Emissioner fra skibe i danske farvande beregnet udfra AIS data

Transkript

1 NATIONAL ENVIRONMENTAL RESEARCH INSTITUTE AARHUS UNIVERSITY Emissioner fra skibe i danske farvande beregnet udfra AIS data Emissioner fra skibe og deres helbredseffekter Skibsteknisk Selskab, mandag d. IDA s mødecenter Kalvebod Brygge 31 33, København Morten Winther Aarhus Universitet Danmarks Miljøundersøgelser Afdeling for Systemanalyse

2 Disposition Indledning Inputdata til emissionsopgørelsen Beregningsmetode Resultater Konklusion

3 Indledning Projektet: Emissionsopgørelse for skibe i farvandet omkring Danmark baseret på AIS data, som input til forbedrede beregninger af luftkvaliteten i Danmark. År: 2007, 2011 og Energi, CO 2, SO 2, NO x, partikler, CO og HC. Projektet er delvist financieret af Miljøstyrelsen

4 Inputdata til emissionsopgørelsen AIS data fra Farvandsvæsenet (FRV) Skibsdata fra Lloyd s Register Skibstyper, motortyper, fueltyper, motorlevetider Trafikprognose Motorbelastningsfunktioner Faktorer for energiforbrug og emissioner

5

6 Inputdata til emissionsopgørelsen - AIS data fra Farvandsvæsenet (FRV) IMO kode Lloyd s database MMSI kode Lloyd s database Call sign Lloyd s database Lat-lon koordinater Tidspunkt for AIS signal Dataperioder: 12 todøgnsperioder (én pr måned), dækker alle dagskombinationer

7 No. pr. todøgnsperiode DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Antal skibe registreret i Lloyd's DB Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Måned Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Dato Dag lør-søn man-tir tor-fre ons-tor søn-man fre-lør tir-ons lør-søn tir-ons fre-lør man-tir man-tir Signal (%) Skibe (No.) Antal AIS signaler i alt: 15,575 mio. (79 % genfindes i Lloyd s DB) Ikke identificerede skibe er små fartøjer (iflg. Lloyd s)

8 Inputdata til emissionsopgørelsen - Skibsdata fra Lloyd s Register IMO kode MMSI kode Call sign Hovedmotorstørrelse (kw) 2-takt/4-takt Skibets flag Skibstype opgørelsens 5 skibstyper Opgørelsens skibstyper: Container, bulk, tanker, Ro-Ro cargo, Ro-Ro pass.

9 Inputdata til emissionsopgørelsen - Motortyper, fueltyper, motorlevetider Motor Motorstørrelse Motortype Brændstoftype Motorlevetid (Lloyd s) (kw) (anslået) (anslået) (år, anslået) Gas turbine Gas turbine Diesel 30 2-takt Slow speed (2-takt) HFO 30 4-takt <= 1000 High speed (4-takt) Diesel Medium speed (4-takt) Diesel 30 > 4000 Medium speed (4-takt) HFO 30

10 Inputdata til emissionsopgørelsen - Trafikprognose Danmarks Rederiforening 2007 = 2011 (finanskrisen) : 3-4 % årlig vækst for godstrafik Uændret for færger

11 Motorbelastningsfunktioner for fem forskellige skibstyper: Servicefart (VS) ME service effekt (PS) VS [knots] 20 Container Ships 16 V S = 3,7Ln(P S ) R 2 = P S = 85 % MCR [kw] VS [knots] 13 Bulk carriers VS [knots] 13 Tankers V S = 1.31Ln(P S ) V S = 1.12Ln(P S ) R 2 = 0.73 R 2 = P S = 85 % MCR [kw] P S = 85 % MCR [kw] P cal P s V V obs P cal = Øjeblikkelig motoreffekt (kw) P S = Motorens serviceeffekt (kw) P ME = Hovedmotoreffekt (kw) V obs = Øjeblikkelig sejlfart (knob) V S = Skibets servicefart (knob) S 3 VS [knots] Ro-Ro Cargo ships Speed = 3.82Ln(P S ) R 2 = % MCR P P cal ME P S = 75 % MCR [kw] 100 P s V V obs S 3 VS (knots) / P Ro-Ro passenger ships V S = P S R 2 = P S = 75 % MCR ME 100

12 Sfc (g/kwh) sfc (g/kwh) DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Faktorer for energiforbrug 300,0 Forbedring i energieffektivitet for nye motorer frem til år 2000, herefter konstant (datakilde: DTU). Der er ikke indregnet yderligere motorspecifikke energiforbedringer for prognoseår. sfc (g/kwh) pr opgørelsesår: Rullende gennemsnit bestemt af motorbyggeår og motorlevetid. 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0, Engine production year Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke) High speed (4-stroke) sfc k, X year year X X LT LT sfc k k, y k = motortype, X = opg. år, y = motorbyggeår, LT = gnsn. motorlevetid Inventory year High speed (4-stroke) Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke)

13 Faktorer for NOx emissioner DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Tier I: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget mellem Tier II: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget fra Tier III: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget fra I NECA område. Dieselmotorer bygget mellem 1990 og 1999 (>5000 kw) skal overholde Tier I

14 NOx (g/kwh) NO x (g/kwh) Faktorer for NOx emissioner DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Forbedring i energieffektivitet frem til år 2000 får NO x emf. til at stige (MAN Diesel). I begyndelsen af 1990 erne (SS) og i slutningen af 1990 erne (MS) falder NO x emf. ned på Tier I niveau, hovedsageligt pga. forbedret motordesign. Tier II (2011) og III (2016) krav reducerer NO x emf. med ca. 15 % og 80 % NO x emf (g/kwh) pr opgørelsesår: Rullende gennemsnit bestemt af motorbyggeår og motorlevetid (ikke vist). EF k, y, X year year k = motortype, X = opg. år, y = motorbyggeår, LT = gnsn. motorlevetid. X X LT LT EF k k, y 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Engine production year Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke) High speed (4-stroke) Engine production year High speed (4-stroke) Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke)

15 Faktorer for NO x emissioner retrofit justering 75 % af slow speed motorer bygget mellem 1990 og 1999 i effektintervallet 7500 kw kw får efterinstalleret mere NO x effektive glideventiler (MAN Diesel). Retrofit periode: , lineært indfaset NO x justeringsfaktoren K R fås som: K R ( k, y, P, X ) EF k, y (1 SR( X ) SR( P)) EFk, TierI SR( X ) SR( P) EF k, y EF k,y = NOx emf (g/kwh) afh. motortype og byggeår EF Tier I = NOx emf (g/kwh) for Tier I motorer S R (X) = Andel af retrofittede motorer i opg. år X S R (P) = Andel motorer der skal retrofittes I effekt-byggeår intervallet (= 75 %) k = motortype (slow speed) X = Opgørelsesår, X = [2011;2020] P = Hovedmotorstørrelse (ME), P = [5000 kw;22500 kw] y = motorbyggeår, y = [1990;1999]

16

17 SO 2 emf. (g/kwh) fås af følgende udtryk: EF( SO ) 2 2 S% 100 sfc Partikelemissionen (g/kg fuel) afhænger af S-%: EF PM ( g / kgfuel) e ( S% 0.745) Partikelemissionen omregnet til g/kwh fås som: EF PM ( g / kwh) EF PM ( g / kgfuel) 1000 sfc

18 Beregningsmetode E( X ) % MCR PME EFk l, i t, X i /3600 E = Brændstofforbrug/emissioner (g), %MCR = Øjeblikkelig motorbelastning (%), t = Sejltid mellem hvert AIS signal (s), P ME = Hovedmotorstørrelse (kw), EF = Faktorer for brændstofforbrug/emissioner (g/kwh), i = AIS signal interval, k = Brændstoftype, l = Motortype, X = Beregningsår

19 : Energiforbruget stiger med 15 %; det samme gør CO 2, HC og CO (ikke vist). Trafikvækst for gods er 36 %. NO x emissionen stiger med 2 % fra 2007 til Uden IMO krav ville væksten være15 %. NO x reduktionerne bliver store i årene efter : Store emissionsfald for SO 2 (91 %) og PM 2.5 (54 %) pga. de skærpede svovlkrav.

20 Tot a l f ue l c onsumpt i on Tot a l f ue l c onsumpt i on Tot a l f ue l c onsumpt i on T anker 20% Bul k car r i er 6% Car go Ro- Ro 13% T anker 20% Bul k car r i er 6% Car go Ro- Ro 13% T anker 22% Bul k car r i er 7% Car go Ro- Ro 14% P assenger Ro- Ro 32% Ot her 3% Cont ai ner 26% P assenger Ro- Ro 32% Ot her 3% Cont ai ner 26% P assenger Ro- Ro 25% Ot her 3% Cont ai ner 29% : Passagerskibe er den største kilde i 2007, og står for knap en tredjedel af energiforbruget, partikelemissionen samt SO 2 emissionen. Andelen falder til 25 % i 2020 pga. trafikvæksten indenfor godstrafik. I 2020 forventes containerskibe at blive den største kilde.

21 (TJ) DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Fuel consumption (Flag state) Sweden Denmark (incl. Dis) Germany Norway (incl. Nis) Energi - EU: 64 %; Non-EU: 36 % SO 2 EU: 65 %; Non-EU: 35 % NO x EU: 59 %; Non-EU: 41 % Bahamas Finland Netherlands Panama Cyprus Malta United Kingdom Antigua & Barbuda Liberia Gibraltar Greece Marshall Islands Russia Isle Of Man Lithuania Estonia Italy St Vincent & The Grenadines Singapore

22 Skibenes hovedruter er meget tydelige på kortene. Emissionsreduktion er mest tydelig for SO 2 og NO x pga. de skrappe svovlkrav.

23 Konklusion Ny og forbedret emissionsopgørelse for skibsemissioner i de danske farvande. Øjeblikkelig motorbelastning (som funktion af skibstype og sejlfart) mere præcise energi og emissionsberegninger. Opgørelsen inddeles i 1 km x 1 km celler detaljeret geografisk opløsning : Energiforbruget stiger med 15 % det samme gør CO 2, HC og CO. Afledt af forbedret energieffektivitet og trafikvækst for godstrafik (36 %).

24 Konklusion Store emissionsreduktioner fra 2007 til 2020 for SO 2 (91 %) og PM 2.5 (54 %) pga. de skærpede svovlkrav. Lille NO x stigning (2 %) fra 2007 til Uden IMO-krav for NO x : 15% stigning pga. øget skibstrafik. IMO-kravene betyder store NO x -reduktioner for nye skibe fra Skibsflåden får gradvist mindskede NO x -emissioner i årene derefter.

25 Tak for Jeres opmærksomhed!