4 arcolein 2-butenal benzaldehyde aceton
convent. warm benzine 0.045 0.12 0.021 0.056 0.025 0.007 0.026 0.008 0.046 0.079 0.023 0.014 0.001 0.031 0.012 0.021 0.043 0.071 0.009 0.072 0.045 0.038 0.002 0.003 0.017 0.008 0.006 0.007 0.011 0.006 0.006 0.003 0.005 0.038 0.045 0.017 0.003 0.003 0.002 0 0.004 0.001
3-weg katal. warm benzine 0.035 0.07 0.015 0.04 0.02 0.005 0.04 0.02 0.05 0.07 0.02 0.018 0.01 0.055 0.015 0.032 0.07 0.06 0.03 0.07 0.045 0.025 0 0.002 0.015 0.005 0.005 0.005 0.01 0.004 0.004 0.002 0.01 0.03 0.06 0.011 0.005 0.002 0.002 0 0.003 0.01
convent. verdamp. benzine 0.01 0.01 0 0.005 0 0 0 0 0.02 0 0 0 0.01 0.2 0.1 0.15 0.25 0.15 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0.02 0.02 0.03 0 0.015 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3-weg katal. verdamp. benzine 0.01 0.01 0 0.005 0 0 0 0 0.02 0 0 0 0.01 0.2 0.1 0.15 0.25 0.15 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0.02 0.02 0.03 0 0.015 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
convent. koud benzine 0.045 0.12 0.021 0.056 0.025 0.007 0.026 0.008 0.046 0.079 0.023 0.014 0.001 0.031 0.012 0.021 0.043 0.071 0.009 0.072 0.045 0.038 0.002 0.003 0.017 0.008 0.006 0.007 0.011 0.006 0.006 0.003 0.005 0.038 0.045 0.017 0.003 0.003 0.002 0 0.004 0.001
3-weg katal. koud benzine 0.035 0.07 0.015 0.04 0.02 0.005 0.04 0.02 0.05 0.07 0.02 0.018 0.01 0.055 0.015 0.032 0.07 0.06 0.03 0.07 0.045 0.025 0 0.002 0.015 0.005 0.005 0.005 0.01 0.004 0.004 0.002 0.01 0.03 0.06 0.011 0.005 0.002 0.002 0 0.003 0.01
alle diesel
alle LPG
0.02 0.015 0.005 0.015 0.005 0 0 0 0 0 0 0.01 0.01 0.02 0 0.02 0 0 0.3 0.12 0.04 0.03 0 0 0 0.02 0 0 0.01 0 0 0.02 0 0 0.2 0.06 0.02 0.015 0.015 0.01 0.005 0.015
0 0 0 0 0 0.001 0 0 0 0 0 0.03 0.439 0 0 0 0 0 0 0.15 0.22 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.04 0.02 0 0 0 0 0
38
Om deze verdeling te kunnen vergelijken met de verdeling voorgesteld door Duffy et al. (1999) moesten twee aannames gebeuren. Er wordt verondersteld dat: (i) de verdeling van de componenten voor koude motoren (zowel conventionele als 3-weg katalysatoren benzinewagens) gelijkaardig is aan degenen gebruikt voor warme motoren (ii) de verdeling gebruikt voor verdamping voor de 3-weg katalysator benzinewagens exact dezelfde zijn als degene gedefinieerd voor de conventionele benzinewagens. Deze twee hypothesen zijn zeker niet perfect maar werden genomen wegens gebrek aan nauwkeurigere gegevens.
39
Referenties Ahlvik, P., Eggleston, E., Gorissen, N., Hassel, D., Hickman, A.-J., Joumard, R., Ntziachristos, L., Rijkeboer, R., Samaras, Z. and Zierock, K.-H. (1997). COPERT-II Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport, Methodology and emission factors, 2nd edition, European Environmental Agency, European Topic Center on Air Emissions. BUWAL (1998) NOREM Database for non-regulated emissions from motor vehicles, SAEFL, BUWAL, OFEFP, cd-rom.
BUWAL (1999) Handbuch Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs, INFRAS, BUWAL, OFEFP, cd-rom. CONCAWE (1990) The effects of temperature and fuel volatility on vehicle evaporative emissions, Report Nr. 90/51. Cornu, K., De Vlieger, I., Mensink, C., De Nocker, L., Duerinck, J. and Craps, R. (1999). Overzicht van de modellen in verband met luchtverontreiniging en transport ontwikkeld door Vito, Vito rapport nummer V&M/N5530/KC/9902, Maart 1999, p.18. Cornu, K. (2000). Het TEMAT model: handleiding, Vito rapport, september 2000, 50 blz. COST-346 (2000). European Co-operation in the Field of Scientific and Technical Research – Actie COST346 “Emissions and Fuel Consumption from Heavy Duty Vehicles” – 3rd Update of the Progress Report 2/11/2000: Literature Review on Vehicle Models. De Vlieger, I. (1997). On-board emission and fuel consumption measurement campaign on petroldriven passenger cars, Atmosph. Environ, 31( 22), 3753-3761. Duffy, B.L., Nelson, P.F., Ye, Y. and Weeks, I.A. (1999). Speciated hydrocarbon profiles and calculated reactivities of exhaust and evaporative emissions from 82 in-use light-duty Australian vehicles, Atmos.Environ., 33, 291-307. Eggleston S., N. Gorißen, R. Joumard, R.C. Rijkeboer, Z. Samaras & K.-H. Zierock (1989) CORINAIR Working Group on Emission Factors for Calculating 1985 Emissions from Road Traffic. Volume 1: Methodology and Emission Factors, Final Report Contract Nr. 88/6611/0067, EUR 12260EN. Eggleston S., D. Gaudioso, N. Gorißen, R. Joumard, R.C. Rijkeboer, Z. Samaras & K.-H. Zierock (1993) CORINAIR Working Group on Emission Factors for Calculating 1990 Emissions from Road Traffic. Volume 1: Methodology and Emission Factors, Final Report, Document of the European Commission ISBN 92-826-5571-X EMIS (1999) http://www.emis.vito.be/index.htm European Commision, Standard & Poor’s DRI and K.U.Leuven (1999). The AOP II Costeffectiveness Study. Part II: The TREMOVE Model 1.3, Draft Final Report, August 1999. Geuzens, P., Cornelis, C., Craps, R., De Vlieger, I., Mensink, C., Schoeters, G., Witters, H., Goyvaerts, M.P., Weltens, R., Tack, F. en Verloo, M. (1998). Verspreiding van zware metalen in: MIRA-T 1998 Milieu- en natuurrapport Vlaanderen: thema’s, Wetenschappelijke rapporten, Vlaamse Milieumaatschappij, Erembodegem, 69-83.
Hickman, A.J., D. Hassel, R. Joumard, Z. Samaras & S. Sorenson (1999) Methodology for Calculating transport emissions and energy consumption, Deliverable 22 of the MEET project, TRL Report Nr. PR/SE/491/98, p. 362, Crowthorne, UK. Hulshoff, J. (1991). The LOTOS-Inventory 1986, Data description, TNO, 1991. Jost, P., Hassel, D. and Weber, F.-J. (1992). Emission and Fuel Consumption Modelling Based on Continuous Measurments, deliverable n°7 of the DRIVE Project V1053, TUV Rheinland, Cologne, Germany. Lacour, S., Joumard, R. and André, M. (2000). Excploration des voies d’amélioration des modèles d’émissions instantanées des voitures particulières, Proceedings of the conférence ’Transport and air pollution’, Ed. Robert Joumard, Avignon, 5-8 june 2000, volume 1,111-118. Lenhart, L., Heymann, M. and Friedrich, R. (1995). The temporal variation of emission data, part A: background, http://eionet.eea.eu.int/aegb/backgrou/atmp.htm, 1-29. Mc Innes, G., (ed.) (1996) Atmospheric emission inventory guide book, A joint EMEP/CORINAIR Production, European Environmental Agency, Copenhagen. MEET (1999). Methodology for Calculating transport emissions and energy consumption, Transport Research, 4th Framework Programme, Strategic Research, DG VII, ISBN 92-828-6785-4. Meinl, H., Münch, J., Schubert, S. and Stern, R. (1989). PHOXA Emissions data base within the framework of control strategy development, PHOXA-repotrt n°1, MT-TNO report 88-120, Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Apeldoorn 1989. Mensink, C., (2000). Validation of urban emission inventories, Environ. Monitoring and Assessment, 65, 31-39. Mensink, C., De Vlieger, I., Nys, J., (2000a). An urban transport emission model for the Antwerp area, Atmos. Environ., 34, 4595-4602. Mensink, C., Bomans, B. and Janssen, L., (2000b). An assessment of urban VOC emissions and concentrations by comparing model results and measurments, submitted to Int. J. Environment and Pollution. Mensink, C., Van Rensbergen, J., Viaene, P., De Vlieger, I. and Beirens, F. (1999). Temporal and spatial emission modelling for urban environments using emission measurement data, in: Borell, P.M. and Borell, P. (eds.) Proceedings of EUROTRAC Symposium ‘98, WITpress, Southampton (in press). Mensink, C. & De Vlieger, I. (1998). Regional scale modelling of acidification associated with road transport and road transport scenarios, Int. J. Vehicle Design, 20(1-4), 335-343. Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap (1997). Verkeerstellingen 1996, Rapport nr. 196. Department Leefmilieu en Infrastructuur, Administratie Wegen en Verkeer, Brussel, Belgium. Ntziachristos, L. & Z. Samaras (1997) COPERT-II (Computer Programme to Calculate Emissions from Road Traffic) – Users Manual, Final Draft, European Topic Centre on Air Emissions, http://vergina.eng.auth.gr/mech/lat/copert/copert.htm, Thessaloniki, p. 50. Ntziachristos, L. & Z. Samaras (1999) COPERT-III (Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport) – Methodology and Emission Factors – (Final Draft Report), LAT/AUTh., http://vergina.eng.auth.gr/mech/lat/copert/copert.htm, p. 83
Nys, J. (1995). Computer programma stedelijke verkeersplanning, Stad Antwerpen, planologie GSA, Antwerpen, België. Pishinger, J. & Haghofer, J. (1984). Eine methode zur berechnung des kraftstoffverbauches und der schadstoffemissionen von kraftfahrzeugen aus dem geschwindigkeitsverlauf, XX Fisita Congress, SAE 845114, 12. Rijkeboer, R.C. (1997) Emission Factors for mopeds and motorcycles, TNO-rapport nr. 97.OR.VM.31.1/RR, Delft; Nederland. Samaras, Z. & Zachariadis, T. (1998). Modelling the emissions of road vehicles at macroscale and microscale. In: Air Pollution Emissions Inventory. Eds. H. Power and J.M. Baldasano, ISBN 1853125172, Computanional Mechanics Publications, 71-133. Samaras, Z. & L. Ntziachristos (1998) Average Hot Emissions Factors for Passenger Cars and Light Duty Vehicles, Task 1.2./Deliverable 7 of the MEET project, LAT Report Nr. 9811, Thessaloniki, Griekenland Samaras, Z., Zafiris, D., Pethainos, D. and Zierock, K.-H. (1993). Forecast of Road Traffic Emissions in the European Community up to the yaer 2010, Sc. Total Environ., 134, 251-262. Senger, R. D. (1997). Validation of ADVISOR as a Simulation Tool for a Series Hybrid Electric Vehicle Using the Virginia Tech FutureCar Lumina, Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, USA Sérié, E. & Joumard R. (1998). Modelling of pollutant emissions during cold start for road vehicles, Int. J. Vehicle Design, 20(1-4), 172-180. Sturm, P.J., Pucher, K. and Almbauer, R.A. (1994). Determination of Motor Vehicle Emissions as a Function of the Driving Behavior, Proceedings of the International Conférence on ‘The Emission Inventory: Perception and Reality’, Pasadena, California, VIP-38, Air and Waste Managm. Assoc., Pittsburgh, Pennsylvania, 483-494. Sturm,P.J., Kirchweger, G., Hausberger, S. and Almbauer, R.A. (1998). Instantaneous emissions data and their use in estimating road traffic emissions, Int. J. Vehicle Design, 20(1-4) special issue, 181191. US-EPA (1992). User’s Guide to MOBILE5, test and Evaluation Branch, Office of Air and Radiation, Draft 4a, December 1992. Van Mierlo, J. (2000a). Simulation software for comparison and design of electric, hybrd electric and internal combustion vehicles with respect to energy, emissions and performances, Doctoraatsthesis, VUB, juni 2000. Van Mierlo, J. (2000b). To predict global traffic emissions at urban or regional level as well as to assess policies, vehicle motion models in combination with traffic simulation models are to be preferred above data out of international regulations or derived from emission factors based on average vehicle velocities, Annex doctoraatsthesis, V.U.B., juni 2000 Veldt, C. (1992). Updating and upgrating the PHOXA emission data base to 1990, TNO report, TNO Institute of Environmental and Energy Technology, Apeldoorn, March 1992. Verkeerspolitie Antwerpen (1998) Jaarrapport 1996, Antwerpen, België. Vlaamse MilieuMaatschappij (VMM) (1999). Lozingen in de lucht 1997-1998, Vlaamse Milieumaatschappij, Erembodegem.
Zachariadis, T. & Samaras, Z. (1999). An integrated modeling system for the estimation of motor vehicle emissions, J. Air & Waste Managm., 49(9), 1010-1026.
.
