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
Disposition Indledning Inputdata til emissionsopgørelsen Beregningsmetode Resultater Konklusion
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 2020. Energi, CO 2, SO 2, NO x, partikler, CO og HC. Projektet er delvist financieret af Miljøstyrelsen
Inputdata til emissionsopgørelsen AIS data fra Farvandsvæsenet (FRV) Skibsdata fra Lloyd s Register Skibstyper, motortyper, fueltyper, motorlevetider Trafikprognose Motorbelastningsfunktioner Faktorer for energiforbrug og emissioner
www.marinetraffic.com
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
No. pr. todøgnsperiode DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Antal skibe registreret i Lloyd's DB 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 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 13-14 19-20 8-9 11-12 6-7 15-16 24-25 18-19 11-12 26-27 12-13 3-4 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 (%) 83 80 81 79 82 80 78 79 77 79 76 74 Skibe (No.) 1231 1348 1269 1388 1524 1490 1256 1499 1429 1525 1286 1184 Antal AIS signaler i alt: 15,575 mio. (79 % genfindes i Lloyd s DB) Ikke identificerede skibe er små fartøjer (iflg. Lloyd s)
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.
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 10 1000-4000 Medium speed (4-takt) Diesel 30 > 4000 Medium speed (4-takt) HFO 30
Inputdata til emissionsopgørelsen - Trafikprognose Danmarks Rederiforening 2007 = 2011 (finanskrisen) 2011-2020: 3-4 % årlig vækst for godstrafik Uændret for færger
Motorbelastningsfunktioner for fem forskellige skibstyper: Servicefart (VS) ME service effekt (PS) 28 17 17 24 15 15 VS [knots] 20 Container Ships 16 V S = 3,7Ln(P S ) - 14.8 12 R 2 = 0.95 8 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 P S = 85 % MCR [kw] VS [knots] 13 Bulk carriers VS [knots] 13 Tankers 11 9 9 V S = 1.31Ln(P S ) + 2.8 11 V S = 1.12Ln(P S ) + 4.6 R 2 = 0.73 R 2 = 0.49 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 24000 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 32000 P S = 85 % MCR [kw] P S = 85 % MCR [kw] 24 32 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] 22 20 18 16 Ro-Ro Cargo ships Speed = 3.82Ln(P S ) - 15.9 R 2 = 0.61 14 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 % MCR P P cal ME P S = 75 % MCR [kw] 100 P s V V obs S 3 VS (knots) 28 24 20 16 12 8 / P Ro-Ro passenger ships V S = 0.00037 P S + 14.5 R 2 = 0.78 0 9000 18000 27000 36000 45000 54000 P S = 75 % MCR ME 100
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 0,0 1949 1953 1957 1961 1965 1969 Engine production year 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke) High speed (4-stroke) 250 200 sfc k, X year year X X LT LT sfc k k, y k = motortype, X = opg. år, y = motorbyggeår, LT = gnsn. motorlevetid. 150 100 50 0 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Inventory year 2014 2016 2018 2020 High speed (4-stroke) Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke)
Faktorer for NOx emissioner DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER Tier I: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget mellem 1.1.2000 31.12.2010. Tier II: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget fra 1.1.2011. Tier III: Diesel motorer (> 130 kw) installeret i et skib bygget fra 1.1.2016 I NECA område. Dieselmotorer bygget mellem 1990 og 1999 (>5000 kw) skal overholde Tier I
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 0,0 1949 1953 1957 1961 1965 1969 Engine production year 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke) High speed (4-stroke) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Engine production year 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 High speed (4-stroke) Medium speed (4-stroke) Slow speed (2-stroke)
Faktorer for NO x emissioner retrofit justering 75 % af slow speed motorer bygget mellem 1990 og 1999 i effektintervallet 7500 kw 22500 kw får efterinstalleret mere NO x effektive glideventiler (MAN Diesel). Retrofit periode: 1.7.2011 1.7.2016, 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]
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) 0.854 e ( S% 0.745) Partikelemissionen omregnet til g/kwh fås som: EF PM ( g / kwh) EF PM ( g / kgfuel) 1000 sfc
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
2007-2020: 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 2020. Uden IMO krav ville væksten være15 %. NO x reduktionerne bliver store i årene efter 2020. 2007-2020: Store emissionsfald for SO 2 (91 %) og PM 2.5 (54 %) pga. de skærpede svovlkrav.
Tot a l f ue l c onsumpt i on - 2 0 0 7 Tot a l f ue l c onsumpt i on - 2 0 11 Tot a l f ue l c onsumpt i on - 2 0 2 0 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% 2007-2020: 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.
(TJ) DANMARKS MILJØUNDERSØGELSER 1000 900 Fuel consumption (Flag state) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 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
Skibenes hovedruter er meget tydelige på kortene. Emissionsreduktion er mest tydelig for SO 2 og NO x pga. de skrappe svovlkrav.
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. 2007-2020: Energiforbruget stiger med 15 % det samme gør CO 2, HC og CO. Afledt af forbedret energieffektivitet og trafikvækst for godstrafik (36 %).
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 2020. Uden IMO-krav for NO x : 15% stigning pga. øget skibstrafik. IMO-kravene betyder store NO x -reduktioner for nye skibe fra 2016. Skibsflåden får gradvist mindskede NO x -emissioner i årene derefter.
Tak for Jeres opmærksomhed!