Emissioner af drivhusgasser fra tunge køretøjer på biogas

Transkript

1 DCE DANISH CENTRE for ENVIRONMENT and ENERGY 28 August 2017 Emissioner af drivhusgasser fra tunge køretøjer på biogas Morten Winther & Steen Solvang Jensen UNI VERSI TET

2 Indledning I Danmark er det politiske mål en omstilling til et lavemissionssamfund inden 2050 Vejtransport er en stor kilde til emission af drivhusgasser (GHG) For lette køretøjer kan elbiler og plug-in hybrider elektrificere bestanden i fremtiden. Brint er også en mulighed El til lastbiler er ikke en realistisk mulighed pga. køretøjsvægt og begrænset mulighed for hyppig opladning Biodiesel som brændstof begrænses måske af de tilgængelige mængde af bioressourcer i samfundet 2

3 Indledning Naturgas (metan eller CH 4 ) virker i stedet som det mest lovende brændstofalternativ for tunge køretøjer i Danmark Danmark har et stort potentiale for biogasproduktion fra forskellige organiske kilder, f.eks. gylle, halm og husholdningsaffald Efter opgradering (biogas naturgas), kan biogassen fordeles i det eksisterende naturgasnet Derfor er der en stærk politisk, administrativ og kommerciel interesse for udnyttelse og anvendelse af biogas i Danmark 3

4 Indledning Denne præsentation forklarer CH 4 tabet og de samlede GHG emissionsbesparelser ved at bruge opgraderet biogas som brændstof til tunge køretøjer i Danmark. Der fokuseres på emissionerne i forbindelse med køretøjernes drift og emissionerne fra tankning af brændstoffet. Emissionerne beregnes for scenarieåret 2035, hvor nysalget antages at skifte fra dieseldrevne Euro VI køretøjer til Euro VI CNG eller LNG-køretøjer i de foregående år 4

5 Indhold AARHUS UNIVERSITY Total energiforbrug for lastbiler og busser i diesel reference scenariet Kort beskrivelse af CNG (Compressed Natural Gas) og LNG (Liquefied Natural Gas) køretøjer, og de hovedantagelser der gøres i biogas scenariet Kilder til CH 4 for CNG/LNG, og vise høj/lav CH 4 tab faktorer Resultater for emissionsscenarierne Konklusion 5

6 Diesel reference scenariet De tunge køretøjer opdeles i sololastbiler, lastbiler m. anhænger/sættevogn og busser FC = N veh x Åk ann (km) x E FC (MJ/km) Bestande, årskørsler og hastigheder: DTU og Vejdirektoratet Bestand og faktorer for energiforbrug opdeles i EU trin: Pre Euro og Euro I-VI Type/size Sololastbiler 3,5-7,5t Sololastbiler 7,5-12t Sololastbiler t Sololastbiler 14-20t Sololastbiler 20-26t Sololastbiler 26-28t Sololastbiler 28-32t Sololastbiler >32t TT/ AT 28-34t TT/ AT 34-40t TT/ AT 40-50t TT/ AT 50-60t TT/ AT >60t Rutebusser <15t Rutebusser 15-18t Rutebusser >18t Turistbusser <15t Turistbusser 15-18t Turistbusser >18t TT/AT: m. anhænger el. sættevogn 6

7 PJ AARHUS Energiforbrug UNIVERSITY for sololastbiler Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI PJ Energiforbrug for lastbiler (anh./sættevogn) Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI PJ Energiforbrug for rutebusser PJ 2,5 2 1,5 1 0,5 Energiforbrug for turistbusser Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI Conventional Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI Euro VI dominerer mere og mere efterhånden som de gamle teknologier udfases Tra fikda ge Energiforbrugsandelene for Euro VI beregnes til hhv. august %, 95 % 28. og august % i , 2025 og 2030

8 Euro VI diesel i nærmere detaljer PJ 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Energiforbrug for Euro VI lastbiler i 2035 Størst energiforbrug 40-50t og 34-40t trucks; hhv. 46 % og 21 % (bemærk skaleringen på akserne). 2035: I alt 45 PJ diesel. En total omstilling til naturgas kræver 48 PJ, pga. dårligere brændstoføkonomi for gaskøretøjer PJ 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Energiforbrug for Euro VI busser i

9 CNG køretøjer kort beskrivelse CNG: Compressed Natural Gas Brændstoffet opbevares ombord i tryktank ( bar) SI motor der fungerer på samme måde som en benzinmotor Dagens CNG biler opfylder Euro VI normen, og er udstyret med katalysator CNG har kortere kørerækkevidde pr. tank sammenlignet med diesel 9

10 CNG køretøjer kort beskrivelse CNG brændstoføkonomi ift. diesel: Store forskelle i testresultater. Et 19 % højere gennemsnitligt forbrug på 19 % blev bestemt i Rammevilkårsrapporten 1 Højere forbrug pga. lavere kompressionsforhold i motoren samt spjæld i indsugningen. Fremtidige motorer uden spjæld forventes at forbedre brændstoføkonomien væsentligt I projektet bruges en 10 % højere energiforbrugsfaktor for CNG i biogasscenariet i COWI/ Energistyrelsen: Rammevilkår for gas til tung vejtransport, 150 s., december

11 CNG køretøjer kort beskrivelse CNG brændstoføkonomi ift. diesel: Store forskelle i testresultater. Et 19 % højere gennemsnitligt forbrug på 19 % blev bestemt i Rammevilkårsrapporten 1 Fremtidige motorer uden spjæld i indsugningen forventes at forbedre brændstoføkonomien væsentligt I projektet bruges en 10 % højere energiforbrugsfaktor for CNG i biogasscenariet i COWI/ Energistyrelsen: Rammevilkår for gas til tung vejtransport, 150 s., december

12 CNG køretøjer kort beskrivelse NO x og partikler: Ingen signifikante emissionsforskelle mellem naturgas og diesel Euro VI, baseret på de begrænsede måledata der eksisterer pt. 1,2 1 COWI/ Energistyrelsen: Rammevilkår for gas til tung vejtransport, 150 s., december Teknologisk Institut (2015): Måleprogram for tunge CNG køretøjer, 60 s., oktober

13 CNG køretøjer substitution CNG erstatter diesel sololastbiler og busser i biogas scenariet CNG kan opfylde mindre lastbiler og bussers behov for kørselsrækkevidde Der er CNG lastbiler til salg i Danmark (op til 320 hk) 1, en god forudsætning 1 Naturgaskøretøjer til salg I Danmark, Dansk Gasteknisk Center 13

14 LNG køretøjer kort beskrivelse LNG: Liquefied Natural Gas Brændstoffet opbevares ombord i vakuumisolerede tanke (3-10 bar, -160 o C) Dual fuel engine (bruger 5 % diesel som pilotindsprøjtning); fungerer som en dieselmotor 14

15 LNG køretøjer kort beskrivelse Emissioner svarende til Euro VI, udstyret med DOC, SCR og DPF Længere km rækkevidde end CNG, pga. mere brændstof ombord Brændstoføkonomi: 10 % dårligere end diesel (ICCT, 2015) 1 1 Delgado, O., Muncrief, R.: Assessment of heavy-duty natural gas vehicle emissions: Implications and policy recommendations, The International Council on Clean Transportation (ICCT), White Paper, 34 pp., July

16 LNG køretøjer kort beskrivelse LNG erstatter de største lastbiler (m. anhænger eller sættevogn) i biogas scenariet LNG opfylder behovet for stor km rækkevidde for største lastbiler Motorstørrelser op til 600 hk er allerede på markedet f.eks. i USA Indførelsen af LNG som brændstof til vejtransport i Europa understøttes EU direktiv 2014/94, der pålægger medlemslandene at etablere en infrastruktur med LNG tankningsfaciliteter langs de vigtigste hovedfærdselsårer (TEN T: Trans European Road Network) i EU inden

17 CH 4 tab fra CNG køretøjer 1 Kilder for CNG: CH 4 i udstødningen CH 4 fra krumtaphuset: blow by emissions, læk af CH 4 mellem stempelringe og cylindervægge, der efterfølgende slipper ud i den omgivende luft 1 Delgado, O., Muncrief, R.: Assessment of heavy-duty natural gas vehicle emissions: Implications and policy recommendations, The International Council on Clean Transportation (ICCT), White Paper, 34 pp., July

18 CH 4 tab fra LNG køretøjer 1 Kilder for LNG: CH 4 i udstødningen CH 4 udluftning pga. trykregulering i brændstofindsprøjtningssystemet Derudover udluftes CH 4 af sikkerhedsmæssige årsager ved trykudløsning fra LNG-køretøjernes brændstoftank 1 Delgado, O., Muncrief, R.: Assessment of heavy-duty natural gas vehicle emissions: Implications and policy recommendations, The International Council on Clean Transportation (ICCT), White Paper, 34 pp., July

19 CH 4 tab på tankstationerne 1 CH 4 tab fra rør og rørsamlinger (CNG) Små CH 4 udslip ved til- og frakobling af tankdyser i forbindelse med tankning af køretøjet CNG: Kompressortab LNG: CH 4 afdampning fra lagertankene LNG: CH 4 udluftning fra køretøjernes brændstoftanke før tankning 1 Delgado, O., Muncrief, R.: Assessment of heavy-duty natural gas vehicle emissions: Implications and policy recommendations, The International Council on Clean Transportation (ICCT), White Paper, 34 pp., July

20 Emissionsfaktorer og faktorer for CH 4 tab Diesel reference scenariet: CH 4, N 2 O: COPERT IV emissionsmodellen CO 2 : Energistyrelsen (10 % iblanding af biodiesel) CNG/LNG: CH 4 tab: ICCT (2015) baseret på litteraturstudie CH 4 i udstødningen: DTI (2015) 1, målinger på Euro VI motorer CH4 tab (% af brændstof leveret) CH4 kilde Ref. Lavt tab Højt tab Udstødning DTI (2015) 0,003 0,2 Motortab/tankfordampning ICCT (2015) 0,4 0,8 Tankstation ICCT (2015) 0,3 0,3 1 Teknologisk Institut (2015): Måleprogram for tunge CNG køretøjer, 60 s., oktober

21 Beregningsmetode EE CCCC4 = FFFF GGGG 1.1 LLLL LLLLLL CCCC4 100 CCCC4 E CH4 = CH 4 emission (tons) FC GJ = Energiforbrug (GJ) for dieselkøretøjer i reference scenariet 1,1: Skaleringsfaktor for brændstoføkonomi for gaskøretøjer der erstatter dieselkøretøjer. LHV CH4 = Nedre brændværdi (LHV: Lower heating value) for CNG/LNG brændstof (47,96 GJ/tons; Energistyrelsen, 2014) LF CH4 = Kildespecifik tabsfaktor for CH 4 (% af leveret brændstof 21

22 ktons CO 2 -ækv CH 4 tab - bio gas scenarie Udstødning Motortab/tankfordampn ing Tankstation Total 0 Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab CH 4 tabet fra hver enkelt kilde er proportional med kildens brændstofrelaterede emissionsfaktor. Ved højt tab er CH 4 emissionen 84 % højere end ved lavt tab. Både ved højt og lavt tab er motortab/tankfordampning den største CH 4 kilde (57 %, 62 %) fulgt af tankstation (43 %, 23 %) og udstødning (0,4 %, 15 %), lav/høj procentandele i parentes. 22

23 2035 tank-to-wheel emissioner 2035 pump-to-wheel emissioner ktons CO2-ækv CH4 N2O CO2 Total ktons CO2-ækv CH4 N2O CO2 Total Reference Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab 0 Reference Biogas lavt CH4 tab Biogas højt CH4 tab Tank-to-wheel emissioner Ved lavt/højt CH 4 tab reduceres drivhusgasserne med hhv. 91 % og 86 % ift. til diesel reference scenariet Pump-to-wheel emissioner: Ved lavt/højt CH 4 tab reduceres drivhusgasserne med hhv. 88 % og 84 % ift. til diesel reference scenariet CO 2 kommer fra 5 % diesel pilotindsprøjtning, N 2 O biogas = diesel 23

24 Konklusion Inputfaktorerne for CH 4 tabet anses som relativt usikre og resultaterne kan derfor ændre sig, hvis nye tabsfaktorer bliver tilgængelige. Baseret på de valgte inputfaktorer bliver CH 4 tabet 84 % højere ved højt tab ift. lavt tab. Motortab/tankfordampning er den største kilde til CH 4 emission, fulgt af tankstationer og udstødning. 24

25 Konklusion Der kan opnås betragtelige drivhusgasreduktioner i både Tank-to-wheel og Pump-to-wheel situationen: Lavt CH 4 tab Højt CH 4 tab Tank-to-wheel 91 % 86 % Pump-to-wheel 88 % 84 % Hvis pilot brændstoffet er ren biodiesel forøges reduktionerne med 4 % point 25

26 Konklusion (Udenfor rammerne af dette studie) opstår der CH 4 tab ved produktionen af biogassen og ved distribution af gassen til tankstationerne Omvendt bliver CH 4 besparelsen fra gyllehåndtering meget stor 26

27 Konklusion Det er dog muligt at give et estimat for CH 4 tabet ved biogasproduktion baseret på data fra et nyere dansk studie Målinger udført på ni biogasanlæg 1 gav et CH 4 tab på hhv. 4.2 % og 0.8 %, før og efter sporing og tætning af opdagede lækager. Når tabet ved produktion medtages kan lav/høj production-to-wheel drivhusgasreduktionerne beregnes til hhv. 82 % og 50 %, ift. diesel reference scenariet. Emissionskæde Lavt CH 4 tab Højt CH 4 tab Tank-to-wheel 91 % 86 % Pump-to-wheel 88 % 84 % Production-to-wheel 82 % 50 % 1 Agrotech (2015): Metanemissioner fra danske biogasanlæg. Klimaeffekter af metanlækager fra biogasanlæg, 11 s., Maj

28 Tak for jeres opmærksomhed! Acknowledgment: The project Biogas for transport - resources, environment and welfare economics is carried out at DCE from The project is an internal project under the Science Program for Sustainable Energy and Environment 28

29 Introduction For overview s sake, the project consist of 8 WP s: WP1, WP2: Biomass resources and potential biogas production (Jørgensen, Møller) WP3: Future energy demand of the transport sector with a focus on road transport heavy duty vehicles (HDV); (Jensen) WP4: Energy consumption and emissions of different HDV s powered by upgraded biogas (Winther) WP5: Health-related external costs of air pollution (Brandt) WP6, WP7: Life-cycle Analysis and Cost-Benefit Analysis (Thomsen, Cong) WP8: Stakeholder involvement and dissemination of results (Jensen) 29

30 30

31 31

32 Emission factors and CH 4 loss factors CNG/LNG CH 4 exhaust: Danish Technological Institute (2015) Measurements for two CNG buses and one CNG truck all certified as Euro VI WHTC test results were selected as realistic values CH 4 High[low] values of %[0.003 %] per unit of fuel CH 4 High ~ 0.47 g/kwh, just below Euro VI limit (= 0.5 g/kwh) 1 Danish Technological Institute (2015): Measurement program for heavy CNG vehicles, 60 pp, Oct st International Transport and Air Pollution Conference 24 th -26 th May May